(共37张PPT)
第十二章
电能 能量守恒定律
1 电路中的能量转化第十二章 电能 能量守恒定律
12.1电路中的能量转化
教材分析
本节在电场知识和能量守恒定律的基础上学习电功和电功率、焦耳定律，在电场和电路情境下培养学生的能量观念。学生应用物理规律进行推理，加深对概念、规律的理解，促进科学思维的发展。
教材以节前“问题”引出电功率概念，进而利用电场的知识推导电功的表达式，接着进一步利用能量守恒定律推导焦耳定律。通过对包含电动机的电路中的能量转化的实例分析，加深对电功和电热等概念的理解和辨析。
学情分析
电流做功的过程就是电能转化为其他形式的能的过程，这个“功是能量转化的量度”的观点学生并不陌生，又一次为学生理解“功是能量转化的量度”提供物理事实;在静电力做功的知识基础上，推导电功的表达式，学生可以比较容易完成，在推导的过程中，对“场”和“路”的联系有了进一步认识。
对包含电动机的电路中的能量转化的实例分析，学生需要利用能量转化与守恒的思想建立关系式，学生头脑中必须抽象出清晰的“能流图”;学生对电功和电热概念容易辨析不清，导致张冠李戴，乱套公式。
由于所学知识的局限，学生对电动机不满足欧姆定律缺乏认识，因此对电功和电热的表达式不能从本质上加以区分。为此，教学中可以设计伏安法实验，让学生从实验现象中认识到电动机不满足欧姆定律。
教学目标
(1)通过实例分析，理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的，加深对功与能
量转化关系的认识。
(2)通过推导电功公式和焦耳定律，理解电功、电功率和焦耳定律，能用焦耳定律解释生
产、生活中的相关现象。
(3)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。
(4)联系生活中的电风扇、空调、电动机等电器设备，体会能量转化与守恒思想，增强理论
联系实际的意识。
四、教学重难点
重点：电功概念的建立和理解
难点：对包含电动机的电路中的能量转化的实例分析。
五、教学过程
【新课引入】
生活中的物理：上周六，某同学的爸爸出门前嘱咐他好好写作业，不要看电视。爸爸回来时看到他在认真写作业，电视机也没打开，很高兴。可是用手一摸电视机后盖后就发现，应该刚看过电视。谁知道他爸爸是根据什么道理判定的吗？
根据“生活中的物理”，引发学生思考。
以分析电灯、电视、电热水壶、电动汽车等用电器的能量转化问题引入，帮助学生回忆初中所学的能量转化与守恒知识，引发学生关注能量转化的问题，将思维聚焦到本节课内容。
引导学生学会阅读家用电器的说明书：
请大家观察电冰箱的铭牌，回答以下问题:
冰箱正常工作时的额定功率是多少
冰箱正常工作一天大约消耗多少电能
如果要设计更节能环保的冰箱，可以从哪些方面入手
利用初中所学的电学知识解决实际问题，培养综合实践能力和节能环保意识。
【新课讲授】
（一）电功和电功率
通过课题引入的实例，让学生认识到电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的，进一步深化对功是能量转化的量度的认识。
教师明确指出电流做功的实质是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。本章电路问题中常说的电能，其实质是上一章所学习的电势能。
在此基础上，引导学生由电场的知识推导电功的表达式。
总结：
一、电功
1.定义：电场力(或电流)所做的功。
2.实质：电功是电能转化为其他形式的能的量度。
电能转化为其他形式的能的过程就是电流做功的过程。
3.公式:W=UIt 适用范围：任何电路和元件
4.单位：焦(J)、千瓦时(kW·h)。
不同的用电器电流做功(消耗电能转化为其他能)的快慢不同，由此引入电功率概念。
引导学生知道用电器额定功率的含义，并对常见用电器的额定功率有个大致的了解（展示示例）。
总结：
二、电功率
1.定义：单位时间内电流所做的功。
物理意义： 表示电流做功的快慢
