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2019-2020年高中物理 2.6 焦耳定律-電路中的能量轉(zhuǎn)化教案 教科版選修3-1 ●課標(biāo)要求 1．知道焦耳定律． 2．了解焦耳定律在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用． ●課標(biāo)解讀 1．了解用電器的作用是把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能． 2．理解電功、電功率的概念、公式、物理意義．了解實(shí)際功率和額定功率． 3．理解焦耳定律，會(huì)根據(jù)焦耳定律計(jì)算用電器產(chǎn)生的電熱．了解電功和電熱的關(guān)系．了解公式Q＝I2Rt(P＝I2R)、Q＝U2t/R(P＝U2/R)的適用條件． 4．知道非純電阻電路中電能與其他形式能的轉(zhuǎn)化關(guān)系，電功大于電熱．能運(yùn)用能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn)解決簡單的含電動(dòng)機(jī)的非純電阻電路問題． ●教學(xué)地位 本節(jié)知識(shí)是本章的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，其中電路中的功率問題分析也是高考命題的熱點(diǎn)． (教師用書獨(dú)具) ●新課導(dǎo)入建議 日常生活中，我們經(jīng)常要用到各種家用電器，例如用電熨斗熨衣服、用電熱器燒水、取暖、用電風(fēng)扇乘涼等．那么電熱器燒水時(shí)是電能轉(zhuǎn)化為哪種形式的能？電風(fēng)扇乘涼時(shí)又是電能轉(zhuǎn)化為哪種形式的能？能量轉(zhuǎn)化過程中又有什么規(guī)律呢？帶著這些問題，進(jìn)入今天的學(xué)習(xí)． ●教學(xué)流程設(shè)計(jì) 課前預(yù)習(xí)安排： 1．看教材2.填寫【課前自主導(dǎo)學(xué)】(同學(xué)之間可進(jìn)行討論)步驟1：導(dǎo)入新課，本節(jié)教學(xué)地位分析步驟2：老師提問，檢查預(yù)習(xí)效果(可多提問幾個(gè)學(xué)生)步驟3：師生互動(dòng)完成“探究1”互動(dòng)方式(除例1外可再變換命題角度，補(bǔ)充一個(gè)例題以拓展學(xué)生思路)  步驟7：師生互動(dòng)完成“探究3”(方式同完成“探究1”相同)步驟6：師生互動(dòng)完成“探究2”(方式同完成“探究1”相同)步驟5：讓學(xué)生完成【遷移應(yīng)用】檢查完成情況并點(diǎn)評步驟4：教師通過例題講解電功能和電熱的區(qū)別  步驟8：完成“探究4”(重在講解規(guī)律方法技巧)步驟9：指導(dǎo)學(xué)生完成【當(dāng)堂雙基達(dá)標(biāo)】，驗(yàn)證學(xué)習(xí)情況步驟10：先由學(xué)生自己總結(jié)本節(jié)的主要知識(shí)，教師點(diǎn)評，安排學(xué)生課下完成【課后知能檢測】 課　標(biāo)　解　讀 重　點(diǎn)　難　點(diǎn) 1.了解用電器的作用是把電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能． 2.理解電功、電功率的概念、公式、物理意義．了解實(shí)際功率和額定功率． 3.理解焦耳定律，會(huì)根據(jù)焦耳定律計(jì)算用電器產(chǎn)生的電熱．了解電功和電熱的關(guān)系．了解公式Q＝I2Rt(P＝I2R)、Q＝U2t/R(P＝U2/R)的適用條件． 4.知道非純電阻電路中電能與其他形式能的轉(zhuǎn)化關(guān)系，電功大于電熱．能運(yùn)用能量轉(zhuǎn)化與守恒的觀點(diǎn)解決簡單的含電動(dòng)機(jī)的非純電阻電路問題. 1.電功的計(jì)算．(重點(diǎn)) 2.電熱的計(jì)算．(重點(diǎn)) 3.電流做功表達(dá)式的推導(dǎo)．(重點(diǎn)) 4.電流做功表達(dá)式的推導(dǎo)．(難點(diǎn)) 5.純電阻電路和非純電阻電路在能量轉(zhuǎn)化過程中的區(qū)別．(難點(diǎn)) 電功　電功率 1.基本知識(shí) (1)電功 ①概念：電場力移動(dòng)電荷所做的功． ②公式：W＝qU＝UIt. ③單位：焦耳，符號(hào)J. (2)電功率 ①物理意義：表示電流做功快慢的物理量． ②定義：電流所做的功與做這些功所用時(shí)間的比值． ③公式：P＝＝IU. ④單位：瓦特，符號(hào)W. 2．