18.4 焦耳定律—人教版九年级物理全一册教学设计

教学设计
教学课题：
（一）课题：焦耳定律
教学内容分析
焦耳定律是初中物理学习的重要定律之一，是能量守恒定律在电能和内能之间转化的具体体现，是物理学的基础知识，也是初中物理的重难点之一。焦耳定律是欧姆定律的引申和发展，教材在电功、电功率之后安排焦耳定律，是对电功、电能理解的提升，符合学生的认知规律。从本章的结构来看，电与热是对电能、电功率的应用总结，也是从电热角度认识安全用电的理论基础，起着承上启下的作用。通过学习，学生能够提高综合分析、解决问题的能力，在学习过程中也将会深化和巩固学生已经学过的电学基本知识。
本节由“电流的热效应”“焦耳定律”“电热的利用与防止”三大部分组成，在教学中，分成了六小点来介绍，最后深化拓展综合计算的问题，内容与实际生活联系十分紧密，具有较强的综合性与实用性。学生通过实例认识电流的热效应，结合实例对电流通过导体产生热量的多少与哪些因素有关提出猜想，然后通过实验来验证自己的猜想，通过实验得出电热的大小与电流、电阻和通电时间有关，得出它们的定性的关系，具体的定量关系就是焦耳定律。焦耳定律的理解及应用既是教学重点又是教学难点。学生用焦耳定律解释一些生活中与电热有关的问题，理解电热的利用和防止的内容。这部分内容很贴近学生生活，充分体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的教育理念。最后深化拓展电功、电功率、热量的综合计算问题，总结章节知识框架，通过例题讲解和练习，让学生能够掌握综合计算题的解题思路。
学情分析
电流的热效应现象是学生在日常生活中经常感受到的，学生对用电器发热现象有较为直观的认识，是研究学习本节课的重要资源。在本节课的学习过程中，通过演示实验创设情境，学生会被物理现象所吸引，但有部分学生并未产生探索这些物理现象内在原因的欲望，因而教师要注重引导学生探究物理现象背后的物理规律。在这个阶段，大部分学生实验设计能力及观察能力有待提高，在教学过程中教师要结合生活实际及时引导学生进行猜想、探究，在教师的引导下，学生设计出探究实验方案，观察得出实验结论。通过长期训练，能大大提高学生的科学探究能力。
通过前面的学习，学生已了解欧姆定律、电能、电功率知识，同时也具备了一定的科学思维能力和实验操作能力，掌握了基本的物理研究方法。这些都为本节课的学习提供了基础。
教学目标
（一）知识与技能
1.学生分析总结日常生活中用电器的热现象，能够独立为电流热效应下定义。
2.学生小组合作，在教师的引导下，能在实验的基础上引出焦耳定律，概括公式的含义与应用场景。
3.学生会独立利用电能、电功率、焦耳定律的表达式进行综合计算，总结每一个公式的使用条件，正确解答60%以上的综合计算题。
4.学生小组合作运用焦耳定律进行分析，至少举一例说明利用和防止电热的场合和方法。
（二）过程与方法
1.学生合作进行实验：探究电流的热效应与哪些因素有关，能够合作提出两条假设，学会探究方法——控制变量法，初步制定实验探究方案。
2.学生小组交流能解释实验原理，能转述清楚实验中用U形管中的高度差反映电阻丝的热量的原因。
3.学生小组合作学会观察实验现象，比较实验数据，归纳总结得出实验结论。
4.学生能独立将探究实验过程转换成自己的语言讲述清楚，完全理解探究过程。
（三）情感态度与价值观
1.学生能够利用焦耳定律的知识解释生活中的现象，分析问题，体会理论到实践的迁移。
2.学生小组交流讨论电热的利用和防止，学会辩证地看待问题。
3.学生小组讨论和交流，培养合作学习的态度和意识，激发学习兴趣。
教学重点难点
电热是指电流做功把电能转化为内能，电热的大小与哪些因素有关这个实验从提出问题、猜想、设计实验、进行实验与收集证据、得出结论几个方进行研究。重点是研究电流通过导体产生热量的多少与电流、电阻和通电时间的关系，实验中要采用控制变量的方法。研究电热与电阻关系时要控制电流和通电时间相同，设计出的电路要使用两个不同的电阻串联。研究电热与电流的关系的设计是一个难点，电阻相同改变电流，可以利用分电压的思想，也可以两个电路来完成。