2.公式:P=W/t=UI。适用范围：任何电路和元件。
3.单位：瓦(W)、千瓦(kW)。
(二)焦耳定律
师：播放视频，问答新课引入中“生活中的物理”的问题，明确电流的热效应。
【探究二：电流热效应规律】
引导学生猜想：电流的热效应与哪些因素有关呢？
学生：电流I的大小、电阻R的大小、通电时间t的长短。
【探究实验】控制变量法（视频）
总结：
三、焦耳定律（实验定律）
1.内容： 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。
2.定义式：Q＝I2Rt。
3.焦耳热单位：焦(J)、千瓦时(kW·h)。
4. 适用于一切电路。
（包括纯电阻电路、非纯电阻电路中电热的计算）
热功率
定义:单位时间内的发热量。
公式:，适用于一切电路。
3.单位：瓦(W)、千瓦(kW)。
问题：电饭锅和电风扇是常见的两种家电，二者的能量转化情况相同吗？
引导学生从能量守恒定律分析二者的能量转化情况。
【探究三：电路中的能量转化】
提出问题: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
分析:在欧姆定律适用的情况下，电功等于电热，也就是说电流消耗的电能全部转化为内能，所以，欧姆定律适用的电路叫作纯电阻电路，不适用的电路就可以叫作非纯电阻电路。
进行实验:电路图如图所示。
先固定电动机M，不让它转动，此时消耗的电能全部产生焦耳热，可以用电动机两端的电压U和通过电动机的电流I来计算电动机的电阻R。
然后放开手，让电动机转动，进行实验，可以看到此时电动机的电压、电流、电阻不再满足欧姆定律的关系，即。
分析论证:由此可见，对于非纯电阻电路，电功W=UIt，焦耳热Q=IRt，两者并不相等，且Q引导学生从能量转化与守恒的角度去考虑，如果电路中有电动机，那么电能除了转化
为内能之外，还转化为机械能。
学生:根据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与机械功率，以加深理解。
反思:从实验中电动机转动时U、I、R三个物理量的数值并不满足欧姆定律的关系式的特点出发，再根据对电路能量转化的分析，有关纯电阻电路和非纯电阻电路的区别就比较清楚了。
教师引导学生对上述讨论进行归纳、总结。一方面，总结电功和电热的关系;另一方面，要让学生体会用能量转化和守恒的观点来分析问题的思想方法。
【课堂小结】
【课后作业】
教材82页“练习与应用”
板书设计
一、电功
1.定义：电场力(或电流)所做的功。
2.实质：电功是电能转化为其他形式的能的量度。
电能转化为其他形式的能的过程就是电流做功的过程。
3.公式:W=UIt 适用范围：任何电路和元件
4.单位：焦(J)、千瓦时(kW·h)。
二、电功率
1.定义：单位时间内电流所做的功。
物理意义： 表示电流做功的快慢
2.公式:P=W/t=UI。适用范围：任何电路和元件。
3.单位：瓦(W)、千瓦(kW)。
三、焦耳定律（实验定律）
1.内容： 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。
2.定义式：Q＝I2Rt。
3.焦耳热单位：焦(J)、千瓦时(kW·h)。
4. 适用于一切电路。
（包括纯电阻电路、非纯电阻电路中电热的计算）
四、纯电阻电路、非纯电阻电路
教学反思
应用功能关系的思想推导焦耳定律，旨在培养学生的能量观念。
在推导焦耳定律的过程中，用到了“Q=W”这个条件，它要求电流做的功“全部变成了热”，即电能全部转化为导体的内能。也就是说，在纯电阻电路的条件下推导出焦耳定律。其实，也可以用焦耳定律处理非纯电阻电路问题。比如，电路中有电动机或者正在充电的电池，那么电能除了转化为内能之外，还转化为机械能或化学能。此时用焦耳定律Q=I2Rt计算的只是电能转化为内能的那部分能量，而用电功公式W=UIt计算的是电流所做的总功，也就是电动机或者正在充电的电池消耗的总电能。
