人教版九年级物理第十八章第4节《焦耳定律》优质教案

焦耳定律
【教材分析】
本节从能量转化的角度理解电功和电热，区分纯电阻电路和非纯电阻电路，教科书没有通过实验归纳引入焦耳定律，而是从能量守恒定律分析得出的。运用功能关系的思想，在教材中起到承上启下的作用。
【教学目标】
知识与技能
理解电功及电功率，从电功和能量转化的关系来看；
知道焦耳定律的物理意义，关注其在生活、生产中的应用；
从能量的转化和守恒理解电功和电热的区别，知道纯电阻电路和非纯电阻电路。
过程与方法
通过推导电功的计算公式和焦耳定律，培养学生的分析、推理能力，提高综合运用知识的能力。
情感、态度与价值观
结合实际，激发学生学习物理的兴趣。通过电能与其他形式能量的转化和守恒，进一步渗透辩证唯物主义观点的教育。
【教学重难点】
重点：电功、电功率的概念、公式；
焦耳定律、电热功率的概念、公式。
难点：电功率和热功率的区别和联系。
【学情分析】
经过这一堂课的教学，让学生知道电功，电热，电功率和热功率。
【教学方法】
探究式，启发式，引导式，等效法、类比法、比较法。
【教学仪器】
灯泡（36V，18W）、电压表、电流表、电源、滑动变阻器、电键、导线若干、玩具小电机、相关图片、标有额定值得用电器。
【课前准备】
教师的教学准备：资料收集，多媒体课件制作，教案的备份，课前预习，同步练习册的分析，课内巩固，课后拓展。
学生的学习准备：复习上节内容，预习本节知识要点。
【课时安排】
1课时。
【教学过程】
预习检查、总结重点
串联电路、并联电路特点
电压表和电流表----串、并联规律的应用
情境引入、提出疑问
图片展示：（源于生活中的现象）
为什么电视机、电扇通电时间长了会发热？
提示：从能量转化的角度来看
老师引导学生共同思考回答
师问：教师：用电器把电能转化成其他形式能的过程，就是电流做功的过程。电流做功的多少及电流做功的快慢与哪些因素有关呢？本节课我们学习关于电功和电功率的知识。
交流探究、分析点播
1、电功和电功率
从能量转化的角度总结电路的某些规律。
探讨几个用电器的能量转化情况
a、电炉→电能=>为热能
b、电解槽→电能=>化学能+热能
c、电风扇→电能=>机械能+热能
从静电力做功的角度：
电流通过用电器的过程中，消耗了电能，同时产生了其他形式的能，这个能量转化的过程就是电流做功的过程。实质上就是静电力做功，电势能减小，增加了其他形式的能的过程。在转化的过程中，能量是守恒的。
功是能量转化的量度：
电流做了多少功，就有多少电能=>其他形式的能，即电功=电路中能量的减少，这是电路中能量转化与守恒的关键。
如图所示，一段电路两端的电压为U，由于这段电路两端有电势差，电路中就有电场存在，电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流I，在时间t内通过这段电路上任一处横截面的电荷量q是多少
师：请同学们思考下列问题
（1）电场力的功的定义式是什么
（2）电流的定义式是什么
生：（1）电场力的功的定义式W=qU
（2）电流的定义式I=
师：电流I，在时间t内通过这段电路上任一处横截面的电荷量q是多少
生：在时间t内，通过这段电路上任一处横截面的电荷量q=It。
师：这相当于在时间t内将这些电荷q由这段电路的一端移到另一端。在这个过程中，电场力做了多少功？
生：在这一过程中，电场力做的功W=qU=IUt
师：在这段电路中电场力所做的功，也就是通常所说的电流所做的功，简称电功。
电功：
（1）定义：在一段电路中电场力所做的功，就是电流所做的功，简称电功。
（2）定义式：W=UIT
【说明】：①表达式的物理意义：电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压、电路中电流强度和通电时间成正比。
②适用条件：I、U不随时间变化——恒定电流。
单位：焦耳（J）。1J=1V·A·s
师：电功的定义式用语言如何表述？