焦耳定律研究的是把电能转化为内能的多少，它与电功有联系也有区别。电功是指电流做功，可以把电能转化为各种形式能，而电热只是电功的一部分。只有在纯电阻电路中，这两个量才相等。
重点：通过实验研究电流通过导体产生热量的多少与电流、电阻和通电时间的关系，并确定研究方法及实验操作中各个环节应注意的问题。
难点：对焦耳定律的理解、电功和电热的关系及焦耳定律在实际生活中的应用。
教学方法
本节课主要采用情境教学和实验演示相结合的教学方法，突出以学为本，生活性、主体性、实践性，即联系生活实际，充分开发学生的生活经验。在学法方面，以自主学习、合作探究为主，在课堂上着力开发学生的活动空间、思维空间和表现空间。整个课堂教法与学法相互呼应，充分体现教师的主导作用和学生的主体作用。
课堂从新课程的理念出发，采取分阶段逐步深入的教学模式，由浅入深给学生创设了一个开放、动态的课堂，让学生开展合作学习和自主学习。在轻松、平等的氛围里让学生小试牛刀，初步品尝科学探究活动中成功的喜悦，又通过教师的例题讲解和习题落实了知识与技能目标。情景导入，通过视频+实验：电阻丝发热点燃火柴，激发学生探究新知的欲望；然后从电炉丝与连接的导线入手，提出问题，学生也比较容易猜想到电阻是影响电热的因素之一。在设计实验研究电热与电流、电阻和通电时间关系时，要利用到控制变量的方法。研究电热与电阻的关系要比研究电热与电流关系思维难度上略低一些，体现了从简入难的层次性。设计实验时结合了电路的特点，利用串联电路使两电阻的电流相等，利用分电压的方法使两电阻的电流不相等。通过实验总结出电热的影响因素，让学生体会科学家的探索精神，熟练掌握科学探究的要素。对“电热与电功的联系与区别”知识点的讲解，可采用演示实验的方式进行，利用了和课本上不同的电路图来进行实验探究，注重知识迁移，学生会更容易理解焦耳定律的意义，突破教学难点。由生活中经常见到的家用电器等，让学生知道电热的利用和防止电热带来的危害。最后深化拓展电功、电功率和热量的综合计算，课堂练习由易入难、层层深入，让不同程度的学生体会到解决问题的成就感，从而可以提高学生的积极性，能取得更好的教学效果。
教学资源
教科书、教学参考书、多媒体课件整合网络、火柴、电阻丝、玻璃瓶、铁夹子、活塞、焦耳定律演示仪等。
教学流程设计
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
复习提问
1、电功的大小与哪些因素有关？如何计算？
2、能说出一些用电器工作时能量的转化情况？
学生按照要求回忆，回答。
为本节课作知识上的铺垫。
创设情境
引入新课
教师播放视频：用《名侦探柯南》的节选视频引入（疑犯在镇中接连纵火，他究竟如何制造的不在场证明呢？在严密的推理探查后，柯南揭穿了罪犯使用的伎俩，原来嫌犯将火柴绑在电灯泡上，100W
的电灯泡，表面温度是218度，火柴点燃周边包裹的可燃物后掉入事先洒好的汽油上引发火灾。而电灯泡为什么能够点燃火柴？这就是我们即将探寻的电与热的奥秘。）
在视频的基础上，教师演示视频中类似的实验：用电流让火柴燃烧。将电阻丝缠绕的火柴用铁夹子夹住密封在玻璃瓶中，铁夹子的其余部分固定在活塞中当做接线柱，通电一段时间，学生观察实验现象。
提问：
1、火柴为什么会燃烧？
2、发生了什么能量转化？
学生观看视频。
学生仔细观察，发现通电一段时间后，火柴燃烧了。
学生结合视频内容思考并回答：电流通过电阻丝时电能转化成内能，引起了火柴的燃烧。
首先用学生熟悉的动漫引入，引起学生的兴趣。
重复视频中的小实验，创造课堂情景，激发学生的兴趣和求知欲。
新课教学
一、电流的热效应
引出电流的热效应：电流通过导体时电能转化成内能的现象叫做电流的热效应。
提问：生活中还有哪些用电器工作的运用了电流的热效应。
辨析：电视机、洗衣机是不是利用电流的热效应来工作的呢?
