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1电路中的能量转化 教学设计
课题 电路中的能量转化 单元 12 学科 物理 年级 高二
教材 分析 本节课所采用的教材是人教版高中物理必修3第12章第1节的内容, 本节从能量转化的角度理解电功和电热，区分纯电阻电路与非纯电阻电路，教科书没有通过实验归纳引入焦耳定律，而是从能量守恒定率分析得出的。这里又一次应用了功能关系的思想。焦耳定律是一个定量的、严谨的、逻辑性非常强的物理规律，它是能量守恒定律在电能和热能转换中的体现，因此本节在电学中的地位举足轻重．对于电路中电阻将从电源获得的能量全部转化为内能的纯电阻电路，学生能够很好地掌握焦耳定律的计算．而对于非纯电阻电路，学生在学习的过程中有一定的难度，通过学习焦耳定律的理论推导，学生合作学习可以突破这个难点．
教学目标与核心素养 一、教学目标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，理解电功的公式，能进行有关的计算。 2．理解电功率的概念和公式，能进行有关的计算。 3．知道电功率和热功率的区别和联系。 4．通过推导电功的计算公式和焦耳定律，培养分析、推理能力。二、核心素养物理观念：焦耳定律是能量守恒定律在电能和热能转换中的体现，能量观念科学思维：通过对电动机电路的探究，提高学生的分析论证能力，在教学中培养学生归纳、总结的科学思维方法．科学探究：通过分组实验，培养学生主动观察、分析和总结的能力．科学态度与责任：通过本节教学，让学生体会到探索自然规律的科学态度．
重点 电功和电功率的公式，焦耳定律内容。
难点 怎样求电动机的电流和绕线电阻及电动机中的热能。
教学过程
教学环节 教师活动 学生活动 设计意图
导入新课 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？出示图片:电热水壶电热水壶通电时，电能转化为内能。出示图片:电动机电动机通电时，电能转化为机械能出示图片:蓄电池蓄电池充电时，电能转化为化学能。那么，你知道电能转化为其他形式的能，是通过什么做功来实现的吗？ 观察图片说出能量转化 通过回忆初中知识回答问题为本节知识做铺垫
讲授新课 一、电功和电功率 1.电功 （1）电场力(或电流)所做的功叫做电功。电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的。 （2）电流做功实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的电场力做功。 自由电荷在静电力的作用下做定向移动，结果电荷的电势能减少，其他形式的能增加。（3）试推导电功的表达式问题：如图表示一段电路，这段电路两端的电势差是 U，电路中的电流为 I，电荷从左向右定向移动，你能表示出t这段时间内静电力做的功吗？解：这段时间内通过这段电路任一截面的电荷量为q ＝ It 静电力做的功就是W＝Uq ＝UIt①电功的定义式：W=IUt上式表示电流在一段电路中所做的功，等于这段电路两端的电压 U、电路中的电流 I、通电时间 t 三者的乘积。注意：公式适用于一切电路； U、I对应同一段电路。②单位：焦(J) 千瓦时(kW·h). 1kW·h＝3.6×106J③电功是电能转化为其他形式能的量度。2.电功率 （1）电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫作电功率，用 P 表示。（2）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。 （3）单位：瓦特（W）、千瓦（kw）二、焦耳定律 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 ＝ UIt，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 Rt1.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=I2 Rt P=UI= （2）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纯电阻电路的情况，如果是非纯电阻电路，那么它的能量又是如何转化的呢？出示图片:电动机下面我们以下面我们以电动机为例，讨论一下电路中的能量转化。思考与讨论1: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？当电动机接上电源后，会带动风扇转动，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，所以这一过程涉及的功率有：P机和P损它们之间满足：P 电 ＝P 机 ＋P 损思考讨论2：假设有一台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，你能用已知量表示出电动机消耗的电功率P电 和线圈消耗的热功率P热吗？参考答案：电动机消耗的电功率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，则线圈消耗的热功率P热=I2R。思考讨论3：电动机损失的内能和线圈发热产生的热能之间有什么关系？ P损 与P热之间的关系呢？参考答案：电动机损失的内能包括转子与轴承之间的摩擦发热产生的能量损失，空气阻力损失的能量，线圈发热产生的能量损失，严格来说损失的能量大于线圈发热产生的热能。不过主要的能量损失为线圈发热产生的热能。一般情况下认为P损与P热是相等的。例题: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热解: 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 ＝ 220×5 W ＝ 1 100 W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＝1 100 W－10 W＝1 090 W这台电动机发热的功率为 10 W，对外做功的功率为 1 090 W。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．电热水器答案：C2.一个定值电阻R，当其两端的电压为U时，它在t时间内产生的热量为Q；当其两端的电压为2U时，它在2t时间内产生的热量为（ ）A．2Q B．4Q C．6Q D．8Q答案：D3.电炉通电后，电炉丝热得发红，而跟电炉连接的铜导线却不太热，原因是（ ）A．通过电炉丝的电流大，而导线电流小 B．电炉丝和铜导线消耗的电能相同，但铜导线散热快，所以不热 C．铜导线的电阻比电炉丝小得多，在串联的情况下铜导线的发热量小 D．电炉丝的两端电压比铜导线两端的电压小得多 答案：C4．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答案：B拓展提高1.如图所示，R1=6Ω，R2=3Ω，R3=4Ω，左右两端接入电路后，关于这三只电阻的判断正确的是（ ） A．电流之比是I1：I2：I3=4：3：6 B．电压之比是U1：U2：U3=1：1：2 C．功率之比是P1：P2：P3=4：3：6 D．相同时间内产生热量之比Q1：Q2：Q3=6：3：4 答案： A3．通过电阻R的电流强度为I时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流强度为I/ 2 ，则在时间t内产生的热量为（ ） A．Q /2 B．2Q C．4Q D．Q/ 4 答案： A 阅读教材，说出电功，电流做功实质 在教师的引导下推导电功的表达式 阅读课文说出 电功率公式、单位 学生思考讨论 并推导焦耳定律的表达式 学生记忆焦耳定律，理解.焦耳定律适条件 学生阅读课文回答思考讨论1、2、3 在教师的引导下学生进行分析解答 学生练习 培养学生的自主阅读能力和自学能力 锻炼学生的逻辑思维能力 锻炼学生的自主学习能力 锻炼学生的语言表达能力 让学生对焦耳定律有一个透彻理解 让学生对非纯电阻电路中的能量转化有个清晰的了解，锻炼学生的理解能力和语言表达能力 培养学生使用已经掌握的知识解决物理问题的能力 巩固本节重点知识
课堂小结 1.电功的定义式：W=IUt 2.电功率公式：P ＝ UI3.焦耳定律： Q=I2Rt焦耳定律适条件：纯电阻电路4.电流发热的功率： 5.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。 梳理自己本节所学知识进行交流 根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。
板书 一、电功和电功率 1.电功的定义式：W=IUt 2.电功率公式：P ＝ UI 二、焦耳定律1.Q=I2Rt单位：I—安，R—欧，t—秒， Q—焦2.焦耳定律适条件：纯电阻电路 3.电流发热的功率： 三、电路中的能量转化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。
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(共31张PPT)
电路中的能量转化
人教版高中物理 必修3
新知导入
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？
电热水壶通电时，电能转化为内能
电动机通电时，电能转化为机械能
新知导入
那么，你知道电能转化为其他形式的能，是通过什么做功来实现的吗？
蓄电池充电时，电能转化为化学能。
新知讲解
一、电功和电功率
1.电功
（1）电场力(或电流)所做的功叫做电功。电能转化为其他形式的能，是通过电流做功来实现的。
（2）电流做功实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的电场力做功。
自由电荷在静电力的作用下做定向移动，结果电荷的电势能减少，其他形式的能增加。
新知讲解
（3）试推导电功的表达式
问题：如图表示一段电路，这段电路两端的电势差是 U，电路中的电流为 I，电荷从左向右定向移动，你能表示出t这段时间内静电力做的功吗？
解：这段时间内通过这段电路任一截面的电荷量为q ＝ It
静电力做的功就是W＝Uq ＝UIt
新知讲解
①电功的定义式：W=IUt
上式表示电流在一段电路中所做的功，等于这段电路两端的电压 U、电路中的电流 I、通电时间 t 三者的乘积。
注意：公式适用于一切电路； U、I对应同一段电路。
②单位：焦(J) 千瓦时(kW·h).