教科书从能量转化和守恒的角度分析了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。教学中可引导学生对能量转化进行讨论，这样有利于学生区分纯电阻电路与非纯电阻电路，辨析公式W=UIt、Q=I2Rt不同的物理意义。绝密★启用前
12.1电路中的能量转化课后巩固练习
一、单选题（共7小题,共42分）
一台国产封闭型贮水式电热水器的铭牌上所列的主要技术参数如下表所示．根据表中提供的数据，此电热水器在额定电压下处于加热状态时，下列判断正确的是（ ）
（6分）
A.通过热水器的电流约为0.18A
B.通过热水器的电流约为4.4A
C.热水器工作5小时耗电6kW h
D.热水器工作5小时耗电60kW h
【正确答案】 C
【答案解析】由P=UI可的通过热水器的电流为，所以AB错误。
热水器工作5小时消耗的电能为W=Pt=1.2KW×5h=6kW h，所以C正确，D错误。
故选：C。
在阻值是的纯电阻电路中，当两端电压是200V时，在5min内消耗的电能是（ ） （6分）
A.103J
B.103J
C.104J
D.104J
【正确答案】 D
【答案解析】5min＝300s
由于是纯电阻电路，所以在5min内消耗的电能是：＝1.2×104J
故ABC错误，D正确。
故选：D。
某电阻的阻值为，通过的电流为2A，则它在10s的时间内产生的热量为（ ） （6分）
A.100J
B.200J
C.20J
D.2J
【正确答案】 B
【答案解析】由焦耳定律：Q=I2Rt=22×5×10J=200J，故B正确
故选：B。
有三个用电器，分别为日光灯、电烙铁和电风扇，它们的额定电压和额定功率均为“220V，60W”。现让它们在额定电压下工作相同时间，产生的热量( ) （6分）
A.日光灯最多
B.电烙铁最多
C.电风扇最多
D.一样多
【正确答案】 B
【答案解析】电风扇，电烙铁和日光灯额定电压、额定功率相同，相同时间内消耗的电能相等，而电风扇消耗的电能大部分转化为机械能，日光灯消耗的电能大部分转化为光能，电烙铁消耗的电能全部转化为内能，所以产生的热量电烙铁最多。
故选：B。
如图所示电路中，三个相同的灯泡额定功率是40W，在不损坏灯泡的情况下(设定灯泡的阻值不会随温度改变)，这三个灯泡消耗的总功率最大不应超过( )
（6分）
A.40W
B.60W
C.80W
D.120W
【正确答案】 B
【答案解析】设灯泡的额定电压为U，电阻为R，则加上最大电压U后，灯泡L1的功率：；
此时，灯泡L2与灯泡L3的功率之和为：；
故三个灯泡的总功率为：P+P′=40W+20W=60W；
故选：B。
通过电阻R的电流强度为l时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流强度为，则在时间t内产生的热量为( ) （6分）
A.4Q
B.2Q
C.
D.
【正确答案】 D
【答案解析】根据Q=I2Rt得，电阻变为原来的2倍，电流强度变为原来的，时间不变，则热量变为原来的。
故选：D。
如图所示是研究电流热效应的实验装置，实验过程中采用了控制变量法，现为了比较在相同时间、相同电流的情况下发热量与电阻的关系，则( )
（6分）
A.实验中A、B两条电阻丝应串联并确保阻值相同
B.实验中A、B两条电阻丝应并联但阻值要求不同
C.实验中两个烧瓶里的煤油质量必须相等
D.实验探究的结论是电阻丝产生热量跟电阻成反比
【正确答案】 C
【答案解析】AB、本题要研究的是相同时间、相同电流下的电热量与电阻的关系，故应将两电阻串联使电流相同，为了研究与电阻的关系，两条电阻丝应取不同值，故AB错误；
CD、煤油升高的温度与吸收的热量有关，所以必须使实验中两个烧瓶里的煤油质量相等，故温度计温度升高多的产生的热量多；实验探究的结论是产生的热量跟电阻成正比，故C正确，D错误。
故选：C。
二、多选题（共4小题,共24分）
下列家用电器工作时，把电能主要转化为内能的是( ) （6分）
A.
B.
C.
D.