二、探究电流通过导体产生热量的多少与哪些因素有关
以生活中常见的取暖器为例，展示并提出问题“导线和电炉丝串联，工作时为什么电阻丝热得发红，而导线几乎不热？”引导学生提出问题，从而引出探究实验。
（一）提出问题
电流通过导体产生热量得多少与哪些因素有关？
（二）猜想与假设
引导学生进行合理的猜想假设。
（因为是电流通过导体产生的热的多少，所以应该与电流有关，而导体的电阻阻碍电流的运动，所以可能还与电阻有关，通过联系生活中的现象，还有可能与通电时间有关。）
注意：学生可能会提出与电压相关的假设，要正确引导学生：电热是电流通过电阻时产生的热量，电路中有电压不一定有电流，所以电压对电流通过电阻产生的热量的多少没有影响。故要排除电压这个物理量。
电流通过导体产生热量的多少与
有关。
（电流、电阻、通电时间）
（三）设计实验
要研究电流通过电阻产生热量的多少与电流、电阻、通电时间的关系，如何设计实验？如何比较产生热量的多少？
为保证单一变量，方便观察实验现象，引导学生灵活运用控制变量法和转换法设计实验。
（四）进行实验（有条件做实验，没有实验条件使用课件模拟演示实验或播放实验视频）
1、探究电流通过电阻产生热量的多少与电阻的关系。
展示实验装置1：
教师引导学生观察实验装置，思考：
（1）两电阻为什么要串联？
（2）如何比较电流通过电阻放出的热量？
（3）设计实验数据记录表格。
电路接通，进行实验，观察U形管中液柱的上升情况，把实验结果填入表格中。
分析实验数据，可以得到什么结论？
2、探究电流通过电阻产生热量的多少与电流的关系。
展示实验装置2：
教师引导学生观察实验装置，思考：
（1）右边电阻丝上为什么要再并联一根电阻丝？
（2）设计实验数据记录表格。
电路接通，进行实验，观察U形管中液柱的上升情况，把实验结果填入表格中。
分析实验数据，可以得到什么结论？
3、探究电流通过电阻产生热量的多少与通电时间的关系。
对于某一个电阻，在电流一定时，通电时间越长，电流通过电阻产生热量越多。这个结论可以通过刚才的实验中看出来，某一根电阻丝通电时间越长，液柱上升越高，说明放出热量越多。
（五）分析论证，得出结论
对以上实验进行总结,得出电流通过电阻产生热量多少与电流、电阻和通电时间的关系。
例题：如图所示是“探究电流通过导体产生的热量与导体电阻间关系”的实验装置。两个透明容器中封闭着等量的空气，电路正确连接后，通电进行实验过程中，下列说法中正确的是（　C　）
A．左边容器中通过电阻丝中的电流比右边容器中通过电阻丝
中的电流大
B．左边容器中电阻丝两端的电压比右边容器中电阻丝两端的
电压高
C．U形管中液面高度的变化反映电阻丝产生热量的多少
D．通电时间相同，两个容器中空气吸收的热量相同
三、焦耳定律
介绍科学家焦耳。
焦耳做了大量实验于1840年最先精确地确定了电流产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系，即焦耳定律。
焦耳定律：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟电阻成正比，跟通电时间成正比。
公式：如果热量用Q表示，电流用I（A）表示，电阻用R（?）表示，时间用t（s）表示，则焦耳定律为Q=I2Rt。
例题：（2018
?
