2022-2023學年人教版必修三 12.1 電路中的能量轉(zhuǎn)化 教案

12.1電路中的能量轉(zhuǎn)化〖教材分析〗本節(jié)根據(jù)功能的關(guān)系，從電能的轉(zhuǎn)化引入電功的概念，然后聯(lián)系前面學習過的靜電力做功的知識和電量的關(guān)系得到了電功的計算式子。著重從能量轉(zhuǎn)化的角度理解電功和電熱，區(qū)分純電阻電流與非純電阻電流。教科書沒有通過實驗歸納出焦耳定律，而是從能量守恒定律邏輯推理得出的。這里又一次應用了功能關(guān)系的思想?！冀虒W目標與核心素養(yǎng)〗物理觀念：樹立電能的觀念，理解電能、電功率、熱量、熱功率的概念，理解純電阻下的焦耳定律的物理意義，能進行相關(guān)分析與計算?？茖W思維：運用能量轉(zhuǎn)化和能量守恒定律推導電能、電功率、熱量、熱功率的表達式，理論聯(lián)系實際，學習運用能量轉(zhuǎn)化和能量守恒定律分析解決問題的方法。科學探究：通過實例分析非純電阻電能轉(zhuǎn)化的關(guān)系，通過理論分析與論證的過程，使學生受到理性思維的訓練?？茖W態(tài)度與責任：通過公式的演繹推導，培養(yǎng)學生對科學研究的興趣；進一步體會能量守恒定律的普遍性?！冀虒W重點與難點〗重點：區(qū)別并掌握電功和電熱的計算。難點：學生對電路中的能量轉(zhuǎn)化關(guān)系缺乏感性認識，接受起來很困難?！冀虒W準備〗多媒體課件〖教學過程〗（播放動圖展示500安培的電流一下子就把鐵絲熔斷）說明產(chǎn)生了大量的熱。這章我們要研究的是電路中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的?用能量守恒定律推導出的閉合電路的規(guī)律是怎樣的?自然界存在哪些能源?（動圖展示石油開采）能源的利用與可持續(xù)發(fā)展有著怎樣的關(guān)系?我們的能源主要還是煤炭和石油。人類的活動離不開能量。大量的事例說明，自發(fā)的能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過程具有方向性。在能源的利用過程中，能量雖然是守恒的，但是可利用的品質(zhì)降低了。為了人類的可持續(xù)發(fā)展，需要我們節(jié)約能源和保護環(huán)境。首先學習的電路中的能量轉(zhuǎn)化。一、新課引入（圖片展示）現(xiàn)代生活中隨處都可以見到用電設備和用電器，例如電燈、電視、電熱水壺、電動汽車等。那么，你知道這些用電器中的能量是怎樣轉(zhuǎn)化的嗎?二、新課教學（一）電功和電功率（動圖展示電熱爐、電動機、蓄電池充電時）初中我們就知道，電熱爐通電時，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;電動機通電時，電能轉(zhuǎn)化為機械能;蓄電池充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學能。思考：功是能量轉(zhuǎn)化的量度，電能轉(zhuǎn)化為其它能量，是什么在做功呢？電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，是通過電流做功來實現(xiàn)的。1.電流做功的實質(zhì)是又是什么呢？我們通過水流做功來類比。（動圖播放水庫發(fā)電機）水壩發(fā)電機發(fā)出電來，是水流對發(fā)電機做功，實質(zhì)上就是水在重力作用下，從高處流向低處。水的勢能減少，水輪機機械能增加。然后機械能再轉(zhuǎn)化為電能。也就是說水流做功其實是重力在做功。既然如此電流做功其實就是導體中的恒定電場對自由電荷的靜電力在做功。自由電荷在靜電力的作用下從電勢高向電勢低的定向移動，結(jié)果電荷的電勢能減少，其他形式的能增加。也就是說電流做功其實是靜電力在做功。2.電功電流（靜電力）所做的功稱為電功。如圖表示一段電路，電荷從左向右定向移動，它們經(jīng)過這段電路所用的時間記為t。