人教版九年级物理全册教案：第十八章第3节测量小灯泡的电功率

第3节 测量小灯泡的电功率
设计说明
“测量小灯泡的电功率”这一节内容是继“伏安法测电阻”之后的又一综合性实验，进一步提高学生综合使用电流表、电压表及滑动变阻器的能力，以及正确分析实验数据、评估实验过程的能力，对学生的要求较高。本节实验要突出实验探究过程及实验过程中应思考的问题，通过实验加深学生对实际功率的理解，使学生了解电流、电压是如何影响用电器的实际功率的。
实验后要通过“交流与合作”环节解决学生实验中存在的疑惑和发现的新问题，使学生对小灯泡的实际功率有一个更全面的认识，因此交流与合作也是本节的重要环节，不能省略。教学过程可分为三个阶段：第一阶段制订计划与设计实验；第二阶段进行实验与收集证据；第三阶段交流与合作。
教学目标
【知识与技能】
1.会测算小灯泡的实际功率和额定功率，进一步练习使用电流表、电压表和滑动变阻器。
2.通过实验，体验小灯泡的电功率随它两端电压的变化而变化的规律。
【过程与方法】
学会用“伏安法”设计并进行实验，测量小灯泡在不同电压时的电功率。
【情感、态度和价值观】
通过实验认识用电器正常工作与不正常工作对用电器的影响，培养学生科学使用用电器的意识。
重点难点
教学重点
用“伏安法”测量小灯泡实际功率的方法和步骤，区分额定功率与实际功率以及讨论实验中发现的新问题。
教学难点
学生自己设计实验方案、实验步骤并得出实验结论。
教学方法
实验探究、观察、讨论和分析相结合的教学方法。
教具、学具
学生用：电源(四节干电池为宜)、电压表、电流表、滑动变阻器、导线若干、开关、标有“2.5 V”的小灯泡。
教师用：电源(四节干电池为宜)、电压表、电流表、滑动变阻器、导线若干、开关、标有“2.5 V”的小灯泡、标有“3.8 V”的小灯泡。
授课时数
1课时
教学过程
回顾思考
1.电功率是表示电流做功　　　　的物理量，电功率用　　　　表示，它的单位是　　　　，简称　　　　，符号　　　　。
2.电功率的计算公式是：　　　　。
3.额定电压是指用电器　　　　时的电压，用电器在　　　　下的功率叫额定功率。
4.连接电路过程中，开关要　　　　，闭合开关前，滑动变阻器的滑片应滑到　　　　处。
5.测小灯泡的电功率原理是　　　　。
导入新课
师：如图所示，你们知道灯泡的铭牌上标明的数值是什么意思吗？
生：它的意思是灯泡的额定电压是220 V，额定功率为100 W。
师：那么额定功率和实际功率又有怎样的关系呢？今天我们就来测量小灯泡的额定功率和实际功率，大家想一想我们用什么方法来测量呢？
生：可以用电压表和电流表测出电压和电流，利用公式P＝UI计算出电功率。
归纳：根据P＝UI，用电压表和电流表来测小灯泡电功率的方法叫做伏安法。
讲授新课
一、测量小灯泡的电功率
请同学们思考一下，如何知道小灯泡的电功率呢？
1.进行猜想
猜想1：可以根据生产厂家在灯泡上的铭牌直接读出。
猜想2：可以用电流表、电压表，根据P＝UI间接求出电功率。
猜想3：可以用电能表和停表由P＝Wt间接求出电功率。
2.设计实验
(过渡)师：大家说的都非常好，那么这节课我们就来用电流表、电压表间接测量小灯泡的电功率，我们把这种方法称为伏安法。
师：在我们前面的学习中也学习过伏安法，是用来测什么物理量的？
生：测电阻。
师：那么我们先复习一下伏安法测电阻的实验，看它能不能为我们测量用电器的电功率带来帮助。
引入伏安法测电阻实验，通过类比的方法研究测小灯泡电功率的原理、电路图及实验记录表格。
师：在伏安法测电阻中，用到哪些测量工具和重要的电学仪器？
