5焦耳定律教學(xué)設(shè)計(jì)一整體設(shè)計(jì)教學(xué)分析學(xué)生在初中已經(jīng)接觸過(guò)焦耳定律的內(nèi)容，為本節(jié)課的學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)，但高中階段將從電場(chǎng)力做功及能量轉(zhuǎn)化和守恒等角度來(lái)研究焦耳定律，這對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)提出了更高的要求。本節(jié)課所涉及的能量觀點(diǎn)，是研究電學(xué)問(wèn)題和其他物理問(wèn)題的重要方法。另外，這一節(jié)的內(nèi)容在實(shí)際中有廣泛而重要的運(yùn)用，不但是學(xué)習(xí)后續(xù)知識(shí)的基礎(chǔ)，而且是學(xué)習(xí)電工的基礎(chǔ)。所以，本節(jié)課不但是物理知識(shí)的傳授課，更是物理方法和思想的滲透課。在教學(xué)中應(yīng)該充分聯(lián)系實(shí)際，以便鞏固和加深對(duì)基本知識(shí)的理解，掌握實(shí)際問(wèn)題中的原理。教學(xué)目標(biāo)1理解電功的概念，知道電功是指電場(chǎng)力對(duì)自由電荷所做的功，理解電功的公式，能進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算。2理解電功率的概念和公式，能進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算。3知道電功率和熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。4通過(guò)推導(dǎo)電功的計(jì)算公式和焦耳定律，培養(yǎng)分析、推理能力。5通過(guò)電能與其他形式能量的轉(zhuǎn)化和守恒，進(jìn)一步培養(yǎng)辯證唯物主義的觀點(diǎn)。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)電功和電熱的計(jì)算是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)，圍繞這個(gè)教學(xué)重點(diǎn)，具體實(shí)施教學(xué)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這樣幾個(gè)教學(xué)難點(diǎn)電流做功的表達(dá)式的推導(dǎo)，純電阻電路和非純電阻電路在能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的區(qū)別。教學(xué)方法與手段1采用問(wèn)題解決式，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系前面電場(chǎng)力的知識(shí)，推導(dǎo)電流做功的表達(dá)式。2密切聯(lián)系實(shí)際，通過(guò)實(shí)例分析讓學(xué)生明確各種電能與其他形式的能的轉(zhuǎn)化情況。3進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生明確純電阻電路與非純電阻電路在能量轉(zhuǎn)化時(shí)的區(qū)別。課前準(zhǔn)備教學(xué)媒體投影儀、多媒體課件、滑動(dòng)變阻器、小電風(fēng)扇、電壓表、電流表、電源、電鍵、導(dǎo)線。知識(shí)準(zhǔn)備電場(chǎng)力對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷做功的求法、歐姆定律。教學(xué)過(guò)程導(dǎo)入新課事件1教學(xué)任務(wù)創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課。師生活動(dòng)問(wèn)題導(dǎo)入問(wèn)題1用電器通電后，可以將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，請(qǐng)同學(xué)們列舉生活中常用的用電器，說(shuō)明其能量的轉(zhuǎn)化情況。參考示例電燈把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和光能；電爐把電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；電動(dòng)機(jī)把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；電解槽把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。用電器把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程，就是電流做功的過(guò)程。即電流做功的過(guò)程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過(guò)程，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，遵循能量守恒，即有多少電能減少，就有多少其他形式的能增加。問(wèn)題2電流做功的多少及電流做功的快慢與哪些因素有關(guān)呢本節(jié)課我們學(xué)習(xí)關(guān)于電功和電功率的知識(shí)。推進(jìn)新課事件2教學(xué)任務(wù)推導(dǎo)電流做功的表達(dá)式師生活動(dòng)思考并討論多媒體打出畫(huà)面一段導(dǎo)體長(zhǎng)為L(zhǎng)，橫截面積為S，電阻為R，在導(dǎo)體兩端加上電壓U，通過(guò)導(dǎo)體的電流為I。圖251推導(dǎo)電流做功的表達(dá)式1結(jié)合此模型說(shuō)出電流做功實(shí)質(zhì)上是怎樣的參考答案電流做功的實(shí)質(zhì)是電路中電場(chǎng)力對(duì)定向移動(dòng)的電荷做功。