2.5焦耳定律 教学设计
【教材分析】
焦耳定律是重要的物理定律，它是能量守恒定律在电能和热能转换中的体现，本节在电学中是重要的概念之一。
【教学目标】
（一）知识与技能
1、理解电功的概念，知道电功是指电场力对自由电荷所做的功，理解用电器的作用是把电能转化为其他形式的能，会计算电流做功和电功率。理解电功和电功率的概念及公式，能进行有关的计算。
2、知道焦耳定律，会根据焦耳定律计算用电器产生的电热。
3、知道纯电阻电路与非纯电阻的差别，会结合实际问题区分电功和电热，进一步体会能量守恒定律的意义和普遍性。
（二）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。
（三）情感、态度与价值观
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。
【教学重点】
电功、电功率的概念、公式；
焦耳定律、电热功率的概念、公式掌握焦耳定律内容 。
【教学难点】
1、理解电功和电热之间的联系和区别。理解在非纯电阻电路中，电功大于电热。
【学情分析】
学生学好这节知识是非常必要的， A.重点：理解电功和电功率和焦耳定律。B.难点：帮助学生认识电流做功和电流通过导体产生热量之间的区别和联系是本节的教学难点，防止学生胡乱套用公式。 C.关键：本节的教学关键是做好通电导体放出的热量与哪些因素有关的实验。在得出了焦耳定律以后介绍焦耳定律公式及其在生活、生产上的应用。
【教学方法】
等效法、类比法、比较法、演示法、讲授法
【教学过程】
（一）情景引入、展示目标
教师：用电器通电后，可以将电能转化成其他形式的能量，请同学们列举生活中常用的用电器，并说明其能量的转化情况。（（设置问题））
学生：（1）电灯把电能转化成内能和光能；
（2）电炉、烧开水的热得快把电能转化成内能；
（3）电动机把电能转化成机械能；
（4）化工行业的电解槽把电能转化成化学能。
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。
（二）合作探究、新知讲解
1、电功：
教师：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?
学生：（1）电场力的功的定义式
（2）电流的定义式：
教师：（如图所示）
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横截面的电荷量q是多少?
学生：在时间t内，通过这段电路上任一横截面的电荷量 。
教师：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？（恒定电场类似静电场。）
学生：在这一过程中，电场力做的功
教师：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：
师（生）：电功的定义式用语言表述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。
教师：请说出电功的单位有哪些？电功也是功，功德单位就是能量的单位。 （设置问题））
学生：（1）在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是J.
教师：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。
教师：电功的单位除了国际标准单位还有常用单位：千瓦时，俗称“度”，符号是kW·h.
1 kW·h的物理意义是表示功率为1 kW的用电器正常工作1 h所消耗的电能。即
1 kW·h=1000 W×3600 s=3.6×106 J
（这个单位讲解完电功率之后很容易理解。）
2电功率：
教师：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：
（3）单位：瓦（W）、千瓦（kW）
［注意］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。
（4）额定功率和实际功率：
①额定功率：用电器正常工作时，所消耗的功率叫额定功率。它一般标注在用电器上
②实际功率：用电器实际工作时，所消耗的功率。可能大于小于或者等于额定功率。
注意强调以上电功和电功率的推导中没有使用到任何特殊电路，所以他们对电压和电流恒定的电路是普遍适用的。
纯电阻电路和非纯电阻电路：
1、纯电阻电路：电路中只包含有类似电阻的电炉、白炽灯、电热丝等一类的用电器。在这类电路中电流做的功全部转化成了热能。
2、非纯电阻电路：电路中除了电阻，还有类似电动机一类的元件，也就是电流做功除了产生热能还有热能以外的其他能量产生。比如机械能。这类电器有电风扇，吹风机，电动机等。
4、焦耳定律：
教师：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。
学生：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
在时间t内电场力对电阻元件所做的功为
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：
教师指出：这个关系最初是物理学家焦耳用实验得到的，叫焦耳定律。
教师：由此就可以得到热功率的表达式为：
教师小结：根据焦耳定律求解电热和热功率时候，以上的公式只能是针对纯电阻或者纯电阻电路。对于非纯电阻电路来说，电功是电流在整个电路中所做的功，而电热只是电功其中的一部分。对于整个电功只能用W=UIT来算，而对于其中的电热来说只能用焦耳定律来算了。
5例题讲解：
【例1】一台电风扇，内阻为20 Ω，接上220 V电压后，消耗功率66 W，问：
（1）电风扇正常工作时通过电动机的电流是多少？
（2）电风扇正常工作时转化为机械能的功率是多少？转化为内能的功率是多少？电动机的效率是多少？
（3）如果接上电源后，电风扇的风叶被卡住，不能转动，这时通过电动机的电流，以及电动机消耗的电功率和发热功率是多少？
解：（1）由 可得
电流 ；
（2）线圈电阻发热功率 ；
机械功率 ；
效率为机械功率与总功率之比为? 97.3％ ；
（3）当叶片不转动时，作纯电阻， ；
2420W
【例2】一直流电动机线圈内阻一定，用手握住转轴使其不能转动，在线圈两端加电压为0.3V，电流为0.3A。松开转轴，在线圈两端加电压为2 V时，电流为0.8 A，电动机正常工作。求该电动机正常工作时，输入的电功率是多少?电动机的机械功率是多少?