辽阳）如图所示实验装置，可用来探究通电时间相同时，电流通过导体产生的热量与　
　
的关系。将装置接在电压为3V的电源上，通电2min，电流通过电阻R2产生的热量为　
　
J。
四、电功与电热
回顾学习电功时的计算公式，引出电功和电热之间存在什么关系的问题。
学生在基本熟悉焦耳定律之后，通过简单的演示实验让学生了解电功W和电热Q之间的关系：组装一个简单的并联电路，一条支路只有电阻丝，为纯电阻电路；另外一条支路电阻丝与电动机串联，为非纯电阻电路（电流表显示两条支路电流相同，则在相同时间内消耗相同的电能）。闭合开关，学生观察实验现象，思考原因。
实验结果：只有电阻丝的支路火柴先燃烧，这个过程，电能转化为内能，Q=W；有电动机的支路火柴后燃烧，电能转化为机械能和内能，Q通过实例练习进行理论分析电热与电功的关系：
应用练习1：一取暖器接在家庭电路中，正常工作时的电流为6．8A，工作10min放出的热量是多少？
上题中已知电压、电流和通电时间，可以计算出取暖器消耗的电能，那么取暖器消耗的电能与电热之间有什么关系呢？
通过计算我们发现电流做功与产生的电热是相等，那么这种情况下用电器在工作时，电功与电热间有什么关系呢？
当电流做的功全部转化为内能时：
由于
W=UIt，U=IR
Q=W=I2Rt
应用练习2：电吹风工作时，消耗了1000J的电能，电流在电阻线上产生热量等于1000J吗？
总结电功与电热的联系与区别：
1．纯电阻电路中W=Q
2．非纯电阻电路中W>Q
电热Q=I2Rt
其它形式的能E=W-Q
五、焦耳定律的应用
回到最初提出的问题，学生讨论，运用焦耳定律解释现象：电炉通过导线接到电路中，导线和电炉丝串联，为什么电炉丝热得发红而导线并不很热？
想想议议：额定电压相同的灯泡，额定功率越大，电阻越小，正常工作时单位时间内产生的热量越多。可是按照焦耳定律，电阻越大，单位时间内产生的热量越多。二者似乎有矛盾，这是怎么回事？
六、电热的利用与防止
展示常见一些用电器（电熨斗、电视机散热孔、取暖器、电饭锅、电脑主板风扇、笔记本散热孔、电动机外壳……），给这些用电器进行分类，哪些是利用电热、哪些是防止电热造成危害的。
电热在实际中有利用也有防止的。我们要利用辩证的态度来对待电热。
学生用接龙的方式说出生活中的实例：电热水壶、电熨斗、电饭锅、电暖器等。
学生思考、回答，进一步认识利用电流热效应的本质。
学生思考讨论。
学生结合生活实际进行猜想：
电流、电压、电阻、通电时间……
学生分小组讨论，设计实验：
实验时要控制单一变量。
可以通过加热相同物体，比较物体吸热升温的多少。
1、探究电流通过电阻产生热量的多少与电阻的关系。实验时要控制电路中的电流相等，改变电阻，比较在相同时间内放出热量的多少。所以应该是两个不同阻值的电阻串联。学生设计实验电路图。
2、探究电流通过电阻产生热量的多少与电流的关系。实验时要控制电路中的电阻相等，改变电流，比较在相同时间内放出热量的多少。学生设计实验电路图。
3、探究电流通过电阻产生热量的多少与通电时间的关系。
实验时要控制电路中的电阻、电流相等，比较在不同时间内放出热量的多少。
学生观察实验装置小组讨论后得出：
（1）电阻串联，可以使流过两根电阻丝的电流和通电时间相同。
（2）通过左右两管液面的高度差来比较，U型管中液面高度的变化，反应了密闭空气温度的变化，液面高度变化越大，说明空气的温度变化越大，即电流产生的热量越多。
（3）实验数据表格：
电阻/?R1
5?R2
10?产生热量（多/少）
实验结果：
电阻/?R1
5?R2
10?产生热量（多/少）少多
学生根据实验数据，分析得出结论：在电流和通电时间相同时，电阻越大，电流通过导体产生的热量越多。
学生观察实验装置小组讨论后得出：
（1）使右边容器中的电阻丝中的电流与左边容器中的电阻丝不等（左边电流大于右边电流）。
（2）实验数据表格：
电流R1
大R2
小产生热量（多/少）
实验结果：
电流R1
大R2
大产生热量（多/少）多少
学生根据实验数据，分析得出结论：在电阻和通电时间相同时，电流越大，电流通过导体产生得热量越多。
学生联系生活实际及前面两个实验中的现象，自己总结得出结论。
学生总结实验结论：
电流通过电阻产生热量的多少与电流、电阻和通电时间都有关，电流越大、电阻越大、通电时间越长，电流通过电阻产生热量越多。
学生练习。
了解焦耳在电热上的成就
学生了解焦耳定律的内容，记住焦耳定律表达式。
学生回顾研究实验内容，得出实验装置可探究与电阻的关系，并快速的计算本题中的电热：
I=U/R=3V/(10Ω+5Ω)=0.2A
Q=I2Rt=(0.2A)2×5Ω×2×60s
=24J
学生观察到实验现象：只有电阻丝的支路火柴先燃烧。
学生结合欧姆定律进行计算：
R=U/I=220V/6.8A=32.3?