2利用學(xué)過(guò)的知識(shí)，推導(dǎo)一下經(jīng)過(guò)時(shí)間T，電流做的功?？赡艹霈F(xiàn)的結(jié)果學(xué)生無(wú)從下手?？赏ㄟ^(guò)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考并推導(dǎo)出公式來(lái)。請(qǐng)同學(xué)們思考下列問(wèn)題1電場(chǎng)力做功的定義式是什么2電流的定義式是什么參考答案1在第一章里我們學(xué)過(guò)電場(chǎng)力對(duì)電荷的功，若電荷Q在電場(chǎng)力作用下從A搬至B，AB兩點(diǎn)間電勢(shì)差為UAB，則電場(chǎng)力做功WQUAB。2電路中的自由電荷在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，形成電流I，在時(shí)間T內(nèi)，通過(guò)這段電路上任一橫截面的電荷量QIT。這相當(dāng)于在時(shí)間T內(nèi)將這些電荷Q由這段電路的一端移到另一端。對(duì)于一段導(dǎo)體而言，兩端電勢(shì)差為U，把電荷Q從一端搬至另一端，電場(chǎng)力的功WQU，在導(dǎo)體中形成電流，且QIT在時(shí)間間隔T內(nèi)搬運(yùn)的電荷量為Q，則通過(guò)導(dǎo)體截面電荷量為Q，IQ/T，所以WQUIUT。這就是電路中電場(chǎng)力做功即電功的表達(dá)式。結(jié)論電功1定義電路中電場(chǎng)力對(duì)定向移動(dòng)的電荷所做的功，簡(jiǎn)稱電功，通常也說(shuō)成是電流的功。2表達(dá)式WIUT。物理意義電流在一段電路上的功，跟這段電路兩端電壓U、電路中電流I和通電時(shí)間T成正比。適用條件I、U不隨時(shí)間變化恒定電流。單位焦耳J1J1VAS?！咀⒁狻抗κ悄芰哭D(zhuǎn)化的量度，電流做了多少功，就有多少電能減少而轉(zhuǎn)化為其他形式的能，即電功等于電路中電能的減少，這是電路中能量轉(zhuǎn)化與守恒的關(guān)鍵。事件3教學(xué)任務(wù)推導(dǎo)電功率的表達(dá)式。師生活動(dòng)問(wèn)題引導(dǎo)在相同的時(shí)間里，電流通過(guò)不同用電器所做的功一般不同。例如，在相同時(shí)間里，電流通過(guò)電力機(jī)車(chē)的電動(dòng)機(jī)所做的功要顯著大于通過(guò)電風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)所做的功。電流做功不僅有多少，而且還有快慢，如何描述電流做功的快慢呢參考答案可以用單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功，即電功率表示做功的快慢。結(jié)論電功率。1定義單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功。2表達(dá)式PIU對(duì)任何電路都適用。WT3單位瓦特W，1W1J/S?！菊f(shuō)明】電流做功的“快慢”與電流做功的“多少”不同。電流做功快，但做功不一定多；電流做功慢，但做功不一定少。4額定功率和實(shí)際功率額定功率用電器正常工作時(shí)所需電壓叫額定電壓，在這個(gè)電壓下消耗的功率稱額定功率。實(shí)際功率用電器在實(shí)際電壓下的功率。實(shí)際功率P實(shí)IU，U、I分別為用電器兩端實(shí)際電壓和通過(guò)用電器的實(shí)際電流?！菊f(shuō)明】最后應(yīng)強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)用到任何特殊電路或用電器的性質(zhì)，電功和電功率的表達(dá)式對(duì)任何電壓、電流不隨時(shí)間變化的電路都適用。再者，這里WIUT是電場(chǎng)力做功，是消耗的總電能，也是電能所轉(zhuǎn)化的其他形式能量的總和。事件4教學(xué)任務(wù)焦耳定律師生活動(dòng)思考并討論電流在通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，導(dǎo)體要發(fā)熱，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。這就是電流的熱效應(yīng)，那么，電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的熱量與哪些因素有關(guān)呢結(jié)論英國(guó)物理學(xué)家焦耳，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究后提出焦耳定律。1焦耳定律電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量，跟電流的平方、導(dǎo)體電阻和通電時(shí)間成正比。表達(dá)式QI2RT。2熱功率單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量，即PQ/TI2R。思考并討論電路中電流對(duì)導(dǎo)體做的功是否等于導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的熱量呢可能出現(xiàn)的結(jié)果學(xué)生一般認(rèn)為，WIUT，又由歐姆定律，UIR，所以得出WI2RT，電流做這么多功，所以，放出熱量QWI2RT。這里有一個(gè)錯(cuò)誤QW，可通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考并找出來(lái)何以見(jiàn)得電流做功全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能增量有無(wú)可能同時(shí)轉(zhuǎn)化為其他形式能什么電路中QW什么電路中WQWQ為什么舉實(shí)例歐姆定律I及變形公式適用條件是什么為什么UR參考答案1電流有可能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。如電吹風(fēng)、電解槽、電池。