第3节 电功与电热（表格式教学设计） 物理鲁科版2019必修第三册

第3节 电功与电热（教学设计） 年级 高二 学科 物理 教师 课题 第3节 电功与电热 教学 目标 物理观念 能理解电功、电热的定义及物理意义，明确两者的区别与联系（纯电阻电路与非纯电阻电路差异），建立“电流做功转化为能量，部分转化为电热”的能量观。 科学思维 能运用电功公式 、焦耳定律 进行定量计算，通过分析公式推导及电路能量转化过程，提升逻辑推理与能量守恒思维能力。 科学探究 能参与“探究电热与电流、电阻、时间关系”的实验（如焦耳定律实验），学会控制变量法和转换法的应用，能分析实验数据得出结论，提升科学探究能力。 科学态度 与责任 通过了解电功、电热在生活中的应用（如电热器、节能电器），认识合理利用电能、减少电热损耗的重要性，树立节约用电、绿色环保的责任意识。 教学重难点 1．掌握电功公式、焦耳定律及纯 / 非纯电阻电路的应用。（重点） 2．区分电功与电热，理解非纯电阻电路能量转化。（难点） 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 问题1：现代生活中随处都可以见到用电设备和用电器，例如电灯、电视、电热水壶、电动汽车等。那么，你知道这些用电器中的能量是怎样转化的吗? 思考并回答 新课讲授 一、电功和电功率 【问题1】在高一学习中，我们已经学习了功和能的关系，请同学们思考：功和能有什么关系？ 【问题2】那用电器在工作时，电能转化为其他形式能，是什么力做功使电能减少呢？ 分析：截取导线DE上非常短的一段导线将它放大，以其中一个自由电荷为例，请思考自由电荷在什么力作用下定向移动呢？ （可见电能转化为其他形式能，是电场力对自由电荷做功实现的，这一过程我们也称为通过电流做功实现。） 引导学生总结电流做功的实质。 （2）创设情境，让学生推导电功表达式：电路两端电压为U，电路中电流大小为I，电荷从左向右定向移动，经过这段电路时间记为 。请同学们尝试推导电功表达式。 【问题3】某同学发现家里的电饭锅上有两个档位，分别是快炖和慢炖，这两个档位的本质区别是什么呢？这位同学说两个档位的电功不同，这种说法正确吗？ 电功率：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 U 与电流 I 的乘积。 公式：P ＝ UI 单位：瓦特（W）、千瓦（kw） 新课讲授 二、焦耳定律 动画模拟电热水器烧水过程。 （电热水器工作时，消耗电能，转化为加热管内能，对水加热，使水温度升高，忽略能量损失，电流通过电热水器的电热元件做功时，电能全部转化为导体的内能。）像电热水器这样的用电器消耗电能全部用于增加内能，我们可以从能量转化与守恒的角度来推导热量的表达式。 设通过电热水器的电流大小为I，加热管的电阻大小为R，电热水器通电时间为t，推导电热水器产生的热量Q的表达式。 【问题4】电热水器消耗的电能等于导体内能的增加，所有用电器的工作过程中能量转化都是如此吗？电功和产生热量一定相等吗？例如前面举例中谈及的电吹风机，它在工作时，消耗的电能等于增加的内能吗？ （1）从概念物理意义区分 电功是电流做功消耗电能，用来计算， 焦耳定律计算的是导体生热，只是电能转化为内能的那部分能量， 对于电热水器，电能和内能相等，而对于电吹风机，消耗电能转化为机械能和内能，所以应该有W>Q （2）推导P电、P机、P热 的关系 P电=P机+P热 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。设电动机线圈的电阻为R，可知 P热=R =P损 【问题5】生活中有很多的用电器，我们学习完本节知识后，大家可以尝试在家庭中找一些用电器的说明书来研究，看一看你能看懂哪些参数了呢？比如一位同学在家中找到了一份洗衣机的说明书，翻到了洗衣机的相关参数这一页。他注意到了这三项内容，耗电量，每工作一个周期耗电量的单位是千瓦时，还注意到这样两个功率值，洗涤消耗功率，和加热消耗功率，对此提出了两个疑问 （1）kWh是能量单位还是功率单位？ （2）进一步研究说明书，加热消耗功率为此功能下总功率，该洗衣机加热洗涤是在原电动机电路基础上并联一个电阻丝进行加热能否估算一下该洗衣机在加热洗涤时，所用加热的电阻丝的电阻约为多少？ 