【正确答案】 A C
【答案解析】电饭煲、电热水器都是加热的装置，电能主要转化为内能，电风扇、吸尘器都是将电能主要转化为机械能的装置，故AC正确，BD错误；
故选：AC。
电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内水烧开前的加热状态，另一种是锅内水烧开后的保温状态，如图所示是一学生设计的电饭锅电路原理示意图，S是用感温材料制造的开关。下列说法中正确的是（ ）
（6分）
A.加热状态时是用R1、R2同时加热的
B.当开关S接通时电饭锅为加热状态，S断开时为保温状态
C.当，R2在保温状态时的功率为加热状态时的
D.当，R2在保温状态时的功率为加热状态时的
【正确答案】 B C
【答案解析】解：AB、电压U不变，由可知：R越大功率越小，R越小功率越大，当S接通时，总电阻变小，功率变大，处于加热状态；当断开S时，总电阻变大，功率变小，处于保温状态；由此可知：R2是供加热用的电阻丝，当开关S接通时电饭锅为加热状态，S断开时为保温状态，故A错误，B正确。
C、当时，U不变，由可知，处于保温状态时电路电流为加热状态时电路电流的，由P＝I2R2可知，R2在保温状态时的功率为加热状态时的，故C正确。
D、当时，U不变，由可知，处于保温状态时电路电流为加热状态时电路电流的，由P＝I2R2可知，R2在保温状态时的功率为加热状态时的，故D错误。
故选：BC。
如图所示，一台直流电动机所加电压为110V，通过的电流为5A。该电动机在10s内把一个质量为50kg的物体匀速提高了9m，不计摩擦，g取10m/s2，在此过程中( )
（6分）
A.电动机的输入功率为450W
B.电动机输出机械能为550W
C.电动机的发热功率为100W
D.电动机线圈的电阻为4Ω
【正确答案】 C D
【答案解析】电动机输入功率P=UI=110×5W=550W，机械能E=mgh=50×10×9J=4500J，产生的内能Q=W-E=Pt-E=(550×10-4500)J=1000J，热功率，由焦耳定律Q=I2Rt，得R=4Ω。综上所述，C、D两项正确。
一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同时间内( )
（6分）
A.电炉放热与电动机放热相等
B.电炉两端电压小于电动机两端电压
C.电炉两端电压等于电动机两端电压
D.电动机消耗的功率大于电炉的功率
【正确答案】 A B D
【答案解析】A、电炉电路和电动机电路焦耳定律都适用。根据焦耳定律Q=I2rt，知电炉和电动机的电阻相同，电流相同，则在相同的时间内电炉和电动机产生的电热相等。故A正确。
B、C、设电流为I，电阻为r，则电炉两端电压U炉=Ir，电动机两端电压U机＞Ir，所以U机＞U炉．即电动机两端电压大于电炉两端电压，故B正确，C错误。
D、电动机消耗的电能一部分转化为内能，另一部分转化为机械能，电炉消耗的电能全部转化为内能，而相等时间内它们产生的热量相等，则在相同的时间内，电动机消耗的电能大于电炉消耗的电能，则电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率。故D正确。
故选：ABD。
三、计算题（共1小题,共14分）
在如图所示的闭合电路中，设电源的电动势为E，内阻为r，外电阻为R，其余电阻不计，电路中的电流为I．请根据电动势的定义和能量转化与守恒定律，推导闭合电路欧姆定律表达式：I=。
（14分）
【正确答案】 解：根据电动势的定义有：⑨
在时间t内通过电路的电荷量为：q=It⑩
根据能量守恒定律，非静电力做的功应该等于内外电路产生焦耳热的总和。
即：W非=Q外+Q内
在时间t内：Q外=I2Rt Q内=I2rt
联立⑨⑩式可得：EIt=I2Rt+I2rt
整理后可得：
【答案解析】根据电动势的定义有：，再根据能量守恒定律，非静电力做的功应该等于内外电路产生焦耳热的总和就可以证明：。
四、计算题（组）（共1小题,共20分）
如图所示，电源的电动势为12V，内阻为，R1=，R2=，电动机的线圈电阻为．开关闭合后通过电源的电流为3A，求：
（20分）
(1) R1两端的电压；（3分）
【正确答案】 解：R1两端电压：U1=IR1=3×1V=3V
答：R1两端的电压为3V.
【答案解析】开关闭合后，由欧姆定律求得R1两端的电压。
(2) 电源的内电压；（3分）
【正确答案】 解：电源的内电压：U内=Ir=3×1=3V
答：电源的内电压为3V.
