12.1 电路中的能量转化 教学设计 （表格式）高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

课题 电路中的能量转化.
教材分析 电路中的能量转化这节课所涉及的能量观点，是研究电学问题和其他物理问题的重要方法。这节课我们研究的是电路中的能量是怎样转化的？用能量守恒定律推导出电功以及电功率的表达式，根据能量守恒定律，推导出焦耳定律和电路中热功率的表达式，通过思考与讨论得到电流在对电动机做功的过程中，有关能量的转化问题，并且通过进一步讨论得到纯电阻电路和非纯电阻电路的区别与联系，从而能够解决实际电路中有关能量转化的问题。本节课不但是物理知识的传授课，更是物理方法和思想的渗透课。在教学中应该充分联系实际，以便巩固和加深对基本知识的理解，掌握解决实际电路中的有关能量转化问题的方法。
学情分析 从知识层面，学生在初中知道电流做功的含义，了解电功率和焦耳热的表达式。在第十章学习了电场力做功对应电势能的减少量，本节从电场力做功理解电流做功的含义。电流做功的实质就是恒定电场对电荷做功。学生在必修二学习了各种能量，知道各种能量间通过力做功的途径实现转化，有助于学生理解电能和其他能量间的转化。中学生喜欢物理实验探究，对和原有认知不同的现象充满好奇，产生疑问。对于电动机电能转化的教学可以通过实验测量电压和电流，让学生经历实验认识非纯电阻电路.
学习目标 通过电功和焦耳定律公式的推导，理解电功和电热的区别和联系，并会计算电功率和热功率。 从能量的转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化，理解电功和电热的区别和联系。
学习重点 电功概念的建立和理解，电流做功过程是电能转化为其他形式能过程，加深学生对“功是能量转化的量度”的理解，并利用静电力做功过程推导电功表达式。
学习难点 分析非纯电阻电路（例如电动机）能量的转化关系、区分电功和电热
学法指导 分组讨论.
核心问题设计 现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，那么，你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗？
教学过程设计 新课引入 提出问题：现代生活中随处都可以看见用电设备和用电气，例如电灯，电视，电热水壶，电风扇，电动汽车等等。那么，你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗？请同学们思考下列现象，分析其能量是如何转化的，一、给电热水壶通电；二、给电风扇通电；三、给电动汽车充电电池通电。 我们知道给电热水壶通电，电能转化为热能；给电风扇通电，电能转化为机械能和热能；给电动汽车充电，电能转化为化学能和热能。 那么电能转化为其他形式的能量是通过什么方式实现的呢？在前面的章节，我们就学到功是能量转化的量度，由此我们可以知道电能是通过做功来转化为其他形式的能 二、电功、电功率 （一）电功表达式的推导 那么电流是通过什么方式做功的呢？ 原来给导体两端通电，导体中形成了恒定的电场，导体中恒定的电场对自由电荷的静电力做功，自由电荷在静电力的作用下发生定向移动，结果电荷的电势能减小，其他形式的能增加 如图所示，表示一段电路，电荷从左向右定向移动，他们经过这段电路所用的时间记为t，根据以学的知识，在这段时间内，通过这段电路任意横截面的电量为q=It，如果这段电路两端的电势差是u，静电力做的功就是W=qU， 由此我们可以推出电功的表达式W=UIt， 可求解电路中电流做的总功，使用于所有的电路。 因为功是标量，所以电流做的功自然也是标量，功的单位是焦耳，自然电流做功即电功的单位也是焦耳，单位换算：1kW·h=3.6×106J （二）电功率 同其他力一样，电流做功也有快慢之分，电流做功的快慢，用电功率来表示，即用 P 表示。 电功率公式：P ＝ UI 电流在一段电路中做功的功率 P 等于这段电路两端的电压 U 与电流 I 的乘积。 单位：瓦特（W）、千瓦（kw） 三、焦耳定律 （焦耳定律内容的推导 ） 我们知道能量在相互转化或转移的过程中是守恒的，下面我们应用能量守恒定律分析电路中的能量转化问题。 