根據(jù)已學的知識，靜電力所做的功W=qU；而q是這段時間內(nèi)通過這段電路任一截面的電荷總量可以用q=It表示。聯(lián)立就得W=UIt這就是電功的表達式。即，電流在一段電路中所做的功，等于這段電路兩端的電壓U、電流中的電流I、通電時間t三者的乘積。注意：它適用于一切電路。單位：焦耳，簡稱焦，符號是J。它還有一個常用的單位千瓦時，俗稱“度”，符號是kW·h。它們的轉(zhuǎn)化關(guān)系是1kW·h=1000W×3600s=3.6×106J。測量方法是：電能表。3.電功率和其他力一樣，電流做功也有快慢之分，稱為電功率。它的大小等于電流在一段電路中所做的功與通電時間之比用P表示，由，把W=UIt，代入得到電功率的表達式P=UI這個公式表示，電流在一段電路中做功的功率P等于這段電路兩端的電壓U與電流I的乘積。同樣它是適用于一切電路。在公式中其中，電流、電壓和時間的單位分別是安培（A）、伏特（V）和秒（s），電功和電功率的單位分別是焦耳（J）和瓦特（W）。常用單位還有千瓦（kW）。轉(zhuǎn)換關(guān)系是1kW＝103W。課堂練習例1∶一根電阻絲在t時間內(nèi)通過2C的電量時，消耗電能是8J。則該電阻絲在t時間內(nèi)電流所做的功W和該電阻絲兩端所加電壓U分別為（）A.W=8JB.W=16JC.U=4VD.U=8V解題提示：電流所做的功等于消耗的電能，即W=8J，根據(jù)W=qU，代入數(shù)據(jù)得U=4V。答案選AC。（二）焦耳定律初中我們就學過，能量在相互轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中是守恒的，下面我們應用能量守恒定律分析電路中的能量轉(zhuǎn)化問題。思考：電流做功，究竟電能會轉(zhuǎn)化為哪種形式的能量？電流做功，究競電能會轉(zhuǎn)化為哪種形式的能量，要看電路中具有哪種類型的用電器。比如爐通電時，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;電動機通電時，電能轉(zhuǎn)化為機械能;蓄電池充電時，電能轉(zhuǎn)化為化學能。但是這個除了內(nèi)能以為還有沒有其他的能量呢？電爐發(fā)光了還有光能；電動機也會發(fā)熱所以也會有內(nèi)能，電池也是會有內(nèi)能。當電流只通過純電阻電路時，電流做功就會全部把電能轉(zhuǎn)化為熱能，有時候也是可以近似看做純電阻電路的。我們把導體通電時產(chǎn)生熱量的現(xiàn)象，稱為電流的熱效應。1.總熱量例如電流通過電熱水器中的電熱元件做功時，電能全部轉(zhuǎn)化為導體的內(nèi)能。電流在這段電路中做的功那等于這段電路產(chǎn)生的熱量Q，即Q=W根據(jù)剛才所學的，電流做的功：W=UIt由歐姆定律U=IR，聯(lián)立三個式子可以得到熱量Q的表達式Q=I2Rt這就是著名的焦耳定律。即電流通過導體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻及通電時間成正比。2.熱電功率除了總電熱，我們還關(guān)心產(chǎn)生熱量的快慢程度。也就是單位時間內(nèi)的發(fā)熱量，它叫做熱功率。由功率的定義式，由于在純電阻電路中電流所做的功等于發(fā)熱量W=Q，根據(jù)焦耳定律把Q=I2Rt代入，即P熱=I2R同樣它也是僅適用于產(chǎn)生電熱的電路。P=UI（一切電流做功的功率），總功率對比P熱=I2R（專指電流發(fā)熱的功率），熱功率在推導P=UI的過程中，沒有對電路的性質(zhì)作任何限制，其中的電功率P是指電流做功的功率，即為總功率。在推導P熱=I2R的過程中，我們用到了W=Q這個條件，它要求電流做的功"全部變成熱"，其中的電功率P，是指專指電流發(fā)熱的功率，稱為熱功率。電流做功可以轉(zhuǎn)化為多種形式，所以說電流做功包含著熱功。如果電路中有電動機或者正在充電的電池，那么電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能之外，還轉(zhuǎn)化為機械能和化學能?