生：电压用电压表测量，电流用电流表测量，因为要多次测量，所以在电路中连接滑动变阻器。
师：这些器材是如何连接的，画出实验电路图。
(学生完成后，教师选择较合适的进行投影，如图所示)
师：测小灯泡的电功率需要哪些器材，如何连接，请画出电路图。
教师指导学生画出电路图，如图所示。
师：在测电阻时需要测量的物理量有电压和电流，实验记录表格如下表。(投影展示)
实验序号
电压U/V
电流I/A
电阻R/Ω
电阻平均值R/Ω
1
2
3
那么在测电功率中除了测量的电压和电流外，实验记录的表格还应有哪些内容？
生：电功率。
师补充：小灯泡在不同的电压下工作时，消耗的实际功率不同，小灯泡的亮度也不同，故为了比较小灯泡在额定电压下的发光情况和不在额定电压下的发光情况，便于对额定功率和实际功率有直观的认识，在表格的最后一列加入“灯泡的发光情况”。根据以上所讲，请画出实验记录表格。
(学生完成后，教师投影展示)
实验记录表格：
实验序号
电压U/V
电流I/A
电功率P/W
灯泡发光情况
1
2
3
3.进行实验与收集证据。
师：本实验需测哪些情况下的电功率？
生：等于额定电压、略高于额定电压、略低于额定电压三种情况。
实验步骤：
(1) 按设计的电路图连接实物，连接时，开关要断开，闭合开关前，使滑动变阻器的滑片置于阻值最大处。
(2) 检查电路无误后，闭合开关S，移动滑动变阻器的滑片P，此时注意观察电压表的示数，当电压表的示数等于小灯泡的额定电压时，停止滑动，观察小灯泡的发光情况，并记下电流表的示数。
(3)调节滑动变阻器，使小灯泡两端的电压为额定电压的1.2倍，观察小灯泡的发光情况，并记下电压表和电流表的示数。
(4)调节滑动变阻器，使小灯泡两端电压为额定电压的45，观察小灯泡的发光情况，并记下电压表和电流表的示数。
(5)整理实验器材。
(6)用公式P＝UI计算出小灯泡的额定功率和实际功率，得出结论。
U实＝U额
P实＝P额
灯正常发光
U实P实灯比正常发光暗
U实>U额
P实>P额
灯比正常发光亮，灯有可能被烧毁
思考：(1)连接电路时应该把滑动变阻器的哪两个接线柱连入电路？
(2)闭合开关前，滑片应放在什么位置？
(3)电压表和电流表的正负接线柱的连线是否正确？量程选择是否正确？
(4)小灯泡两端的电压能高出额定电压很多吗？
(5)开始实验前，要检查电路并进行试触吗？
(学生讨论交流后明确答案)
学生分组实验，记录数据，教师巡回辅导，指导学生计算出电功率。
4.分析与论证
（1）通过上述实验的现象及数据可知，小灯泡两端的实际电压越高，小灯泡的电功率越大，灯泡发光越亮。小灯泡的亮度由它的实际功率决定。
（2）小灯泡两端实际电压只有不高于额定电压才安全。
（3）小灯泡的实际功率有多个，额定功率只有一个。
5.交流与评估
（1）小明在实验中，测得小灯泡的三次电功率为0.6 W、0.36 W、0.72 W，他认为小灯泡的额定功率应为三次功率的平均值，你认为小明的说法是否正确？为什么？
【交流总结】灯泡在不同的电压下功率是不同的，小灯泡的额定功率应是在额定电压下的功率。所以求小灯泡三次电功率的平均值是没有意义的。
（2）在测量小灯泡电功率的实验中，调节滑动变阻器的滑片多次测量的目的是什么？
【交流总结】比较灯泡在不同电压下的功率和发光情况。
3.在测量小灯泡电功率的实验中，小明发现小灯泡不亮，电流表没有示数，而电压表有示数，则电路中的故障是什么？
【交流总结】灯泡断路。
4.从今天的测量数据也可以计算出小灯泡的电阻。测出的电阻有什么不同？
