电路中的能量转化 教学设计秋高中物理人教版必修三.docx
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电路中的能量转化教学设计秋高中物理人教版必修三
电路中的能量转化
一、教学内容分析
电路中的能量转化这节课所涉及的能量观点,是研究电学问题和其他物理问题的重要方法。
这节课我们研究的是电路中的能量是怎样转化的?
用能量守恒定律推导出电功以及电功率的表达式,根据能量守恒定律,推导出焦耳定律和电路中热功率的表达式,通过思考与讨论得到电流在对电动机做功的过程中,有关能量的转化问题,并且通过进一步讨论得到纯电阻电路和非纯电阻电路的区别与联系,从而能够解决实际电路中有关能量转化的问题。
本节课不但是物理知识的传授课,更是物理方法和思想的渗透课。
在教学中应该充分联系实际,以便巩固和加深对基本知识的理解,掌握解决实际电路中的有关能量转化问题的方法。
二、学情分析
学生在初中已经接触过焦耳定律的内容,为本节课的学习创造了一定基础;但高中阶段将从静电力做功及能量转化和守恒等角度来研究电路中能量转化的问题,这对学生的学习提出了更高的要求;并且本节从能量转化的角度理解电功和电热,区分纯电阻电路和非纯电阻电路。
功是能量转化的量度,电流做了多少功,就有多少电能转化为其它形式的。
能通过生活实例,认识电流的热效应;通过学习使学生对能量的转化有进一步的了解。
三、教学目标
1.通过实例分析,理解电能转化为其他形式的能是通过电流做功来实现的,加深对功与能量转化关系的认识。
2.通过推导电功公式和焦耳定律,理解电功、电功率和焦耳定律,能用焦耳定律解释生产、生活中的相关现象。
3.从能量的转化和守恒角度分析非纯电阻电路中的能量转化,理解电功和电热的区别和联系。
4.联系生活中的电风扇、空调、电动机等电器设备,体会能量转化与守恒思想,增强理论联系实际的意识。
四、教学重、难点
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。
教学难点:
电功率和热功率的区别和联系。
教学方法:
探究、讲授、讨论、实验归纳
教具:
多媒体课件、实验电路
五、教学流程图
六、教学过程
环节
情境与问题
教与学活动
设计意图
学生发展
新课
引入
提出问题:
现代生活中随处都可以看见用电设备和用电气,例如电灯,电视,电热水壶,电风扇,电动汽车等等。
那么,你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗?
请同学们思考下列现象,分析其能量是如何转化的,一、给电热水壶通电;二、给电风扇通电;三、给电动汽车充电电池通电;我们知道给电热水壶通电,电能转化为热能;给电风扇通电,电能转化为机械能和热能;给电动汽车充电,电能转化为化学能和热能。
那么电能转化为其他形式的能量是通过什么方式实现的呢?
在前面的章节,我们就学到功是能量转化的量度,由此我们可以知道电能是通过做功来转化为其他形式的能,
由情景和问题,引发思考,进入探究活动。
激发学习兴趣。
体会物理知识在生活中的应用。
新课
教学
一、电功、电功率
①电功表达式的推导
②电功率表达式的推导
③实践与应用
二、焦耳定律
①焦耳定律内容的推导
②实践与应用
三、电路中的能量转化
实践与应用
四、知识归纳
五、课堂练习
那么电流是通过什么方式做功的呢?
原来给导体两端通电,导体中形成了恒定的电场,导体中恒定的电场对自由电荷的静电力做功,自由电荷在静电力的作用下发生定向移动,结果电荷的电势能减小,其他形式的能增加,
如图所示,表示一段电路,电荷从左向右定向移动,他们经过这段电路所用的时间记为t,根据以学的知识,在这段时间内,通过这段电路任意横截面的电量为q=It,如果这段电路两端的电势差是u,静电力做的功就是W=qU,由此我们可以推出电功的表达式W=UIt,可求解电路中电流做的总功,使用于所有的电路。
因为功是标量,所以电流做的功自然也是标量,那么电流做功的测量方法是什么呢?
根据电功的表达式,我们做了一种测量工具---电能表,用它来直接测量电功,功的单位是焦耳,自然电流做功即电功的单位也是焦耳,单位换算:
1kW·h=3.6×106J
同其他力一样,电流做功也有快慢之分,电流做功的快慢,用电功率来
表示即:
进而得到P=UI,这个公式表示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与电流的乘积,电功率也是标量,单位瓦特。
测量方法,电功率表,求解电路的电功率时,公式P=UI使用于所有的电路
例1:
一根电阻丝在t时间内通过2C的电量时,消耗电能是8J。
若在t时间内通过该电阻丝4C的电量时,该电阻丝两端所加电压U和该电阻丝在t时间内消耗的电能E分别为()
A.U=4VB.U=8V
C.E=16JD.E=32J
通过前面的讲解,我们知道电流做功的求解解方法;那么电流做功,究竟电能转化为哪种形式的能量呢?