2對(duì)純電阻電路只含白熾燈、電爐等電熱器的電路中電流做功完全用于產(chǎn)生熱，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故電功WQ，這時(shí)WQUITI2RT；關(guān)于非純電阻電路中的能量轉(zhuǎn)化，電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能等，這時(shí)WQ，即WQE其他或PP熱P其他、UII2RP其他。3歐姆定律I及變形公式適用條件是純電阻電路。UR【實(shí)驗(yàn)】如何用玩具小風(fēng)扇驗(yàn)證電功率和熱功率不相等參考答案用投影儀投影出電路圖，引導(dǎo)學(xué)生按圖接好電路，并提醒學(xué)生注意電表的正負(fù)極，以及滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)片的初始位置。先用夾子夾住電動(dòng)機(jī)M轉(zhuǎn)軸使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)，閉合電鍵，移動(dòng)變阻器滑片，記下伏特表讀數(shù)U103V，電流表的讀數(shù)I103A，松開(kāi)夾子，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)變阻器滑片，使伏特表讀數(shù)U220V，電流表的讀數(shù)I208A，分別記入下表，請(qǐng)同學(xué)們計(jì)算兩種情況下電功率P1和熱功率P2。工作狀態(tài)U/VI/AP1/WP2/W不轉(zhuǎn)動(dòng)0303009009轉(zhuǎn)動(dòng)200816064由上述數(shù)據(jù)得出在第一種情況下電功率的值等于熱功率的值。這證明在純電阻電路中，電能只轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程是通過(guò)電流做功來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以電功率等于熱功率。第二種情況下電功率大于熱功率，這證明在非純電阻電路中，即電路中有電動(dòng)機(jī)或電解槽時(shí)，電能不僅要轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，而且還有一部分要轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能，所以，電能要大于內(nèi)能，即電功率大于熱功率，但是，電能總等于電動(dòng)機(jī)或電解槽的機(jī)械能或化學(xué)能和電阻增加的內(nèi)能之和?！緩?qiáng)調(diào)總結(jié)】1對(duì)純電阻電路只含白熾燈、電爐等電熱器的電路中電流做功完全用于產(chǎn)生熱，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故電功W等于電熱Q；這時(shí)WQUITI2RT。2PIU和PI2R都是電流的功率的表達(dá)式，但物理意義不同。PIU對(duì)所有的電路都適用，而PI2R只適用于純電阻電路，對(duì)非純電阻電路含有電動(dòng)機(jī)、電解槽的電路不適用。關(guān)于非純電阻電路中的能量轉(zhuǎn)化，電能除了轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外，還轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、化學(xué)能等。這時(shí)WQ。即WQE其他或PP熱P其他、UII2RP其他。ERROR例1一直流電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)阻一定，用手握住轉(zhuǎn)軸使其不能轉(zhuǎn)動(dòng)，在線圈兩端加電壓為03V，電流為03A。松開(kāi)轉(zhuǎn)軸，在線圈兩端加電壓為2V時(shí)，電流為08A，電動(dòng)機(jī)正常工作。求該電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，輸入的電功率是多少電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率是多少參考答案電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其消耗的電功全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故可視為純電阻電路，由歐姆定律得電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)阻RU/I03/031。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，消耗的電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能和機(jī)械能，其輸入的電功率為P入I1U1082W16W，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率P機(jī)P入IR16W0821W09621W。說(shuō)明在非純電阻電路里，要注意區(qū)別電功和電熱，注意應(yīng)用能量守恒定律。電熱QI2RT。電動(dòng)機(jī)消耗的電能也就是電流的功WIUT。由能量守恒得WQE，E為其他形式的能，這里是機(jī)械能。對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，輸入的功率P入IU；發(fā)熱的功率P熱I2R；輸出的功率，即機(jī)械功率P機(jī)P入P熱UII2R。ERROR1規(guī)格為“220V1000W”的電爐，求1電爐正常工作時(shí)，通過(guò)電阻絲的電流；2電爐的電阻。