【交流总结】三次测量计算出的电阻值基本相同，但有差别。因为灯丝电阻受温度的影响较大，温度越高.电阻越大，放在不同的电压下，温度不同，阻值发生变化。
（5）比较测电阻和电功率的实验记录表格有什么异同？
【交流总结】测定值电阻的阻值可以求平均值，今天测的功率不能求平均值。
上次多次测量是为了求平均值减小误差，这次是为了比较在不同电压下小灯泡的功率和发光情况。
【拓展】分析下列实验现象产生的原因。
现象1：小成连接的实验电路，闭合开关，发现电压表的指针反偏。
原因：电压表的“+”、“-”接线柱接反。
现象2：小黄连接的实验电路，闭合开关，移动滑片，灯泡亮度变化明显，但电流表的指针摆动较小，很难读出电流值。
原因：电流表选用的量程偏大。小灯泡的电流一般小于0.6 A,所以用0~0.6A的量程即可。
现象3：小洋连接的实验电路，滑动变阻器与灯泡串联，但闭合开关时发现小灯泡特别亮。
原因：（1）闭合开关前没有将滑动变阻器调到阻值最大。（2）滑动变阻器的上面两个接线柱同时接入电路。
现象4：小宇连接的实验电路，闭合开关后发现小灯泡不亮，电压表有示数，电流表指针不动。
原因：产生这个现象的原因可能有两个：一是小灯泡开路，即小灯泡的灯丝断了或接线没有接好；另一原因是电流表和电压表的位置接反了。
现象5：小琪的实验电路连接正确，但是实验中无论怎样调节滑动变阻器，小灯泡都不能正常发光（始终比较暗）。
原因：电源的电压太低。小灯泡比较暗，说明它两端的电压比较小，而当滑动变阻器接入电路的电阻为零时，小灯泡两端的电压就是电源的电压。
现象6：小颖连接的实验电路，闭合开关后，发现小灯泡变亮时电流表的示数变大，但是电压表的示数却变小。
原因：电压表测量的不是小灯泡的电压，而是滑动变阻器的电压。小灯泡的电压变大，滑动变阻器两端的电压正好变小。
例题讲解：(学生先练习，若有问题，教师补充讲解)
例1（2020·福建中考）“测量小灯泡的额定功率”实验中，器材有电源、滑动变阻器、两个电流表、小灯泡（U额为3.8 V）、定值电阻R0（阻值为10 Ω）、开关及若干导线。
甲 乙 丙
（1）根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙中未画出的两条导线补充完整。
（2）闭合开关前，滑动变阻器滑片P应置于　　　　（选填“A”或“B”）端。
（3）正确连接电路后，闭合开关，发现灯不亮，两电流表有示数且相同，故障可能是　　　　或　　　　。
（4）排除故障后，为了测量小灯泡的额定功率，移动滑动变阻器的滑片，直到电流表A2示数为　　　　A时小灯泡正常发光，电流表A1的示数如图丙，该示数为　　　　A，则小灯泡的额定功率为　　　　W。
解析：（1）由电路图甲可知，电流表A2测R0中电流，电流表A1在干路上，所以电流表A2的“-”接线柱与灯泡的左接线柱相连即可；滑动变阻器在使用时要“一上一下”接入电路，下接线柱已接入电路，再任选一上接线柱与灯泡右接线柱相连即可。（2）滑动变阻器使用前要滑到连入电路最大阻值处，故应滑到A端。（3）灯泡不亮，可能是灯泡断路，此时定值电阻R0和滑动变阻器串联，两电流表示数相同；若R0短路，则此时电流不经过灯泡，灯泡也不亮，此时电路中只有滑动变阻器工作，两电流表示数也相同。（4）灯泡和定值电阻R0并联，当灯泡两端的电压为额定电压3.8 V时，R0两端电压也为3.8 V，此时R0中电流为I0＝U0R0＝3.8 V10 ＝0.38 A；电流表A1选用0~3 A量程，示数为0.70 A，此时灯泡的额定功率为。
答案：（1）如图所示
（2）A　（3）小灯泡断路　R0处短路　（4）0.38　0.70（或0.7）　1.216