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,能量的转化问题,电流做功,究竟电能转化为哪种形式的能量?
要看电路中具有哪种类型的用电器。
前面我们提到,电流通过电热水壶,电热水壶中的电热元件做功时,电能全部转化为导体的内能,电流在这段电路中做的功W等于这段电路中产生的热量Q,所以我们得到W=Q,又因为W=UIt,
,由这样的三个公式,我们可以推导出
定律的内容:
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,表达式Q=I2Rt,单位:
焦耳,
该定律是英国科学家焦耳于1841年发现的。
焦耳定律是一个实验定律。
说明:
在推导焦耳定律时,电功全部转化为电热,即:
W=Q;但实际电路,电能不一定全部转化为电热。
若只求电热时,例如,要计算电流通过某一电路时放出热量的多少,都可以使用焦耳定律。
它适用于任何导体,范围很广,所有的电路都能使用。
说明:
同焦耳定律一样,若只求解电流通过导体发热的功率时,对所有的电路都能使用。
例2.把六个相同的小灯泡接成如图甲、乙所示的电路,调节变阻器使灯泡正常发光,甲、乙两电路所消耗的功率分别用P甲和P乙,则下列结论中正确的是()
A.P甲=P乙B.P甲=3P乙
C.P乙=3P甲D.P乙>3P甲
分析:
设灯泡正常发光时的电流为I,
对于甲图,电路的总的电流为3I,
此时甲的总功率的大小为P甲=U×3I=3UI,
对于乙图,电路的总电流的大小就为I,
此时乙的总功率的大小为P乙=U×I,
所以P甲=3P乙,B选项正确,
点评:
对于本题来说总功率的计算,可以分别计算小灯泡的功率与变阻箱的功率求和,也可以从整体考虑,而本题由于电路的总电压的大小是相同的,可以从整体考虑。
这样,用总电压与总电流的乘积来计算总功率的大小,可直接得出结论。
焦耳定律讨论了电路中电能完全转化为内能的情况,但实际中有些电路除含有电阻外,还含有其他负载,如电动机。
下面我们以电动机为例,讨论一下电路中的能量转化
请同学们思考这样的一个问题,如图所示,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?
给电动机接上电源后,我们发现风扇转动,我们知道电能转化为机械能,通电一段时间后,切断电源,电动机刚刚停止工作时,我们发现它的外壳是热的,说明工作时有电能转化为内能
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。
假设电动机消耗的功率为P电,电动机对外做功输出的功率,即机械功率为P机,另外,电动机工作时自身也有能量损失,对应的功率为P损,它们之间满足
P电==P机+P损,
设电动机两端的电压为U,通过电动机线圈的电流为I可知
可知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,假设电动机线圈的电阻为r可知
P热=I2R,
这说明,由于电动机线圈有电阻,所以电能除了转化为机械能之外,确实还有一部分转化为内能,电动机的转子与轴承均有摩擦,另外还有空气阻力,但忽略这部分能量损失,只考虑线圈发热产生的能量损失,则有P损=P热
这样我们可以得到P电==P机+P热,
同样对于正在充电的电池,电能除了转化为化学能之外,还有一部分转化为内能
下面我们通过一道例题,计算一下电动机在能量转化过程中,各功率的数值
例3:
一台电动机,线圈的电阻是0.4Ω,当它两端所加的电压为220V时,通过的电流是5A。
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
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=220×5W=1100W
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=1100W-10W=1090W
所以,这台电动机的发热功率为10瓦,对外做功的功率为1090瓦
一,有关电动机的三个功率及效率:
1.输入功率:
电动机的总功率.由电动机电路的电流和电压决定,计算:
P总=UI.
2.输出功率:
电动机做有用功的功率P出.
3.热功率:
电动机线圈上有电阻,电流通过线圈时要发热,热功率P热=I2r.
4.功率关系:
P总=P出+P热.
另外,电动机的效率为:
×100%.