【答案解析】由欧姆定律求得内压。
(3) 电动机的热功率和输出的机械功率.（14分）
【正确答案】 解：R1两端电压：U1=IR1=3×1V=3V
R2两端电压：U2=E﹣U1﹣U内=（12﹣3﹣3）V=6V
通过电动机的电流：IM=I﹣I2=（3﹣1）A=2A，UM=U2=6V
电动机消耗的电功率为：PM=IMUM=2×6W=12W
电动机热功率：PQ=IM2=rM=2W，则P出=PM﹣PQ=10W
答：电动机的热功率为2W，输出的机械功率为10W。
【答案解析】根据电压的分配求出R2两端的电压，由干路电流和R2的电流求出流过电动机的电流，根据PM=IMUM求出电动机消耗的电功率，由焦耳定律求得电动机的内部热功率。
试卷第4页，总4页
第3页 第4页绝密★启用前
12.1电路中的能量转化课后巩固练习
一、单选题（共7小题,共42分）
一台国产封闭型贮水式电热水器的铭牌上所列的主要技术参数如下表所示．根据表中提供的数据，此电热水器在额定电压下处于加热状态时，下列判断正确的是（ ）
（6分）
A.通过热水器的电流约为0.18A
B.通过热水器的电流约为4.4A
C.热水器工作5小时耗电6kW h
D.热水器工作5小时耗电60kW h
在阻值是的纯电阻电路中，当两端电压是200V时，在5min内消耗的电能是（ ） （6分）
A.103J
B.103J
C.104J
D.104J
某电阻的阻值为，通过的电流为2A，则它在10s的时间内产生的热量为（ ） （6分）
A.100J
B.200J
C.20J
D.2J
有三个用电器，分别为日光灯、电烙铁和电风扇，它们的额定电压和额定功率均为“220V，60W”。现让它们在额定电压下工作相同时间，产生的热量( ) （6分）
A.日光灯最多
B.电烙铁最多
C.电风扇最多
D.一样多
如图所示电路中，三个相同的灯泡额定功率是40W，在不损坏灯泡的情况下(设定灯泡的阻值不会随温度改变)，这三个灯泡消耗的总功率最大不应超过( )
（6分）
A.40W
B.60W
C.80W
D.120W
通过电阻R的电流强度为l时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流强度为，则在时间t内产生的热量为( ) （6分）
A.4Q
B.2Q
C.
D.
如图所示是研究电流热效应的实验装置，实验过程中采用了控制变量法，现为了比较在相同时间、相同电流的情况下发热量与电阻的关系，则( )
（6分）
A.实验中A、B两条电阻丝应串联并确保阻值相同
B.实验中A、B两条电阻丝应并联但阻值要求不同
C.实验中两个烧瓶里的煤油质量必须相等
D.实验探究的结论是电阻丝产生热量跟电阻成反比
二、多选题（共4小题,共24分）
下列家用电器工作时，把电能主要转化为内能的是( ) （6分）
A.
B.
C.
D.
电饭锅工作时有两种状态：一种是锅内水烧开前的加热状态，另一种是锅内水烧开后的保温状态，如图所示是一学生设计的电饭锅电路原理示意图，S是用感温材料制造的开关。下列说法中正确的是（ ）
（6分）
A.加热状态时是用R1、R2同时加热的
B.当开关S接通时电饭锅为加热状态，S断开时为保温状态
C.当，R2在保温状态时的功率为加热状态时的
D.当，R2在保温状态时的功率为加热状态时的
如图所示，一台直流电动机所加电压为110V，通过的电流为5A。该电动机在10s内把一个质量为50kg的物体匀速提高了9m，不计摩擦，g取10m/s2，在此过程中( )
（6分）
A.电动机的输入功率为450W
B.电动机输出机械能为550W
C.电动机的发热功率为100W
D.电动机线圈的电阻为4Ω
一台电动机的线圈电阻与一只电炉的电阻相同，都通过相同的电流，在相同时间内( )（6分）
A.电炉放热与电动机放热相等
B.电炉两端电压小于电动机两端电压
C.电炉两端电压等于电动机两端电压
D.电动机消耗的功率大于电炉的功率
三、计算题（共1小题,共14分）
在如图所示的闭合电路中，设电源的电动势为E，内阻为r，外电阻为R，其余电阻不计，电路中的电流为I．请根据电动势的定义和能量转化与守恒定律，推导闭合电路欧姆定律表达式：I=。
（14分）
四、计算题（组）（共1小题,共20分）
如图所示，电源的电动势为12V，内阻为，R1=，R2=，电动机的线圈电阻为．开关闭合后通过电源的电流为3A，求：
（20分）
(1) R1两端的电压；（3分）
(2) 电源的内电压；（3分）
(3) 电动机的热功率和输出的机械功率.（14分）
试卷第4页，总4页
第3页 第4页