二、用电能表和停表测用电器的电功率
师：我们在家里用到很多的用电器，比如电风扇，它的功率如果用今天的方法测量的话，就不可行了，我们也没有相应的电流表和电压表，能不能想一个简单易行的方法呢？请同学们讨论一下。
生：我想，根据P＝Wt可以测出用电器消耗的电能和通电时间，然后计算出电功率。
师：想法很好，同学们想过没有，应该怎样具体操作呢？需要什么器材？
生：需要电能表，这个家庭电路中都安装好了，可以随时用，测时间可以用停表。
师：家里有很多用电器同时工作，如何用电能表只测量电风扇消耗的电能呢？
生：只让电风扇工作，把家里其他用电器都关掉。
师：如何用电能表测出电风扇在几分钟内消耗的电能？
生：数一数这段时间里表盘转动的圈数，因为前面我们学过电能表上标明了例如1 800 r/(kW·h)的字样，我们就知道每消耗1 kW·h的电能，表盘转过1 800圈，只要数出圈数就可以计算出消耗的电能。
师生总结步骤。
用电能表和停表测电功率具体方案：①使室内其他用电器均停止工作，只让待测用电器工作；②记下电能表表盘转过一定转数n所用的时间t，则用电器消耗的电能为W＝nN×3.6×106 J；③计算用电器的实际功率为P＝nNt×3.6×106 W。(N为电能表铭牌上标着的转盘转数)
师：今天给大家提供了一个测量电功率方便易行的好方法，这个方法对于使用交流电的家用电器，十分有效，今天回家后就请同学选择一个用电器进行实际测量。需要注意的是，必须在家长的协助下进行，注意安全，防止触电、摔伤等事故的发生。
例题讲解：(学生先练习，若有问题，教师补充讲解)
例2　小明家的电能表本月末的示数如图所示，本月初的示数为1262.5 kW·h，则小明家本月用电　　　　度。小明只让某电水壶工作，发现在10分钟内电能表转盘转过了600转，则该电水壶的实际功率为　　　　W。
解题思路：本题考查了电能表的参数的理解与电能的求法以及电功率的计算求法，理解“3 000 r/(kW·h)”的含义是本题的关键，易错点是电能表的读数(最后一位是小数)。小明家本月用电的计算方法：月末的示数减去月初的示数，在对电能表读数时注意最后一位是小数，单位是kW·h；3 000 r/(kW·h)表示的是电路中每消耗1 kW·h的电能，电能表的转盘转3 000 r，或者表示电能表每转1 r，电路中消耗13 000 kW·h的电能，求出转盘转600 r电路中消耗的电能，然后求出电水壶的实际功率.
解析：小明家本月消耗的电能W1＝1 362.5 kW·h-1 262.5 kW·h＝100 kW·h＝
100度。电能表转盘转过600转，电水壶消耗的电能W2＝1 kW·h×6003 000＝0.2 kW·h，电水壶的实际功率为P＝W2t＝0.2 kW·h1060h＝1.2 kW＝1.2×103 W。
答案：100　1.2×103
课堂小结
1.实验目的：测量小灯泡的额定功率和实际功率
2.实验原理：P＝UI
3.设计与进行实验
4.实验数据
实验序号
电压U/V
电流I/A
电功率P/W
灯泡发光情况
1
2
3
5.实验结论
当U实＝U额时，P实＝P额 用电器正常工作。
当U实当U实>U额时，P实>P额 用电器容易被烧坏。
说明：灯泡的亮度由实际功率决定
当堂达标
1.某同学利用如图所示电路，测量额定电压为2.5 V的小灯泡的额定功率，下列说法错误的是(　　)
A.闭合开关前，滑片P应滑到B端
B.闭合开关后，小灯泡不发光，一定是小灯泡灯丝断了
C.当电压表示数为2.5 V时，测出通过小灯泡的电流，可计算出小灯泡的额定功率
D.实验还可得知，小灯泡的实际功率越大，小灯泡越亮
