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高二物理焦耳定律

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        第五節、焦耳定律(1課時)
一、教學目標
(一)知識與技能
1.理解電功、電功率的概念,公式的物理意義。了解實際功率和額定功率。
2.了解電功和電熱的關系。了解公式Q=I2Rt(P=I2R)、Q=U2t/R(P=U2/R)的適應條件。
3.知道非純電阻電路中電能與其他形式能轉化關系,電功大于電熱。
4.能運用能量轉化與守恒的觀點解決簡單的含電動機的非純電阻電路問題。
(二)過程與方法
  通過有關實例,讓學生理解電流做功的過程就是電能轉化為其他形式能的過程。
(三)情感態度與價值觀
通過學習進一步體會能量守恒定律的普遍性。
三、重點與難點:
 重點:區別并掌握電功和電熱的計算。
難點:主要在學生對電路中的能量轉化關系缺乏感性認識,接受起來比較困難。
四、教學過程:
(一)復習上課時內容
要點:串、并聯電路的規律和歐姆定律及綜合運用 。
  提出問題,引入新課
1.通過前面的學習,可知導體內自由電荷在電場力作用下發生定向移動,電場力對定向移動的電荷做功嗎?(做功,而且做正功)
2.電場力做功將引起能量的轉化,電能轉化為其他形式能,舉出一些大家熟悉的例子:電能→機械能,如電動機。電能→內能,如電熱器。電能→化學能,如電解槽。
  本節課將重點研究電路中的能量問題。
(二)新課講解-----第五節、焦耳定律
1.電功和電功率
(1).電功
  定義:電路中電場力對定向移動的電荷所做的功,簡稱電功,通常也說成是電流的功。用W表示。
  實質:是能量守恒定律在電路中的體現。即電流做功的過程就是電能轉化為其他形式能的過程,在轉化過程中,能量守恒,即有多少電能減少,就有多少其他形式的能增加。
 【注意】功是能量轉化的量度,電流做了多少功,就有多少電能減少而轉化為其他形式的能,即電功等于電路中電能的減少,這是電路中能量轉化與守恒的關鍵。
在第一章里我們學過電場力對電荷的功,若電荷q在電場力作用下從A搬至B,AB兩點間電勢差為UAB,則電場力做功W=qUAB。
對于一段導體而言,兩端電勢差為U,把電荷q從一端搬至另一端,電場力的功W=qU,在導體中形成電流,且q=It,(在時間間隔t內搬運的電量為q,則通過導體截面電量為q,I=q/t),所以W=qU=IUt。這就是電路中電場力做功即電功的表達式。
表達式:W = Iut ①
【說明】:①表達式的物理意義:電流在一段電路上的功,跟這段電路兩端電壓、電路中電流強度和通電時間成正比。
②適用條件:I、U不隨時間變化--恒定電流。
單位:焦耳(J)。1J=1V·A·s
(2)電功率
 、俣x:單位時間內電流所做的功
 、诒磉_式:P=W/t=UI(對任何電路都適用)②
  上式表明:電流在一段電路上做功的功率P,和等于電流I跟這段電路兩端電壓U的乘積。
③單位:為瓦特(W)。1W=1J/s
④額定功率和實際功率
額定功率:用電器正常工作時所需電壓叫額定電壓,在這個電壓下消耗的功率稱額定功率。
實際功率:用電器在實際電壓下的功率。實際功率P實=IU,U、I分別為用電器兩端實際電壓和通過用電器的實際電流。
這里應強調說明:推導過程中沒用到任何特殊電路或用電器的性質,電功和電功率的表達式對任何電壓、電流不隨時間變化的電路都適用。再者,這里W=IUt是電場力做功,是消耗的總電能,也是電能所轉化的其他形式能量的總和。
電流在通過導體時,導體要發熱,電能轉化為內能。這就是電流的熱效應,描述它的定量規律是焦耳定律。
學生一般認為,W=IUt,又由歐姆定律,U=IR,所以得出W=I2Rt,電流做這么多功,放出熱量Q=W=I2Rt。這里有一個錯誤,可讓學生思考并找出來。
錯在Q=W,何以見得電流做功全部轉化為內能增量?有無可能同時轉化為其他形式能?
英國物理學家焦耳,經過長期實驗研究后提出焦耳定律。
2.焦耳定律--電流熱效應
(1)焦耳定律
 內容:電流通過導體產生的熱量,跟電流強度的平方、導體電阻和通電時間成正比。
 表達式: Q=I2Rt ③
【說明】:對純電阻電路(只含白熾燈、電爐等電熱器的電路)中電流做功完全用于產生熱,電能轉化為內能,故電功W等于電熱Q;這時W= Q=UIt=I2Rt
(2)熱功率:單位時間內的發熱量。即P=Q/t=I2R ④
【注意】②和④都是電流的功率的表達式,但物理意義不同。②對所有的電路都適用,而④式只適用于純電阻電路,對非純電阻電路(含有電動機、電解槽的電路)不適用。
  關于非純電阻電路中的能量轉化,電能除了轉化為內能外,還轉化為機械能、化學能等。這時W 》Q。即W=Q+E其它 或P =P 熱+ P其它、UI = I2R + P其它
引導學生分析P56例題(從能量轉化和守恒入手)如圖
  再增補兩個問題(1)電動機的效率。(2)若由于某種原因電動機被卡住,這時電動機消耗的功率為多少?
最后通過"思考與討論"以加深認識。注意,在非純電阻電路中,歐姆定律已不適用。
(三)小結:對本節內容做簡要小結。并比較UIt和I2Rt的區別和聯系,從能的轉化與守恒的角度解釋純電阻電路和非純電阻電路中電功和電熱的關系。在純電阻電路中,電能全部轉化為電熱,故電功W等于電熱Q;在非純電阻電路中,電能的一部分轉化為電熱,另一部分轉化為其他形式的能(如機械能、化學能),故電功W大于電熱Q。
(四)鞏固新課:
  1、復習課本內容
2、完成P57問題與練習:作業2、4,練習1、3、5。建議在對1的證明后,把相應的結論歸入串、并聯電路的規律中。
  補充練習:某一用直流電動機提升重物的裝置如上圖所示,重物質量m=50kg,電源提供恒定電壓U=110V,不計各處摩擦,當電動機以v=0.90m/s的恒定速度向上提升重物時,電路中電流強度I=5A,求電動機線圈電阻R(g=10m/s2)。(4Ω)

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