，F(xiàn)在我們以電動機為例，討論一下電路中的能量轉(zhuǎn)化。（三）電路中的能量轉(zhuǎn)化思考與討論如圖，當電動機接上電源后，會帶動風扇轉(zhuǎn)動，這里涉及哪些功率?功率間的關(guān)系又如何?1.能量轉(zhuǎn)化與守恒電動機從電源獲得能量，一部分轉(zhuǎn)化為機械能，電動機也會發(fā)熱，所以還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。除了內(nèi)能以為還有其他的，如電動機的轉(zhuǎn)子與軸承均有摩擦，另外還有空氣阻力，但不多。這些都是我們不想要的，統(tǒng)稱為損失的能量。即電能W→機械能+內(nèi)能Q（損失的能量）那它的功率又是怎么變化的呢？2.功率的變化設電動機消耗的功率為P電，電動機對外做功，輸出的功率為P機，另外，電動機工作時自身也有能量損失，對應的功率為P損，它們之間滿足P電=P機+P損設電動機兩端的電壓為U，通過電動機線圈的電流為I，可知P電=UI。電動機剛停止工作時，我們發(fā)現(xiàn)外殼是熱的，說明工作時有電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。設電動機線圈的電阻為R，可知P熱=I2R只考慮線圈發(fā)熱產(chǎn)生的能量損失，則有P熱=P損。所以式子P電=P機+P熱同樣，對于正在充電的電池，電能除了轉(zhuǎn)化為化學能之外，還有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。小結(jié)①電阻電路：電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，有P電=P熱，即UI=I2R。②非純電阻電路（以電動機為例）：電能轉(zhuǎn)化為機械能和內(nèi)能P電=P機+P熱課本例題一個電動機，線圈電阻是0.4Ω，當它兩端所加的電壓為220V時，通過的電流是5A。這臺電動機發(fā)熱的功率與對外做功的功率各是多少？解題提示：電動機不是純電阻，所以能量是由電能轉(zhuǎn)化為機械能外還有會少量的內(nèi)能產(chǎn)生遵從能量守恒定律。對應的三個不同的功率∶電動機消耗的電功率P電電動機發(fā)熱的功率P熱和對外做功轉(zhuǎn)化為機械能的功率P機。三者之間也遵從能量守恒定律，即P電=P熱+P機。解由焦耳定律可知，電動機發(fā)熱的功率為P熱=I2R=52×0.4W=10W電動機消耗的電功率為P電=UI=220×5W=1100W根據(jù)能量守恒定律，電動機對外做功的功率為P機=P電-P熱=1100W-10W=1090W這臺電動機發(fā)熱的功率為10W，對外做功的功率為1090W。課堂練習例2：電飯鍋工作時有兩種狀態(tài)∶一種是鍋內(nèi)的水燒干以前的加熱狀態(tài)，另一種是水燒干以后的保溫狀態(tài)。圖是電飯鍋的電路圖R1是電阻，R2是加熱用的電阻絲。（1）自動開關(guān)S接通和斷開時，電飯鍋分別處于哪種狀態(tài)?說明理由。（2）要使電飯鍋在保溫狀態(tài)下的功率是加熱狀態(tài)的一率，R1：R2，應該是多少?解題提示：（1）S接通時，R1被短路，電路中的電阻小，電流大，由電功率公式，電阻絲R2的功率大，電飯鍋處于加熱狀態(tài)。S斷開時，電流電阻變大，R2上的電壓減小，電功率變小，電飯鍋處于保溫狀態(tài)。（2）電飯鍋加熱時，R2的功率，保溫時，R2的功率，根據(jù)題意，解得R1：:R2=（-1）：1例3:個定值電阻連成如圖所示的電路。RA、Rc的規(guī)格為"10V4W”，RB、RD的規(guī)格為"10V2W”。請按消耗功率大小的順序排列這四個定值電阻，并說明理由。解題提示：電阻D串聯(lián)，根據(jù)P=I2R，所以PA<PD；C并聯(lián)，根據(jù)，所以PB<PC；又因為IA>IC，根據(jù)P=I2R，所以PA>PC；所以PD>PA>PC>PC〖板書設計〗12.1電路中的能量轉(zhuǎn)化1.電功：W=UIt（適用于一切電路）2.電功率：描述做功的快慢P=UI3.焦耳定律：總熱量