生：电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U，电路中的电流I和通电时间t三者的乘积。
师：请同学们说出电功的单位有哪些？
生：（1）在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是J。
（2）电功的常用单位有：千瓦时，俗称“度”，符号是kW·h。
师：1kW·h的物理意义是什么？1kW·h等于多少焦？
生：1kW·h表示功率为1kW的用电器正常工作1h所消耗的电能。
1kW·h=1000W×3600s=3.6×106J
[说明]：使用电功的定义式计算时，要注意电压U的单位用V，电流I的单位用A，通电时间t的单位用s，求出的电功W的单位就是J。
师：在相同的时间里，电流通过不同用电器所做的功一般不同。
例如，在相同时间里，电流通过电力机车的电动机所做的功要显著大于通过电风扇的电动机所做的功。电流做功不仅有多少，而且还有快慢，为了描述电流做功的快慢，引入电功率的概念。
（1）定义：单位时间内电流所做的功叫做电功率。用P表示电功率。
（2）定义式：P==IU
（3）单位：瓦（W）、千瓦（kW）
［说明］电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”不同。电流做功快，但做功不一定多；电流做功慢，但做功不一定少。
师：在力学中我们讲功率时有平均功率和瞬时功率之分，电功率有无平均功率和瞬时功率之分呢？
学生分组讨论。
师生共同总结：
（1）利用P=计算出的功率是时间t内的平均功率。
（2）利用P=IU计算时，若U是某一时刻的电压，I是这一时刻的电流，则P=IU就是该时刻的瞬时功率。
师：为什么课本没提这一点呢？
学生讨论，教师启发、引导：
这一章我们研究的是恒定电流，用电器的构造一定，通过的电流为恒定电流，则用电器两端的电压必是定值，所以U和I的乘积P不随时间变化，也就是说瞬时功率与平均功率总是相等的，故没有必要分什么平均功率和瞬时功率了。
我们这可以引入额定功率和实际功率：
额定功率：用电器铭牌上所标示的功率（长期正常工作时的最大功率）。
实际功率：用电器在实际电压下工作的功率。
　　用电器只有在额定电压下工作实际功率才等于额定功率
师：白炽灯泡上标注的“220V，110W”是什么意思？
师：正常工作时，额定电压，额定功率
若U=110V，其功率是多少？
若U=330V，其功率是多少？在实际电压下求实际功率。
［说明］利用电功率的公式P=IU计算时，电压U的单位用V，电流I的单位用A，电功率P的单位就是W。
知识延展，微观角度
电功就是电场力做的功，因此是W=UIt；由焦耳定律，电热Q=I2Rt。其微观解释是：电流通过金属导体时，自由电子在加速运动过程中频繁与正离子相碰，使离子的热运动加剧，而电子速率减小，可以认为自由电子只以某一速率定向移动，电能没有转化为电子的动能，只转化为内能。
2、焦耳定律
师：电流做功，消耗的是电能。电能转化为什么形式的能与电路中的电学元件有关。在纯电阻元件中电能完全转化成内能，于是导体发热。
设在一段电路中只有纯电阻元件，其电阻为R，通过的电流为I，试计算在时间t内电流通过此电阻产生的热量Q。
生：求解产生的热量Q。
解：据欧姆定律加在电阻元件两端的电压U=IR
在时间t内电场力对电阻元件所做的功为W=IUt=I2Rt
由于电路中只有纯电阻元件，故电流所做的功W等于电热Q。
产生的热量为
Q=I2Rt
师：这个关系最初是物理学家焦耳用实验得到的，叫焦耳定律，同学们在初中已经学过了。
如图电流通过导体产生的热量与导体的电阻的关系
因为我们不能直接的观察到电流到底产生了多少热量，所以我们通过观察瓶里的液体温度（温度计示数），间接的观察，这种方法叫做转换法。
　　在这个实验中，一共涉及到三个物理量——电流，电阻和热量，而我们只需要研究，热量和电阻的关系，所以，我们要保持电流一定（因此我们把两个电阻串联）为了不影响结果，这种方法叫做控制变量法。