思考判斷 (1)功率是1千瓦的空調(diào)正常工作一小時(shí)所消耗的電功是1 J．() (2)電流做功的過程是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程，電流做了多少功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能．(√) (3)用電器的電功率越大，電流做功越多．() 3．探究交流 注意一下家里用電器的銘牌，如果電視機(jī)的銘牌上寫著“100 W”，計(jì)算一下，電視機(jī)多長時(shí)間能用一度電？ 【提示】　根據(jù)電功與電功率的關(guān)系可以計(jì)算，電視機(jī)10個(gè)小時(shí)會(huì)用掉一度電. 焦耳定律　熱功率 1.基本知識(shí) (1)焦耳定律 ①內(nèi)容：電流通過電阻產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟電阻值成正比，跟通電時(shí)間成正比． ②公式：Q＝I2Rt. ③單位：J. ④應(yīng)用：工業(yè)上的電烙鐵電烤箱等；生活中的電暖氣、電爐、電熨斗、電飯鍋等． (2)熱功率 ①概念：電阻通電所產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)生這些熱量所用時(shí)間的比值． ②公式：P熱＝＝I2R. 2．思考判斷 (1)電流的熱效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是電能通過電流做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．(√) (2)根據(jù)電功的公式和歐姆定律可以推導(dǎo)出電熱的公式，因此電功和電熱是完全相同的．() (3)在非純電阻的電路中UI＜I2R.() 3．探究交流 為什么說歐姆定律只適用于純電阻電路？在非純電阻電路中U、I、R三者之間又有怎樣的關(guān)系呢？ 【提示】　這是因?yàn)樵诩冸娮桦娐分校ㄟ^電流做功電能被全部轉(zhuǎn)化成了內(nèi)能，即此時(shí)電功等于電熱，也就是UIt＝I2R t，可見此時(shí)歐姆定律I＝成立；而在非純電阻電路中電功大于電熱，即UIt＞I2Rt，所以此時(shí)U、I、R三者之間的關(guān)系為U＞IR(I＜). 電路中的能量轉(zhuǎn)化 1.基本知識(shí) (1)內(nèi)電路中的能量轉(zhuǎn)化 ①電源：通過各種作用，將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化功率P＝IE. ②內(nèi)阻：通過電流做功將一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)阻的內(nèi)能，即P內(nèi)＝I2r. (2)外電路上的能量轉(zhuǎn)化：通過電流做功將電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，即P外＝UI. (3)兩者之間的關(guān)系：由能量守恒定律可知P＝P內(nèi)＋P外，即EI＝I2r＋UI，進(jìn)一步化簡可得E＝U＋I(xiàn)r，可見閉合電路歐姆定律實(shí)質(zhì)上是能量守恒定律在閉合電路中的具體表現(xiàn)． 2．思考判斷 (1)電動(dòng)機(jī)是非純電阻用電器，所以在任何情況下，都不能將電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．() (2)在使用電源時(shí)，絕對不可以讓電源短路，以免造成電源的損壞，甚至引起火災(zāi)．(√) 3．探究交流 同學(xué)們想一下，以下幾個(gè)組合在純電阻電路和非純電阻電路中分別表示什么意義？ (1)qU　(2)UIt　(3)I2Rt　(4)t 【提示】　在純電阻電路中以上幾個(gè)公式既可以求電功，也可以求電熱，即此時(shí)W＝Q＝qU＝UIt＝I2Rt＝t.而在非純電阻電路中求電功只能用(1)(2)，求電熱只能用(3)，t既不能求電功也不能求電熱. 電功和電熱的區(qū)別 【問題導(dǎo)思】　 1．電動(dòng)機(jī)和電爐分別接入電路中，都能用歐姆定律計(jì)算電流嗎？ 2．電冰箱工作時(shí)，電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能嗎？ 3．