解析：闭合开关后，小灯泡不发光，可能是滑动变阻器电阻太大，使电路中电流太小，当然也可能是小灯泡灯丝断了，故B选项错误，其他选项均正确。
答案：B
2.吕彬同学将实验器材按图连接，测量小灯泡在不同电压下的功率。所用灯泡的额定电压是2.5 V。
(1)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应滑至　　　　 (选填“左”或“右”) 端。
(2)请在虚线框内完成实物图对应的电路图。
(3)闭合开关后，他发现灯泡不亮，电压表无示数，电流表有示数，则电路中可能出现的故障是　　　　。排除故障后，移动滑片至某位置时，电压表示数如图所示，则灯泡两端电压为　　　　，若要继续测量灯泡的额定功率，应将滑片向　　　　端(选填“左”或“右”)滑动。
解析：(1)做电学实验连接电路时，滑动变阻器的滑片应移到使其接入电路的阻值最大处，以保护电路，根据题中实物图的连接可知，滑片移到最右端时为最大阻值，所以闭合开关前，滑动变阻器的滑片应滑到右端；(2)实物图的连接为串联电路，电压表并联在灯泡两端；(3)若电压表无示数，而电流表有示数，灯泡却不亮，说明电路不会出现断路，只能是出现了短路，因此可判断灯泡(或电压表)短路；电压表量程用0～3 V，所以此时指针的示数为1.9 V，若要使灯泡正常发光，应使灯泡两端的电压增大到2.5 V，所以滑动变阻器的滑片应向左移动，使滑动变阻器接入电路的电阻变小，分去的电压减小。
答案：(1)右　(2)如图所示
(3)灯泡短路(填“电压表短路”也正确)　1.9 V　左
3.按图所示的电路图做“测量小电灯的功率”的实验。所用器材有：标有
“3.8 V”字样的待测小电灯、电压恒为6 V的电源、标有“20 Ω　1 A”的滑动变阻器、电流表(量程为0~0.6 A、0~3 A)、电压表(量程为0~3 V、0~15 V)、开关及导线若干。
(1)某学生在实验时，把电流表与电压表的位置交换连接了，闭合开关后会造成　　　　。(填选项前的字母)
A.电流表烧坏
B.电压表烧坏
C.小电灯烧坏
D.小电灯不亮
(2)另一学生按图连接电路后，闭合开关，将滑动变阻器的滑片移到最左端时，灯不亮，电压表有较大的示数。经检查，导线连接完好，则电路故障是　　　　。排除该故障换用新元件后，闭合开关时，观察到灯闪亮一下后立即熄灭，该学生在操作过程中的不当之处是 。
(3)小明同学按电路图正确连接电路后，闭合开关，从大到小调节滑动变阻器的阻值，并将正确操作下的电压表和电流表的示数填入下表。
电压表的示数U/V
电流表的示数I/A
小电灯的功率P/W
2.0
0.20
2.5
0.22
3.0
0.25
3.8
0.30
4.5
0.32
①通过上表数据，可计算得小电灯的额定功率为　　　　W,还可得出关于灯丝电阻的结论是 。
②当小电灯正常工作时，连入电路的滑动变阻器的阻值为　　　　Ω。
③将两个这样的相同规格的小电灯串联后直接接在6 V电源的两端，两灯消耗的总功率为　　　　W。
(4)若电压表的0~15 V量程已损坏，只能使用0~3 V量程，其他器材不变，如何测出小电灯的额定功率？
①在虚线框中画出测量电路图；
②若小电灯两端最大可加4.5 V电压，为保证实验时你所设计的测量电路中各元件的安全，参照小明的实验数据，估算滑动变阻器接入电路的阻值范围应为
　　　　Ω～　　　　Ω。