通过学习,我们知道了,用电器在通电时,电流做功,电能转化为其他形式的能通常分为两类。
一类是,电路只有白炽灯、电热水壶、电熨斗、电饭锅,电烙铁等存在的电路时,电能全部转化为导体的内能,即:
W=Q,这时,W=UIt,Q=I2Rt,由以上三公式可以推出I=U/R,欧姆定律适用这样的电路,叫纯电阻电路
另外一类,电流通过电动机、电解槽、电风扇等存在的电路如例题3,电流做功除转化为内能外,还转化为机械能或其他形式的能,即:
W>Q此时,可以推出I<U/R,我们把这样的电路叫非纯电阻电路,欧姆定律不适用。
通过以上学习,我们来总结一下这节课的主要内容,
电功是电能转化为其他形式能量的总和,电功率,表示电能转化为其他形式能量的快慢,电热表示电能转化为内能的多少,电热功率表是电能转化为内能的快慢。
联系---电能只有向内能转化时,电功与电热相等,电功率与电热功率相等,欧姆定律成立。
1:
如图所示,A、B两灯额定电压都是110V,额定功率PA=100W,PB=40W,接在220V电路上使用,使电灯能够正常发光,且电路中消耗电能最小的电路是()
A、
B、
C、
D、
分析:
bcd选项中,我们可将并联部分看作一个电阻,此时bcd三个选项电路都可简化为两个电阻的的简单串联关系,四个选项电路相同,并且都是由两个电阻的的串联组成电路
由上图可知,使电灯都能够正常发光,串联两部分的电阻必须相等;得到每一部分功率相同。
解答:
A选项,由于AB两个灯泡的电阻大小不同,所以直接把AB串连接入电路的话,AB的电压不会平分,AB不会同时正常发光,所以A错误;
B、由于额定电压都是110V,额定功率PA=100W、PB=40W,由此我们可以知道RB>RA,把灯泡A与电阻并联的话,会使并联的部分的电阻更小,所以两部分的电压不会平分,AB不会同时正常发光,所以B错误;
C、若把灯泡B与电阻并联的话,可以使并联部分的电阻减小,可以使A与并联部分的电阻相同,所以AB能同时正常发光,并且并联电路消耗的功率与A灯泡的功率相同,所以总功率的大小为200W;
D、把AB并联之后与电阻串连接入电路的话,当电阻的阻值与AB并联的总的电阻相等时,AB就可以正常发光,此时电阻消耗的功率为AB灯泡功率的和,所以电路消耗的总的功率的大小为280W;
由CD的分析可知,正常发光并且消耗的功率最小,应该选c选项.
2.一台电风扇,内阻为20Ω,接上220V电压后,消耗的功率是66W。
求:
(1)电风扇正常工作时通过电动机的电流强度。
(2)电风扇正常工作时转化为机械能和内能的功率,及电机的效率。
(3)如果接上电源后,扇叶被卡住,不能转动,求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。
分析:
(1)根据功率P=UI可以求得电动机的电流的大小;
(2)由P热=I2R可以求得转化为内能的功率的大小,再由P机=P-P热可以求得转化为机械能的功率;
(3)当扇叶被卡住不能转动时,此时可以看做是纯电阻,总的功率即为发热的功率.
解答:
(1)由P=UI可得
电流I=P/U=0.3A,
(2)线圈电阻发热功率P热=I2R=1.8w,
机械功率P机=P-P热=64.2W,
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,欧姆定律使用,I=U/R=11A,
所以P=UI=I2R=2420w.
点评:
对于电功率的计算,一定要分析清楚是不是纯电阻电路,对于非纯电阻电路,总功率和发热功率的计算公式是不一样的.
简明扼要,直接过渡到本节课主题。
考查了电量和电功的计算及欧姆定律的应用。
本题由于不知道时间,所以不能求出电流的数值,只能根据相关公式找出它们的相关关系来求解。
借助电功电能的关系做好铺垫。
利用能量守恒定律去建立联系,利用之前的知识,进行科学推理、找出规律、形成结论,训练学生正确的运用科学思维方法。
电动机是非纯电阻电路,总功率等于热功率与机械功率(输出功率)之和.
帮助和引导学生对知识的归纳和总结,
知识回顾,引发思考,进入探究活动。
用功能关系的观点来学习电动势,可以使学生对电源电动势的理解深刻,同时也很好地培养学生的能量观点和模型构建等物理核心素养。
让学生经历科学的过程,在问题引导下,思路一环套一环的建立新的概念。
让学生通过计算理解电路中的能量转化,理解电功电能的关系,解决实际问题。
注重培养学生用能量观念去分析解决问题,促进学生核心素养的形成和发展。
提高学生灵活运用知识解决问题的能力,有助于培养学生的实践意识。
课后
巩固
作业
学生复习巩固本节知识,并独立完成教材P82《练习与应用》。
巩固知识
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- 电路中的能量转化 教学设计秋高中物理人教版必修三 电路 中的 能量 转化 教学 设计 高中物理 人教版 必修