解：（1）电动机不转动时是纯电阻电路，根据欧姆定律，有：
1Ω；
（2）电动机正常工作时输入的电功率 ；
（3）根据能量守恒定律，电动机的输出功率为
；
再次强调：
（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 和电阻 R 的乘积。
（2）电功率与热功率的练习：若在电路中只有电阻元件时，电功率与热功率数值相等，即；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。教师指出：上述例题中，当电动机不转动时，小电动机就相当于纯电阻，消耗的电功率就是热功率，故；当电动机转动时，电动机消耗的电功率，其中有一部分转化为机械能，有一部分转化为内能，故。
【教学总结】
本节课讲解了以下知识点：
电功和电功率打概念，定义、公式和求解方法
纯电阻电路和非纯电阻电路
焦耳定律的定义公式和应用。
【教学反思】
教师要放开，要多给学生自己总结归纳学习内容的机会，可以允许内容顺序不同，构建学生自己的知识框架。
【板书】
1、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：
2、电功率
（1）定义：单位时间内电流所做的功。
（2）定义式：
（3）单位：瓦（W）
3纯电阻电路和非纯电阻电路：
4、焦耳定律
（1）内容：电流通过导体产生的热量跟电流的平方、导体的电阻和通电时间成正比。
（2）公式：
5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：
（3）单位：瓦（W）
作业题：
1、如图所示，有一提升重物用的直流电动机，内阻r=0.6Ω，R=10Ω，U=160 V，电压表的读数为110 V，求
（1）通过电动机的电流是多少？
（2）输入到电动机的电功率是多少？
（3）在电动机中发热的功率是多少？
（4）电动机工作1 h所产生的热量是多少？
2、P教材53-2
课件20张PPT。5 焦耳定律静电场中，电场力做功：
W = qU
减少的电势能转化成
电荷的动能
电路中，是恒定电场，与静电场类似。
电荷的定向移动形成电流，电场力做功，就是电流做的功。W = qU = ItU
1、电功1）定义：在一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，简称为电功。W = UIt2）单位：国际单位制中是焦耳（符号J），
常用单位还有千瓦时（kW·h）
1kW·h = 1000W × 3600s = 3.6 × 106J1、电功（求电功）1）定义：单位时间内电流所做的功。3）一段电路上的电功率 P 等于这段电路两端的电压 U 和电路中电流 I 的乘积。2）意义：表示电流做功的快慢。4）单位：在国际单位制中是瓦（W），常用单位还有毫瓦（mW），千瓦（kW）。
1 kW ＝ 103 W ＝ 106 mW2、电功率2、电功率额定功率：用电器正常工作时，所消耗的功率。一般标注在用电器上。 实际功率：用电器实际工作时，所消耗的功率。实际功率可能大于、小于或者等于额定功率。 5）额定功率和实际功率
（求电功率）3、纯电阻电路和非纯电阻电路2）非纯电阻电路：电路中除电阻外，还有电能转化成其他形式的能，且多以其他形式能为主。例如机械能，这类用电器有：电风扇、电动机等。1）纯电阻电路：电路中均是电阻元件，电能全部转化成内能（即热能）。这类电路中往往包含有电炉、白炽灯、电烤箱等用电器。（常见纯电阻元件）（常见非纯电阻元件）电流通过导体时产生热量的多少与哪些因素有关呢？4、焦耳定律 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。电流对电阻做的功： W = UIt = I2Rt
由于是纯电阻电路，电流做的功全部转化成内能 这个关系最初是有物理学家焦耳用实验得到的，叫做焦耳定律。具体内容为：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。4、焦耳定律公式：Q = I2Rt
单位时间内导体发热的功率叫做热功率。4、焦耳定律热功率等于通电导体中电流I 的二次方
与导体电阻R 的乘积。 焦耳定律是针对纯电阻来计算的，如果用电器为非纯电阻元件时，电流做功并不是都转化成内能，还有转化成其他形式能。存在下列关系：整个电路电流做功：W电 = UIt
焦耳定律只能算出电热部分：Q = W热= I2Rt
有 W电 > W热例题1：一台电风扇，内阻为 20Ω，接上 220 V 的电压之后，消耗的功率为 66 W，问：
（1）电风扇正常工作时，通过电动机的电流是多少？
（2）电风扇正常工作时，转化为机械能的功率是多少？转化为内能的功率是多少？电动机的效率是多少？
（3）如果接上电源后，电风扇的扇叶被卡住，这时通过电动机的电流，以及电动机消耗的电功率和发热功率各是多少？（解答）例题2：一直流电动机线圈内阻一定，用手握住转轴使其不能转动，在线圈两端加电压为0.3V，电流为0.3A。松开转轴，在线圈两端加电压为2V时，电流为0.8A，电动机正常工作。求该电动机正常工作时，
（1）输入的电功率是多少？
（2）电动机的机械功率是多少？（解答）例：干电池的电动势为1.5V，内阻不计，小灯泡的电阻6 Ω（视为不变），则2分钟内电流对小灯泡做多少功？例：已知一只规格为“220V 1000W”的电炉，其电阻为48.4Ω，其电阻不会随温度而变化。
若电网电压为200V，求该电炉的实际功率是多少？