電功和電熱在什么情況下是相等的？ 1．兩種電路的比較 兩種電路 比較內(nèi)容 純電阻電路 非純電阻電路 元件特點(diǎn) 電路中只有電阻元件，只能把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 除電阻外還包括能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的用電器 歐姆定律 服從歐姆定律I＝ 不服從歐姆定律：U>IR或I< 能量轉(zhuǎn)化 電流做功電能全部轉(zhuǎn)化為電熱 電流做功電能除轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外還要轉(zhuǎn)化為其他形式的能 元件舉例 電阻、電爐絲、白熾燈等 電動(dòng)機(jī)、電解槽等 2.電功與電熱 W＝UItQ＝I2Rt 公式關(guān)系―→UIt＝I2Rt或UI＝I2R　U＝IR 擴(kuò)展關(guān)系―→UIt＝I2Rt＝t或UI＝I2R＝ W＝UItQ＝I2Rt其他形式的能 公式關(guān)系―→UIt>I2Rt　U>IR或UI>I2R 　 不管是純電阻電路還是非純電阻電路，計(jì)算電功時(shí)都用W＝UIt，功率都用P＝UI，熱量都用Q＝I2Rt，熱功率都用P＝I2R，若用變形式時(shí)，就要考慮是否是純電阻電路． 　如圖2－6－1所示，為電動(dòng)機(jī)提升重物的裝置，電動(dòng)機(jī)線圈電阻為r＝1 Ω，電動(dòng)機(jī)的輸入電壓為U＝5 V，電路中的電流為I＝1 A，物體A重20 N，不計(jì)摩擦力，求： 圖2－6－1 (1)電動(dòng)機(jī)線圈電阻上消耗的熱功率是多少？ (2)電動(dòng)機(jī)輸入功率和輸出功率各是多少？ (3)10 s內(nèi)，可以把重物A勻速提升多高？ (4)這臺(tái)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率是多少？ 【導(dǎo)析】　電流經(jīng)過電動(dòng)機(jī)，一部分電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，Q＝I2Rt；一部分電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，E機(jī)＝mgh. 【解析】　(1)根據(jù)焦耳定律，熱功率為： PQ＝I2r＝121 W＝1 W. (2)輸入功率等于輸入電流與電動(dòng)機(jī)兩端電壓的乘積 P入＝IU＝15 W＝5 W 輸出功率等于輸入功率減去發(fā)熱消耗的功率 P出＝P入－PQ＝5 W－1 W＝4 W. (3)電動(dòng)機(jī)輸出的功率用來提升重物轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，在10 s內(nèi)P出t＝mgh，解得 h＝P出t/mg＝ m＝2 m. (4)機(jī)械效率η＝P出/P入＝80%. 【答案】　(1)1 W　(2)5 W　4 W　(3)2 m　(4)80% 電動(dòng)機(jī)電路的分析與計(jì)算 并不是所有含有電動(dòng)機(jī)的電路都是非純電阻電路，要注意區(qū)分電動(dòng)機(jī)正常工作和被卡住兩種情況． 1．當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，要注意分清電功和電熱的關(guān)系，電動(dòng)機(jī)消耗的電能也就是電流做的功W＝UIt，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的內(nèi)能必須用Q＝I2Rt來求，另外，還要注意能量守恒定律的應(yīng)用即W＝Q＋E(E為其他形式的能)或P入＝P機(jī)＋P熱，其中，P入＝UI，P熱＝I2R，P機(jī)為機(jī)械功率． 2．當(dāng)電動(dòng)機(jī)被卡住時(shí)，電動(dòng)機(jī)消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的內(nèi)能，W＝Q，即UIt＝I2Rt. 1．電動(dòng)玩具汽車的直流電動(dòng)機(jī)電阻一定，當(dāng)加上0.3 V電壓時(shí)，通過的電流為0.3 A，此時(shí)電動(dòng)機(jī)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)．