2加在某臺(tái)電動(dòng)機(jī)上的電壓是U，電動(dòng)機(jī)消耗的電功率為P，電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為R，則電動(dòng)機(jī)線圈上消耗的熱功率為APBU2/RCP2R/U2DPP2R/U2答案1145A24842C事件5教學(xué)任務(wù)電功率和熱功率的綜合運(yùn)用與理解。師生活動(dòng)【探究實(shí)驗(yàn)】案例給你玩具電風(fēng)扇1臺(tái)、干電池2節(jié)、電壓表和電流表各1只、導(dǎo)線若干。請(qǐng)你設(shè)法測(cè)出電風(fēng)扇的直流電阻，以及電風(fēng)扇工作時(shí)總功率電功率和輸出的機(jī)械功率。參考做法1先卡住電風(fēng)扇，將其接入電路，將電流表與其串聯(lián)，電壓表與其并聯(lián)，測(cè)出相應(yīng)的電流值I和電壓值U，則RU/I。電風(fēng)扇不轉(zhuǎn)時(shí)所加電壓要盡量小，為什么2讓電風(fēng)扇正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將電流表與其串聯(lián)，電壓表與其并聯(lián)，測(cè)出相應(yīng)的電流值I和電壓值U，則P總UI，P出UII2R。學(xué)生分組討論上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)電功率與熱功率的區(qū)別和聯(lián)系。再次強(qiáng)調(diào)以下結(jié)論1電功率與熱功率的區(qū)別電功率是指輸入某段電路的全部功率或在這段電路上消耗的全部電功率，決定于這段電路兩端電壓U和通過(guò)的電流I的乘積。熱功率是在某段電路上因發(fā)熱而消耗的功率，決定于通過(guò)這段電路的電流的平方I2和電阻R的乘積。2電功率與熱功率的聯(lián)系若在電路中只有電阻元件時(shí)，電功率與熱功率數(shù)值相等，即P熱P電。教師指出上述實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，小電機(jī)就相當(dāng)于純電阻。若電路中有電動(dòng)機(jī)或電解槽時(shí)，電路消耗的電功率絕大部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能，只有一少部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，這時(shí)電功率大于熱功率，即P電P熱。教師指出上述實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)消耗的電功率，其中有一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，有一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，故P電P熱。課堂鞏固與反饋事件6教學(xué)任務(wù)形成性測(cè)試學(xué)生獨(dú)立完成。時(shí)間5分鐘。1關(guān)于電功，下列說(shuō)法中正確的有A電功的實(shí)質(zhì)是電場(chǎng)力所做的功B電功是電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能C電場(chǎng)力做功是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的量度D電流通過(guò)電動(dòng)機(jī)時(shí)的電功率和熱功率相等2A、B、C三個(gè)燈泡如圖所示的方式連接時(shí)，各自消耗的實(shí)際功率相同，則RARBRC為A111B122C211D1443理發(fā)用的電吹風(fēng)機(jī)中有電動(dòng)機(jī)和電熱絲，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，電熱絲給空氣加熱，得到熱風(fēng)將頭發(fā)吹干。設(shè)電動(dòng)機(jī)線圈電阻為R1，它與電熱絲電阻值R2串聯(lián)后接到直流電源上，吹風(fēng)機(jī)兩端電壓為U，電流為I，消耗的功率為P，則有APUIBPI2R1R2CPUIDPI2R1R24一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)線圈電阻R1，與一阻值R10的電阻串聯(lián)，當(dāng)所加電壓U150V，電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)電壓表示數(shù)100V，求電動(dòng)機(jī)消耗的功率及輸出的機(jī)械功率。答案1AC2D3AD4PIUM5100W500WP熱I2R25WP機(jī)PP熱500W25W475WERROR事件7教學(xué)任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生從知識(shí)、方法、情感三個(gè)側(cè)面小結(jié)本節(jié)課的學(xué)習(xí)活動(dòng)1與初中學(xué)習(xí)的電功、電功率、焦耳定律相比，你現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)有哪些提高2對(duì)本節(jié)內(nèi)容還有哪些疑問(wèn)，提出來(lái)與同學(xué)或老師交流。3對(duì)本節(jié)內(nèi)容反思后，完成下表。純電阻電路非純電阻電路元件特點(diǎn)歐姆定律能量轉(zhuǎn)化元件舉例這節(jié)課從知識(shí)上來(lái)說(shuō)，主要學(xué)習(xí)了電功、電功率公式及焦耳定律，其中焦耳定律是主要內(nèi)容。在研究問(wèn)題時(shí)，我們主要運(yùn)用了能量轉(zhuǎn)化和守恒的方法。能量轉(zhuǎn)化和守恒的方法是研究物理問(wèn)題的一種重要方法，貫穿在物理知識(shí)學(xué)習(xí)的全過(guò)程中。板書(shū)設(shè)計(jì)5焦耳定律1電功W定義電路中電場(chǎng)力對(duì)定向移動(dòng)的電荷所做的功，簡(jiǎn)稱電功，通常也說(shuō)成是電流的功。公式WIUT。單位焦耳，簡(jiǎn)稱焦，