1kW·h＝3.6×106J
③电功是电能转化为其他形式能的量度。
新知讲解
2.电功率
（1）电流在一段电路中所做的功与通电时间之比叫作电功率，用 P 表示。
（2）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。
（3）单位：瓦特（W）、千瓦（kw）
新知讲解
二、焦耳定律
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？
新知讲解
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 ＝ UIt，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
新知讲解
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
新知讲解
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:
新知讲解
（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=I2 Rt P=UI=
（2）非纯电阻电路中电功大于电热；电功率大于热功率。
新知讲解
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纯电阻电路的情况，如果是非纯电阻电路，那么它的能量又是如何转化的呢？
下面我们以下面我们以电动机为例，讨论一下电路中的能量转化。
新知讲解
当电动机接上电源后，会带动风扇转动，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，所以这一过程涉及的功率有：P机和P损
它们之间满足：P 电 ＝P 机 ＋P 损
思考与讨论1: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？
思考讨论2：假设有一台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，你能用已知量表示出电动机消耗的电功率P电 和线圈消耗的热功率P热吗？
参考答案：电动机消耗的电功率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，则线圈消耗的热功率P热=I2R。
新知讲解
思考讨论3：电动机损失的内能和线圈发热产生的热能之间有什么关系？ P损 与P热之间的关系呢？
参考答案：电动机损失的内能包括转子与轴承之间的摩擦发热产生的能量损失，空气阻力损失的能量，线圈发热产生的能量损失，严格来说损失的能量大于线圈发热产生的热能。不过主要的能量损失为线圈发热产生的热能。
一般情况下认为P损与P热是相等的。
新知讲解
新知讲解
例题: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
新知讲解
解: 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 ＝ 220×5 W ＝ 1 100 W
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 ＝ 1 100 W － 10 W ＝ 1090 W
这台电动机发热的功率为 10 W，对外做功的功率为 1090 W。
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
C
课堂练习
2.一个定值电阻R，当其两端的电压为U时，它在t时间内产生的热量为Q；当其两端的电压为2U时，它在2t时间内产生的热量为（ ）
A．2Q
B．4Q
C．6Q
D．8Q
D
课堂练习
3.电炉通电后，电炉丝热得发红，而跟电炉连接的铜导线却不太热，原因是（ ）
A．通过电炉丝的电流大，而导线电流小
B．电炉丝和铜导线消耗的电能相同，但铜导线散热快，所以不热
C．铜导线的电阻比电炉丝小得多，在串联的情况下铜导线的发热量小
D．电炉丝的两端电压比铜导线两端的电压小得多
C
课堂练习
4．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
B
拓展提高
1.如图所示，R1=6Ω，R2=3Ω，R3=4Ω，左右两端接入电路后，关于这三只电阻的判断正确的是（ ）
A．电流之比是I1：I2：I3=4：3：6
B．电压之比是U1：U2：U3=1：1：2
C．功率之比是P1：P2：P3=4：3：6
D．相同时间内产生热量之比Q1：Q2：Q3=6：3：4
B
R1
R2
R3
拓展提高
2.两根由同种材料制成的均匀电阻丝A、B串联在电路中，A的长度为L，直径为d； B的长度为2L，直径为2d，那么通电后，A、B在相同的时间内产生的热量之比为（ ）
A．QA：QB=2：1
B．QA：QB=1：1
C．QA：QB=1：2
D．QA：QB=4：1
A
拓展提高
3．通过电阻R的电流强度为I时，在t时间内产生的热量为Q，若电阻为2R，电流强度为I/ 2 ，则在时间t内产生的热量为（ ）
A．Q /2
B．2Q
C．4Q
D．Q/ 4
A
课堂总结
1.电功的定义式：W=IUt
2.电功率公式：P ＝ UI
3.焦耳定律： Q=I2Rt
焦耳定律适条件：纯电阻电路
4.电流发热的功率： P=I2R
5.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。
板书设计
一、电功和电功率
1.电功的定义式：W=IUt
2.电功率公式：P ＝ UI
二、焦耳定律
1.Q=I2Rt
单位：I—安，R—欧，t—秒， Q—焦
2.焦耳定律适条件：纯电阻电路
板书设计
3.电流发热的功率： P=I2R
三、电路中的能量转化
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。
作业布置
课后练习和同步练习
谢谢
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