高中物理《焦耳定律(3)》优质课教案、教学设计

5．焦耳定律三维目标知识与技能1.理解电功、电功率的概念，公式的物理意义，了解实际功率和额定功率；2.了解电功和电热的关系，了解公式Q＝I2Rt、P＝I2R、Q＝U 2tR、P＝UR的适应条件；3.知道电功率和热功率的区别和联系。

知道非纯电阻电路中电能与其他形式能转化关系电功大于电热；4.能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题。

过程与方法1.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；2.通过有关实例，让学生理解电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程。

情感态度与价值观1.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；2.通过学习进一步体会能量守恒定律的普遍性。

教学重点1.电功、电功率、焦耳定律、电热功率的概念、公式；2.区别并掌握电功和电热的计算。

教学难点主要在学生对电路中的能量转化关系缺乏感性认识，接受起来比较困难。

教学方法等效法、类比法、比较法、实验法。

教学手段灯泡、电压表、电流表、电源、滑动变阻器、电键、导线若干、投影仪、投影片、玩具小电机。

教学过程［新课导入］（1）通过前面的学习，可知导体内自由电荷在电场力作用下发生定向移动，电场力对定向移动的电荷做功吗？（做功，而且做正功）（2）电场力做功将引起能量的转化，电能转化为其他形式能，举出一些大家熟悉的例子？（电灯把电能转化成内能和光能；电炉把电能转化成内能；电动机把电能转化成机械能；电解槽把电能转化成化学能。

）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，重点研究电路中的能量问题。

［新课教学］一、电功和电功率1．电功我们知道，功是能量转化的量度，电能转化为其它形式能的过程就是电流做功的过程，电流做功的多少等于电能转化为其它形式能的数量。

所谓电流做功，实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。

自由电荷在静电力作用下沿静电力的方向做定向移动，结果电荷的电势能2减小，其它形式能的增加。

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?在时间 t 内，通过这段电路上任一横截面的电荷总量为q ＝It 。

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？在这一过程中，电场力做的功是W ＝qU ＝IUt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。

（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） 公式W ＝UIt电功的定义式用语言如何表述？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。

（3） 单位请同学们说出电功的单位有哪些？在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是 J 。

1J ＝1V·A·s 。

电功的常用单位有：千瓦时，俗称“度”，符号是 kW·h 。

1 kW·h 的物理意义是什么？1 kW·h 等于多少焦？1 kW·h 表示功率为 1 kW 的用电器正常工作 1 h 所消耗的电能。

1 kW·h ＝1000 W×3600 s ＝3.6×106 J 。

（4） 说明①电功的实质是能量守恒定律在电路中的体现。

即电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程，在转化过程中，能量守恒，即有多少电能减少，就有多少其他形式能增加。

②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。

③适用条件：I 、U 不随时间变化──恒定电流。

④注意单位统一。

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 。

2．电功率在相同的时间里，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） 公式P ＝ W ＝IU t这表示电流在一段电路上做功的功率 P 等于电流 I 与这段电路两端的电压 U 的乘积。

该式对任何电路都适用。

（3） 单位在国际单位制中，电功率的单位是瓦特（W ），1W ＝1J/s 。

常用单位有千瓦（kW ），1 kW ＝1000W 。

（4） 额定功率与实际功率①额定功率用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下消耗的功率称额定功率。

②实际功率用电器在实际电压下的功率，U 、I 分别对应用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。

③额定功率与实际功率的关系对一个用电器来说，额定功率只有一个。

实际功率可随着用电器两端的电压和通过的电流的变化而改变。

所以实际功率可等于、小于或大于额定功率。

总结：选择用电器时，要注意它的额定电压，只有在额定电压下用电器才能正常工作。

实际电压偏低，用电器消耗的功率低，不能正常工作。

实际电压偏高，长期使用会影响用电器的寿命，还可能烧坏用电器。

（5） 平均功率与瞬时功率利用 P ＝ W 计算出的功率是时间 t 内的平均功率。

t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。

为什么课本没提这一点呢？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。

（6） 说明①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。

②注意单位统一。

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 。

二、焦耳定律电流做功，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。

1．焦耳定律在只含有白炽灯、电炉等电热元件纯电阻电路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 。