當(dāng)加上3 V電壓時(shí)，電流為1 A，這時(shí)候電動(dòng)機(jī)正常工作，求電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，產(chǎn)生的機(jī)械功率和發(fā)熱功率． 【解析】　當(dāng)加上0.3 V電壓時(shí)電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，它消耗的電能全部用來發(fā)熱，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)可以看做純電阻，可以用歐姆定律計(jì)算它的電阻R＝U1/I1＝0.3/0.3 Ω＝1 Ω 當(dāng)加上3 V電壓時(shí)，電流為1 A，顯然不符合歐姆定律，消耗的電能一部分發(fā)熱，一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，此時(shí)電路為非純電阻電路． 消耗的電功率為：P＝IU＝3 W 發(fā)熱功率P熱＝I2R＝1 W 根據(jù)能量關(guān)系，產(chǎn)生的機(jī)械功率為：P機(jī)＝P－P熱＝2 W. 【答案】　2 W　1 W 串、并聯(lián)電路中電功率的分析與計(jì)算 【問題導(dǎo)思】　 1．串聯(lián)電路中阻值越大的電阻消耗的功率越大嗎？并聯(lián)電路中阻值越小的電阻消耗的功率越小嗎？ 2．“220 V　40 W”與“220 V　60 W”的兩盞燈接在電壓為220 V的電路中，如何連接才能使兩盞燈都正常發(fā)光？電路中消耗的總功率與兩盞燈各自消耗的功率有什么關(guān)系呢？ 1．串聯(lián)電路 功率關(guān)系 2．并聯(lián)電路 功率關(guān)系 3．結(jié)論 無論是串聯(lián)電路還是并聯(lián)電路，電路消耗的總功率均等于各電阻消耗的功率之和． 1．求解串、并聯(lián)電路中的功率分配問題，比例法求解會(huì)使問題簡化，但一定要確定是正比還是反比關(guān)系． 2．當(dāng)分析用電器的功率問題時(shí)，一定要注意用電器的安全，即不要超過用電器的額定電壓、額定電流． 　給定兩只標(biāo)有“110 V　40 W”的燈泡L1和標(biāo)有“110 V　100 W”的燈泡L2及一只最大阻值為500 Ω的滑動(dòng)變阻器R，將它們接在220 V的電路中，在如圖所示的幾種接法中，最合理的是(　　) 　A　　　　　　　　　　　　B 　C　　　　　　　　　　　　D 【解析】　L1(110 V　40 W)和L2(110 V　100 W)的額定電壓相同，由P＝可知R1>R2，由串、并聯(lián)電路電流、電壓特點(diǎn)可知A、D中L1、L2一定不會(huì)同時(shí)正常發(fā)光，雖然B、C能使L1、L2同時(shí)正常發(fā)光，但B中P總＝2(P1＋P2)，C中P總＝2P2，故C正確． 【答案】　C 最合理的電燈電路的分析判斷方法 最合理的電燈電路就是能使燈泡正常發(fā)光且電路消耗功率最小，解答此類問題的思路分兩步： 1．先分清哪個(gè)電路的燈泡能夠正常發(fā)光，可以從電流、電壓、電功率中任選一個(gè)量達(dá)到其額定值，其他兩個(gè)也達(dá)到額定值的方面分析． 2．確定了正常發(fā)光后，再比較哪一個(gè)電路的實(shí)際功率小，可以用定量計(jì)算的方法比較哪個(gè)電路的總電流小，也可以用定性分析的方法． 2．如圖2－6－2所示電路中，R1、R2都是“4 W、100 Ω”的電阻，R3是“1 W、100 Ω”的電阻，則A、B間允許消耗的最大功率是(　　) 圖2－6－2 A．1.5 W　　　　　　　　　B．9 W C．8 W D. W 【解析】　由P＝得：U1＝U2＝＝20 V U3＝＝10 V，故AB間所加電壓最大值為U3＝10 V，P3＝1 W，P′2＝P′3＝＝0.25 W P總＝P3＋P′1＋P′2＝1.5 W，A正確． 【答案】　A 閉合電路中的功率和效率 【問題導(dǎo)思】　 1．外電路的電阻越大，電源的輸出功率越大嗎？ 2．電源的輸出功率越大，電源的效率越高嗎？ 3．外電路的電阻越大，電源的總功率越大嗎？ 1．各部分功率關(guān)系分析 由EIt＝I2Rt＋I(xiàn)2rt知 EI＝I2R＋I(xiàn)2r 2．