学生活动：总结热功率的定义、定义式及单位。
热功率：
（1）定义：单位时间内发热的功率叫做热功率。
（2）定义式：P热==I2R
（3）单位：瓦（W）
※实验探究、合作交流
提出问题：如何用玩具小风扇验证电功率和热功率不相等？
(用投影仪投影出电路图，引导学生按图接好电路，并提醒学生注意电表的正负极，以及滑动变阻器滑动片的初始位置。)
设计实验：比较电动机在转动与不转动两种不同状态下，U、I、R的关系；
进行试验，记录数据；
生：分组讨论上述实验结果，总结电功率与热功率的区别和联系。
教师要引导学生对实验结论进行归纳、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。
师生共同活动；
总结：
（1）电功率与热功率的区别
电功率是指输入某段电路的全部功率或在这段电路上消耗的全部电功率，决定于这段电路两端电压U和通过的电流I的乘积。
热功率是在某段电路上因发热而消耗的功率，决定于通过这段电路的电流的平方I2和电阻R的乘积。
（2）电功率与热功率的联系
若在电路中只有电阻元件时，电功率与热功率数值相等。即P热=P电
教师指出：上述实验中，电机不转时，小电机就相当于纯电阻。
若电路中有电动机或电解槽时，电路消耗的电功率绝大部分转化为机械能或化学能，只有一少部分转化为内能，这时电功率大于热功率，即P电＞P热。
教师指出：上述实验中，电机转动时，电机消耗的电功率，其中有一部分转化为机械能，有一部分转化为内能，故P电＞P热。
为了使用电器安全正常地工作，制造商对用电器的电功率和工作电压都有规定的数值，并且标明在用电器上，叫做用电器的额定电压和额定功率。
(1)对纯电阻电路(只含白炽灯、电炉等电热器的电路)中电流做功完全用于产生热，电能转化为内能，故电功W等于电热Q；这时W＝Q＝UIt＝I2Rt。
P＝IU和P＝I2R都是电流的功率的表达式，但物理意义不同。P＝IU对所有的电路都适用，而P＝I2R只适用于纯电阻电路，对非纯电阻电路(含有电动机、电解槽的电路)不适用。
（2）关于非纯电阻电路中的能量转化，电能除了转化为内能外，还转化为机械能、化学能等。这时W＞Q。即W＝Q＋E其他或P＝P热＋P其他、UI＝I2R＋P其他。
（1）对纯电阻而言，电功等于电热：W=Q=UIt=I2Rt=
（2）对非纯电阻电路（如电动机和电解槽），由于电能除了转化为电热以外还同时转化为机械能或化学能等其它能，所以电功必然大于电热：W>Q，这时电功只能用W=UIt计算，电热只能用Q=I2Rt计算，两式不能通用。
为了更清楚地看出各概念之间区别与联系，列表如下：
注意：
1、电功和电热的区别：
（1）纯电阻用电器：电流通过用电器以发热为目的，例如电炉、电熨斗、电饭锅、电烙铁、白炽灯泡等。
（2）非纯电阻用电器：电流通过用电器是以转化为热能以外的形式的能为目的，发热不是目的，而是不可避免的热能损失，例如电动机、电解槽、给蓄电池充电、日光灯等。
在纯电阻电路中，电能全部转化为热能，电功等于电热，即W=UIt=I2Rt=t是通用的，没有区别，同理P=UI=I2R=也无区别，在非纯电阻电路中，电路消耗的电能，即W=UIt分为两部分，一大部分转化为其它形式的能；另一小部分不可避免地转化为电热Q=I2Rt，这里W=UIt不再等于Q=I2Rt，应该是W=E其它+Q，电功就只能用W=UIt计算，电热就只能用Q=I2Rt计算。
2、关于用电器的额定值问题
额定电压是指用电器在正常工作的条件下应加的电压，在这个条件下它消耗的功率就是额定功率，流经它的电流就是它的额定电流。
如果用电器在实际使用时，加在其上的实际电压不等于额定电压，它消耗的功率也不再是额定功率，在这种情况下，一般可以认为用电器的电阻与额定状态下的值是相同的，并据此来进行计算。
课堂检测、反思总结
老师：举经典例题，进行当堂检测。
学生：先独立自主练习，后小组讨论，交流合作。