Q=I2Rt=(6.8A)2×32.3Ω×600s
=9×105J
学生计算电流做的电功（电能）:
W=UIt=220V×6.8A×600s
=9×105J
学生讨论：
在前面的计算过程中利用了欧姆定律，它只能用在纯电阻电路中，用电器工作时把电能全部转化为内能。
学生思考回答：
不是的，电吹风工作时把电能转化为内能，还有一部分转化为动能。它不是一个纯电阻。电功大于电热。
学生讨论：
?电线与电炉丝串联，电流相等，根据焦耳定律，导线的电阻比电炉丝小得多，相同时间内放出热量也少。
?
学生讨论：
?这两种情况下有不同的变量，前者是在电压一定时，电阻越小，电流越大，电热与电流是平方的关系，所以电流对电热影响较大。后者的前提是在电流一定时，电阻越大，电热越多。
学生自主思考，分成两类：
利用电热的有：电熨斗、取暖器、电饭锅等。
防止电热的有：电视机散热孔、电脑主板风扇、笔记本散热孔、电动机外壳等
体现物理与生活的密切联系，培养学生理论联系实际的思维习惯。
由生活现象培养学生发现问题并提出问题的能力。
培养学生结合生活实际进行猜想，并分析猜想的合理性。学会排除不合理猜想。
培养学生利用控制变量法和转换法来设计实验。
通过分析实验装置的合理性来培养学生的实验设计能力。
培养学生利用转换法把不易观察的量转换为易观察的现象。
学会设计实验数据表格，记录实验数据。
学会根据实验数据得出结论，利用控制变量的方法准确描述出结论。
培养学生设计数据记录表格、分析实验、总结实验、描述实验结论的能力。
培养学生对实验数据综合分析能力。
学完新知识，及时巩固练习。
培养学生的人文精神，学习科学家的实事求是精神。
利用焦耳定律进行简单计算，培养学生利用公式解决实际问题的能力，进一步熟悉公式。
通过简单的演示实验，让学生明白纯电阻电路和非纯电阻电流中电功W和电热Q之间的关系，简单易懂。
理论计算推导电功与电热的关系，加深学生理解。
加强知识的联系，培养学生系统学习的能力。
培养利用物理知识解决实际问题能力。
培养学生知识应用能力，合作学习的能力、团队精神和交往能力。
利用控制变量的方法来分析问题。通过辨析加强对焦耳定律的理解。
利用分类的方法来培养学生利用辩证的态度来看待问题。
深化拓展
电功、电功率、热量的综合计算
引导学生总结电功、电功率、热量的计算公式及使用条件。
电功：表示电流做功的多少
电功率：表示电流做功的快慢
焦耳定律：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。
例题：如图所示，是一种电吹风的工作原理图，有“冷风”和“热风”两个档位。
（1）在吹“热风”时，开关应掷向
（填序号）。
（2）表中是电吹风的部分参数，求吹冷风时电路中的电流。
（3）求电热丝
R
的电阻。
（4）某次使用该电吹风，吹热风5分钟，求消耗的电能和产生的热量各是多少？
学生回忆、总结。
学生思考、练习。
总结回顾本章所学习的电功、电功率、焦耳定律，把握知识框架。
例题实战，学生学会综合计算。
课堂小结与评价
小结：
回忆总结本节课内容：
1、电流热效应
2、探究电流经过导体产生热量的多少与哪些因素有关？
3、焦耳定律
4、电功与电热的关系
5、焦耳定律的应用
6、电热的利用与防止
深化拓展：电功、电功率、热量的综合计算
评价：
教师组织学生在课堂上及时进行课堂表现评价（采用评价量表），包括学生本人反思自评、小组互评、教师评价。剖析协作过程中做出的贡献，个人的自主学习能力等。