輸出功率隨外電阻R的變化規(guī)律 (1)電源的輸出功率：P出＝UI＝＝(外電路為純電阻電路) 圖2－6－3 (2)P輸出－R圖像：以縱軸表示輸出功率，以橫軸表示外電阻，建立坐標(biāo)系，則P出隨外電阻R變化的圖像如圖2－6－3所示． (3)幾個(gè)結(jié)論 ①當(dāng)R＝r時(shí)，電源的輸出功率最大Pm＝. ②當(dāng)Rr時(shí)，隨R的增大輸出功率越來越小． ④當(dāng)P輸出110 V，B燈被燒毀，兩燈不能正常發(fā)光，對于B電路，由于RB>RA，A燈又并聯(lián)變阻器，并聯(lián)電阻更小于RB，所以UB>U并，B燈被燒毀，對于C電路，B燈與變阻器并聯(lián)電阻可能等于RA，所以可能UA＝UB＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光．對于D電路，若變阻器的有效電阻等于A、B的并聯(lián)電阻，則UA＝UB＝110 V，兩燈可以正常發(fā)光． 比較C、D兩個(gè)電路，由于C電路中變阻器功率為(IA－IB)110 W，而D電路中變阻器功率為(IA＋I(xiàn)B)110 W，所以C電路中消耗的電功率最小． 【答案】　C 10. 圖2－6－13 如圖2－6－13所示，電阻R1＝20 Ω，電動(dòng)機(jī)線圈的阻值R2＝10 Ω.當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電流表的示數(shù)是I0＝0.5 A；當(dāng)開關(guān)合上后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，電路兩端的電壓不變，電流表的示數(shù)I和電路消耗的電功率P應(yīng)是(　　) A．I＝1.5 A B．I<1.5 A C．P＝15 W D．P<15 W 【解析】　由題意知，電路兩端的電壓U＝R1I0＝10 V，閉合開關(guān)后，當(dāng)電壓全部加在電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻上時(shí)，它的電流為1 A，但只有一部分電壓加在電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻上，所以I<1.5 A，B正確．同理電動(dòng)機(jī)所消耗的功率也小于10 W，則電路消耗的電功率P<15 W，D正確． 【答案】　BD 11．一只規(guī)格為“220 V　2 000 W”的電爐，求： (1)它在正常工作時(shí)的電阻； (2)若電網(wǎng)電壓為200 V，求電爐的實(shí)際功率； (3)在220 V電壓下，如果平均每天使用電爐2 h，此電爐一個(gè)月要消耗多少度電？ 【解析】　(1)設(shè)電爐電阻為R，由于電爐為純電阻電路，根據(jù)P＝IU、I＝得R＝U2/P＝2202/2 000 Ω＝24.2 Ω. (2)當(dāng)電壓為U′＝200 V時(shí)，電爐的實(shí)際功率為P＝U2/R＝xx/24.2 W＝1 653 W. (3)在220 V的電壓下，一個(gè)月耗用電能(按30天計(jì)算)W＝2230 kWh＝120 kWh. 【答案】　(1)24.2 Ω　(2)1 653 W　(3)120度 12. 圖2－6－14 在如圖2－6－14所示電路中，電源電動(dòng)勢E＝10 V，內(nèi)阻r＝0.5 Ω，電動(dòng)機(jī)的電阻R0＝1.0 Ω，電阻R1＝1.5 Ω.電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電壓表的示數(shù)U1＝3.0 V，求： (1)電源釋放的電功率； (2)電動(dòng)機(jī)消耗的電功率，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率； (3)電源的輸出功率． 【解析】　(1)電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，總電流為：I＝＝ A＝2 A，電源釋放的電功率為P釋＝EI＝102 W＝20 W (2)電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為：U＝E－Ir－U1＝(10－20.5－3)V＝6 V 電動(dòng)機(jī)消耗的電功率為：P電＝UI＝62 W＝12 W 電動(dòng)機(jī)消耗的熱功率為：P熱＝I2R0＝221 W＝4W 電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的功率，根據(jù)能量守恒為：P機(jī)＝P電－P熱＝(12－4)W＝8 W (3)電源的輸出功率為：P出＝P釋－P內(nèi)＝P釋－I2r＝(20－220.5) W＝18 W 【答案】　(1)20 W　(2)8 W　(3)18 W