思考：电流通过电热水器中的电热元件做功时，电路中的能量发生了怎样转化？ 电路中的电能全部转化为导体的内能，所以电流在这段电路中做的功 W 等于这段电路产生的热量 Q。 即：Q ＝ W= UIt （1） 由欧姆定律 U ＝ IR （2） 由（1）、（2）可得热量 Q 的表达式 Q ＝ I2 Rt 1.焦耳定律 （1）Q=I2Rt 电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻及通电时间成正比。这个关系式最初是由焦耳通过实验直接得到的，物理学中就把它叫作焦耳定律 （2）单位：I—安，R—欧，t—秒， Q—焦 2.焦耳定律适条件：纯电阻电路。 3.纯电阻电路和非纯电阻电路 （1）纯电阻电路：电能完全转化为内能。例如白炽灯、电炉、电烙铁等。 （2）非纯电阻电路：除电阻外还包括能把电能转化为其它形式的能的用电器例如：电动机、电解槽、电风扇等 。 4.电流发热的功率 （1）单位时间内的发热量: （2）公式： 热功率P等于通电导体中电流 I 的二次方与导体电阻R 的乘积。 3、单位：瓦(W) 千瓦(kW)。 说明（1）纯电阻电路中电功等于电热；电功率等于热功率 W=UIt=I2Rt P=UI= 非纯电阻电路中电功大于电热；电功率大于热功率。 三、电路中的能量转化 焦耳定律讨论了电路中电能完全转化为内能的情况，但实际中有些电路除含有电阻外，还含有其他负载，如电动机。下面我们以电动机为例，讨论一下电路中的能量转化 请同学们思考这样的一个问题，当电动机接上电源后，会带动风扇转动这里涉及哪些功率，功率间的关系又如何？ 给电动机接上电源后，我们发现风扇转动，我们知道电能转化为机械能，通电一段时间后，切断电源，电动机刚刚停止工作时，我们发现它的外壳是热的，说明工作时有电能转化为内能，从能量转化与守恒的角度看，电动机从电源获得能量，一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能。 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，即机械功率为P机，另外，电动机工作时自身也有能量损失，对应的功率为P损，它们之间满足 P电==P机+P损， 设电动机两端的电压为U，通过电动机线圈的电流为I可知P电=UI， 电动机刚停止工作时，我们发现外壳是热的，说明工作时有电能转化为内能，假设电动机线圈的电阻为R可知P热=I2R， 这说明，由于电动机线圈有电阻，所以电能除了转化为机械能之外，确实还有一部分转化为内能，电动机的转子与轴承均有摩擦，但忽略这部分能量损失，只考虑线圈发热产生的能量损失，则有P损=P热 这样我们可以得到P电=P机+P热， 例：一台电动机，线圈的电阻是 0.4 Ω，当它两端所加的电压为 220 V 时，通过的电流是 5 A。这台电动机发热的功率与对外做功的功率各是多少？ 分析：本题涉及三个不同的功率，电动机消耗的电功率P电电动机发热的功率P热和对外做功转化为机械能的功率P机，三者之间遵从能量守恒定律即： P电=P机+P热 由焦耳定律可知，电动机发热的功率为 P热=I2R=52×0.4W=10W 电动机消耗的电功率为 P电=UI=220×5W=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=1100W－10W=1090W 所以，这台电动机的发热功率为10瓦，对外做功的功率为1090瓦 课堂练习 1．下列用电器中，不是根据电流的热效应制成的是（　　） A．电热毯 B．电熨斗 C．电话 D．电热水器 2.某电阻的阻值为5Ω，通过的电流为2A，则它在10s的时间内产生的热量为（　　） A．100J B．200J C．20J D．2J
板书设计 § 12.1 电能 能量守恒定律 一、电功和电功率 电功 W=UIt 电功率 P=UI 二、焦耳定律 Q=I2Rt P热=I2R 三、电路中的能量转化 纯电阻：P=UI= I2R 非纯电阻：电动机 P=UI=P机+I2R
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