在时间 t 内电场力对电阻元件所做的功为W ＝IUt ＝I 2Rt据欧姆定律加在电阻元件两端的电压U ＝IR由于电路中只有纯电阻元件，故电流所做的功 W ＝Q 。

产生的热量的表达式为Q ＝I 2Rt这个关系最初是物理学家焦耳用实验得到的，叫焦耳定律。

（1） 内容2 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。

（2） 公式Q ＝I 2Rt 2．热功率 学生活动：总结热功率的定义、定义式及单位。

（1） 定义 单位时间内的发热量通常称是热功率。

（2） 公式 P Q I 2R ＝ t＝ （3） 单位：瓦（W ）3．电功与电热的关系【实验探究】研究电功率与热功率的区别和联系。

取一个玩具小电机，其内阻 R ＝1.0 Ω，把它接在如图所示的电路中。

（1） 先夹住电动机轴，闭合电键，电机不转。

调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为 0.50 V ，记下电流表的示数，算出小电机消耗的电功率和热功率，并加以比较。

（2） 再松开夹子，使小电机转动，调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为 2.0 V （此电压为小电机的额定电压），记下电流表的示数，算出小电机消耗的电功率和热功率，并加以比较。

［实验结果］（1）电机不转时，U ＝0.50 V ，I ＝0.50 A 。

P 电＝UI ＝0.50×0.50 W ＝0.25 WP 热＝I 2R ＝0.502×1.0 W ＝0.25 WP 电＝P 热（2）电机转动时，U ＝2.0 V ，I ＝0.40 A 。

P 电＝UI ＝2.0×0.40 W ＝0.80 WP 热＝I 2R ＝0.402×1.0 W ＝0.16 WP 电＞P 热学生：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。

（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，等于这段电路两端电压 U 和通过的电流 I 的乘积。

电功率 P ＝UI ，对任何电路都适用。

热功率是在某段电路上因发热而消耗的功率，等于通过这段电路中电流的平方 I 2 和电阻R 的乘积。

电热功率 P 热＝I 2R ，对任何电路也都适用。

（2） 电功率与热功率的联系①在纯电阻电路中，电功率与热功率数值相等U ＝IRR W ＝Q ＝UIt ＝I 2Rt ＝ U t RP 热＝P 电＝UI ＝I 2R ＝ U R W Q ＝ W2M Q W W ＞ Q即在纯电阻电路中，电流做功将电能全部转化为内能。

上述实验中，电机不转时，小电机就相当于纯电阻。

②在非纯电阻电路中，电功率数值大于热功率数值若电路中有电动机或电解槽时等元件时，电路为非纯电阻电路。

电路中消耗的电功率绝大部分转化为机械能或化学能等其它形式的能，只有一少部分转化为内能，这时电功率大于热功率。

U ＞IRW ＞Q ，W ＝UIt ，Q ＝I 2Rt P 电＞P 热 ，P 电＝UI ，P 热＝I 2RP 电＝P 热＋P 出上述实验中，电机转动时，电机消耗的电功率，其中大部分转化为机械能，有一小部分转化为内能，故 P 电＞P 热。

［小结］本节课主要学习了以下几个问题：1. 电功和电功率电场力对自由电荷做的功叫做电功，通过电流做功将电能转化成其它形式的能。

电功 W ＝UIt 。

单位时间内电流做的功叫做电功率，反映了电流做功的快慢，电功率 P ＝UI 。

2. 电功率和热功率电流通过导体时要发热，产生的热量 Q ＝I 2Rt 。

导体发热的功率 P 热＝I 2R 。

在纯电阻电路中和非纯电阻电路中，电功和电热的关系不同，要从能量转化的角度来理解这个问题。

要了解和掌握各个公式之间的关系和适用的条件，不能乱用。

［布置作业］教材第 55 页“问题与练习”。