解析：(1)电流表与电压表的位置交换连接后，电压表串联在电路中，由于电压表电阻很大，电路中电流就会很小，这样电流表、电压表、小灯泡都不会被烧坏，由于小灯泡中的电流太小，不会发光，故D选项正确。(2)电压表示数较大，约等于电源电压，这说明被测电路(小电灯处)发生断路；闭合开关后，灯闪亮一下就熄灭了，这是由于灯泡两端电压太大，把灯泡烧坏了，这是因为开关闭合前，没有将滑动变阻器的滑片移到阻值最大处。(3)灯泡的额定电压为3.8 V，对应的电流为0.3 A，则额定功率为P额＝U1I＝ 3.8 V×0.3 A＝1.14 W；此时滑动变阻器两端电压U2＝U－U1＝6 V－3.8 V＝2.2 V，滑动变阻器接入电路的电阻R2＝U2I＝2.2 V0.3 A≈7.3 Ω；两个相同的小灯泡串联在6 V的电源两端时，每个灯两端的电压为3 V，从表中可知电路中电流为0.25 A，则消耗的总功率P总＝UI＝6 V×0.25 A＝1.5 W。(4)电压表量程用0～3 V,测额定功率时可以将电压表并联在滑动变阻器的两端，只要电压表示数为2.2 V时，小灯泡两端电压就等于其额定电压3.8 V，小灯泡就可正常发光.当小灯泡两端电压最大(4.5 V)时，从表中知电流为0.32 A，此时滑动变阻器两端电压最小(1.5 V)，滑动变阻器接入电路的电阻最小为R3＝U3I3＝1.5 V0.32 A≈4.7 Ω；当滑动变阻器两端电压最大(3 V)时，小灯泡两端电压为3 V，从表中可知此时的电流为0.25 A，滑动变阻器接入电路的电阻最大为R4＝U4I4＝3 V0.25 A＝12 Ω，因此滑动变阻器接入电路的阻值范围应为4.7 Ω～12 Ω。
答案： (1)D　(2)小电灯断路　开关闭合前没有将滑片放在阻值最大处　
(3)①1.14　灯丝电阻随温度的升高而增大　②7.3　③1.5　(4)①如图所示　
②4.7　12
4.（2021·江苏苏州）如图所示为学校实验室中某电能表的表盘。
（1）该电能表示数为　　　　kW·h。
（2）小明利用该电能表和秒表检测一只标识为“220 V　10 W”节能灯的额定功率，他关闭其他用电器，将该节能灯接入220 V的测量电路，设计了以下三种测量方案：
方案一：测量出电能表显示消耗1 kW·h电能所用的时间t；
方案二：测量出1 min时间内电能表转盘转过的圈数n；
方案三：测量出电能表转盘转过1圈所用时间t。
使用方案二，小明计算额定功率的关系式应该为：P＝　　　　（单位：W）。（用数字和n表示）
②比较三种方案，最可行的是方案　　　　。
解析：（1）电能表盘面方框内最后一位是小数，由图可知该电能表示数为1 469.5 kW·h；（2）①方案二中，电能表转盘转过圈数n消耗的电能W＝＝1 800 n（J），节能灯正常工作的时间t＝1 min＝60 s，计算额定功率的关系式为P＝＝ W＝30n W；②方案一中，节能灯的额定功率P＝10 W＝0.01 kW，节能灯消耗1 kW·h电能所用的时间t＝＝＝100 h，测量所用的时间太长，不可行；方案二中，节能灯1 min消耗的电能W＝Pt＝10 W×60 s＝600 J，电能表转盘转的圈数n＝圈＝圈，故无法记录电能表转盘转的圈数，不可行；方案三中，电能表转盘转1圈消耗的电能为×3.6×106 J＝1.8×103 J，需要的时间t＝＝＝180 s，可行。
答案：（1）1 469.5　（2）30n　三
板书设计
第3节　测量小灯泡的电功率
　　1.实验原理：P＝UI
2.实验电路图：如图所示
3.实验记录表格：
实验序号
电压U/V
电流I/A
电功率P/W
灯泡发光情况
1
2
3
　　4.实验结论：
不同电压下，小灯泡的功率不同，实际电压越大，小灯泡功率越大；
小灯泡的亮度由小灯泡的实际功率决定，实际功率越大，小灯泡越亮。