课后教师根据作业情况，综合课堂表现评价进行学习效果评价（采用评价量表），形成完整的评价结果，再发放给学生。
梳理本节课知识内容，学生根据问题逐个回忆本节课的内容，形成一个知识体系。
学生反思自评和小组互评，认真反思不足，向优秀的同学学习。
利用问题引领的方法培养学生总结归纳的能力。
当堂评价，指出问题，及时改正。
课后作业
1、“动手动脑学物理”第3、4、6题。
2、课后练习试卷。
3、调查自家用电器中，哪些体现了电流的热效应，哪些没有。哪些是利用电热，哪些是防止电热的措施。说明原因，形成调查报告。
学生按要求完成作业，对生活实际开展力所能及的调查。
巩固本课学习内容，同时增加课外调查的作业，使物理走向社会、走向生活。
教学评价
1、教师：
（1）同事评价：邀请同事听课、评课，指出教学内容、教学方法手段、教学效果、学生的学习等方面不足，课后交流反思，日后进行改进。
（2）学生评价：收集学生评价，有何改进建议，及学生希望的、更感兴趣的课堂形式。在后续的课堂教学中不断贴合学生兴趣，提高学生课堂参与度。
2、学生：
（1）课堂表现评价：包括自我反思评价、小组评价、教师评价。根据学生课堂表现评价量表（如下表1），剖析学生当堂表现，帮助学生有效调控自己的学习过程，向表现优秀的同学学习，及时改进不足。
表1
学生课堂表现评价量表
项目
A级
B级
C级
自我反思评价
小组评价
教师评价
听课情况
认真听课，没有走神，讲闲话等现象
听课比较认真，偶尔有走神、讲闲话等现象。
听课不认真，走神、讲闲话现象比较严重。
发言情况
积极举手发言并有自己的见解。
能举手发言，答案中自己的思维较少。
很少发言，不表达自己的观点。
合作学习情况
善于与人合作，虚心听取别人的意见。
能与人合作，能接受别人的意见。
缺乏与人合作的精神，难以听取别人的意见。
课堂练习情况
认真迅速独立完成练习，质量高。
能完成练习，速度比较慢或质量一般。
不能完成练习。
我这样评价自己：
伙伴眼里的自己：
老师的话：
（2）学习效果评价：教师根据学生课后完成练习试卷以及调查报告，对照学习效果评价量表（如下表2）和量规（如下表3）判断学生是否达到学习目标，后期针对性进行教学。
表2
学习效果评价量表
评价内容
占比
评分方法及标准
评价得分
课堂表现、小组合作情况
30
对照课堂表现评价量表，A级25分，B级20，C级10分，分别对自评、互评、师评总分，再三者取平均，总分对应所占比例换算得出评价分数
课后作业——试卷完成情况
40
根据试卷得分，按比例换算得出评价分数。
课后作业——调查报告
30
25-30
调查报告格式正确，行文合理，调查用电器种类多，分类正确，原因分析合理透彻。
6-24
调查报告格式基本正确，调查用电器种类较全，分类部分存在问题，部分原因分析不够透彻。
0-5
调查报告格式不正确，调查用电器种类较少，分类错误，原因分析不正确。
总体评价：
表3
评价量规
分值
描述
4.0
能够利用焦耳定律的知识清楚地解释生活中的实际问题，并能将解决电热类型题目的思维方法拓展到其他综合，形成物理思维。
3.0
能独立利用电能、电功率、焦耳定律的表达式进行综合计算，正确解答60%以上的综合计算题。
2.0
能独立将探究实验过程转换成自己的语言讲述清楚，能独立运用焦耳定律表达式进行计算，正确率至少达到60%。
1.0
经过提示，初步理解实验过程，能完整复述焦耳定律的内容及表达式。在老师的提示下能解决焦耳定律的计算问题。
0.0
经过提示，不明确实验过程，不熟悉焦耳定律，没有解题思路。
板书设计
教学反思
课后结合教学评价，对照教学目标，进行反思。