第十二章 电能 能量守恒定律 学习活动三：电路中的能量转化

第十二章《电能 能量守恒定律》学习活动三：电路中的能量转化
　　课堂教学：
　　【任务情境】
　　老师展示电动机接上电源后带动风扇转动，并提问学生问题。
　　【学习任务一】
　　理解包含电动机的电路中的能量转化，为学生深入理解能量守恒定律提供物理事实。学会区分纯电阻电路和非纯电阻电路，辨析W=UIt、Q=I2Rt不同的物理意义。
　　提问1：在这个电路中，电动机消耗了电能以后，有哪些能量产生？能量之间的关系应该如何？
　　预测学生回答：电动机消耗电能以后，产生了机械能和电路中的内能，它们的能量关系应该是：电能=机械能+内能
　　提问2：假设电动机消耗的功率为P电，电动机对外做功，输出的功率为P机，电动机工作时自身也有能量损失，对外的功率为P损，它们之间的关系式应该是什么？
　　预测学生回答：它们之间满足：P电=P机+P损
　　提问3：假设电动机两端的电压为U，通过电动机线圈的电流为I，电动机线圈的电阻为R，请尝试写出各功率的具体表达式及各功率之间的关系。
　　学生讨论后给出答案：P电=UI P损=P热=I2R
　　UI=I2R+P机
　　提问4：通过电动机功率分析和前面焦耳定律的推导，你能发现什么问题？电流通过用电器的过程中，消耗电能，同时产生其他形式的能，这个能量转化的过程就是电流做功的过程，即电功W=UIt，而电流通过导体会产生焦耳热Q=I2Rt。那么，Q和W一定相等吗？
　　如果不是，你生活中见到的电器还有没有电能转化为其他能量形式的例子？
　　学生讨论后回答：在电路中消耗的电能不一定全部转化为内能，有些电路中消耗了电能也会产生其他能量，例如电风扇，电冰箱，空调，电解槽等。
　　老师评价后总结：像电热水器这样电路中除了电源以外，只有电阻元件，电阻将从电源获得的能量全部转变成内能，这种电路就叫做纯电阻电路。但像发动机、电风扇等，除了发热以外，还对外做功，消耗的电能有一部分转化为机械能等其他能量，这些是非纯电阻电路。
　　【学习任务二】在实验中体会电路中的能量转化，并认识电动机等非纯电阻电路不满足欧姆定律。
　　进行实验：电路图如图所示，实验时可以先固定电动机M，不让它转动，接通电源，引导学生记录电压表和电流表的数值。
　　提问学生：这个过程中，电路消耗的电能转化为什么能量？此时电动机的电阻R是多少？
　　学生可能解答：这个过程中，因为扇叶不动，电路消耗的电能全部转化为通过电阻产生的内能，由欧姆定律可知：。
　　进行实验：放开手，让电动机转动，接通电源，记录电压表和电流表的读数，容易看出：此时电动机的电压、电流、电阻不再满足欧姆定律的关系，即。
　　引导学生总结：从能量转化和守恒的角度去考虑，如果电路中电动机正常工作，那么电能除了转化为内能之外，还转化为机械能。
　　提出问题：请通过上述实验测得的两组电压U和电流I值，计算电动机的热功率和机械功率。
　　学生使用公式计算，加深学生的理解。
　　【学习小结】
　　1.认识不同电路中电功和电热的关系；
　　2.体会用能量转化和守恒的观点来分析问题的思想方法。
　　【学习评价自测】
　　1.实例分析：分析下列用电器的能量转化情况，并比较电功和电热的大小关系。
　　电动机：
　　电解槽：
　　白炽灯：
　　电风扇：
　　电热壶：
　　答案：在白炽灯和电热壶电路中，电能全部转化为内能，电功和电热相等；
　　电动机和电风扇消耗的电能一部分转化为机械能，一部分转化为内能，电功大于电热；电解槽消耗的电能一部分转化为化学能，一部分转化为内能，电功大于电热。
　　2.一台电动机，线圈的电阻是0.4Ω，当它两端的电压为220V时，通过的电流是5A。这台电动机发热的功率与对外做功的功率各是多少？
　　答案：10W，1090W
　　解析：由焦耳定律可知，电动机发热的功率为：P热=I2R=10W
　　电动机消耗的电功率为：P电=UI=1100W
　　根据能量守恒定律，电动机对外做功的功率为：P机=P电-P热=1090W
　　这台电动机发热的功率为10W，对外做功的功率为1090W。