【例题1】扫地机器人是智能家用电器的一种，能凭借一定的人工智能，自动在房间内完成地板清理工作。若机器人直流电动机的额定电压为U，额定电流为I，线圈电阻为r，当它正常工作时，下列说法正确的是（　　） A．电动机的电流 B．电动机消耗的电功率 C．电动机输出的机械功率为 D．电动机产生的热量 【答案】BC 【详解】AC．电动机是非纯电阻，根据能量守恒有 即 明显 得 电动机输出的机械功率为 故A错误，C正确； B．经过时间t，电动机消耗的电能为 电动机消耗的电功率为 故B正确； D．经过时间t，电动机产生的热量为 故D错误。故选BC。 针对训练1 周老师在优质课展示活动中做了“电池+口香糖锡纸=取火工具”的实验（如图甲），实验前将口香糖锡纸中间剪掉一些（如图乙），将锡纸条带锡面的一端接在电池的正极，另一端接在电池的负极，发现锡纸条很快开始冒烟、着火，下列说法正确的是（　　） A．此实验中使用旧电池效果更好 B．此实验利用了电流的热效应，a段最先燃烧 C．此实验利用了电流的热效应，c段最先燃烧 D．若，则a段电阻最小，c段电阻最大 【答案】B 【详解】A．此实验中使用老旧电池效果没有新电池好，因为老旧电池的内阻比较大，使得电路电流较小，电流的热效应不明显，故A错误； BCD．根据电阻定律 若，材料相同，则电阻率相同，a段横截面积最小，c段横截面积最大，则a段电阻最大，c段电阻最小；此实验利用了电流热效应，根据 由于电流相等，a段电阻最大，则a段的功率最大，a段最先燃烧，故B正确，CD错误。 故选B。 依据生活实际思考问题 用本节所学物理知识读懂用电器说明书，提高知识的实际运用能力 课 堂 练 习 课 堂 练 习 1.我国某品牌的电动汽车使用磷酸铁锂电池，其续航里程可达400公里。已知某节磷酸铁锂电池放电电压为2.5 V，容量为300 A·h，则该节电池储存的电能约为(　　) A．750 kW·h B．75 kW·h C．7.5 kW·h D．0.75 kW·h 【答案】　D 【详解】　电池储存电能E＝UIt＝2.5×300×10－3 kW·h＝0.75 kW·h，故选D。 2.如图所示，电阻R和电动机M串联接到电路中，已知电阻R跟电动机M线圈的电阻相等，开关闭合后，电动机正常工作，设电阻R和电动机两端的电压分别为U1和U2；经过时间t，电流通过电阻R做的功为W1，产生的热量为Q1；电流通过电动机M做的功为W2，产生的热量为Q2，则有(　　) A．U1＝U2，Q1<Q2 B．W1<W2，Q1＝Q2 C．W1<W2，Q1<Q2 D．U1>U2，Q1＝Q2 【答案】　B 【详解】　电阻R和电动机M串联，流过两用电器的电流相同。电阻R跟电动机M线圈的电阻相等，则由焦耳定律可知两者产生的热量相等，则Q1＝Q2，电动机正常工作时为非纯电阻用电器，消耗的电能绝大部分转化为机械能，所以电流通过电动机M做的功要大于电流通过电阻R做的功，则W1<W2，又U1＝IR，U2>IR，则U1<U2，故选B。 13.如图所示，有一内电阻为的电解槽和一盏标有“”的灯泡串联后接在电压为的直流电路两端，灯泡正常发光，则(　　) A.电解槽消耗的电功率为 B.电解槽的发热功率为 C.电解槽消耗的电功率为 D.电路消耗的总功率为 【答案】C  【详解】灯泡正常发光，说明电解槽和灯泡两端电压均为，且电流，则电解槽消耗的功率，对，错； 电解槽的发热功率，错； 整个电路消耗的功率，D错误。 4.现有标有“110 V　40 W”的灯泡L1和标有“110 V　100 W”的灯泡L2及一只最大阻值为500 Ω的滑动变阻器R，将它们接在220 V的电路中，在如图所示的几种接法中，两个灯泡可以正常发光，且整个电路消耗功率最小的是(　　) 【答案】　C 【详解】　L1(110 V　40 W)和L2(110 V　100 W)的额定电压相同，由P＝可知R1>R2，A图中由串联电路电流相等，两灯的电压不相等，可知图中L1、L2一定不会同时正常发光，故A错误； D图中灯L2与滑动变阻器并联，总电阻小于L2的电阻，所以灯L2两端的电压小于灯L1两端的电压，图中L1、L2一定不会同时正常发光，故D错误； 由并联电路电压相等特点可知B图中L1、L2电压相等，两灯可以正常发光，P总＝2(P1＋P2)；C图中L1与滑动变阻器并联，总电阻小于L1的阻值，可能与L2的阻值相等，则两灯可以正常发光，P总′＝2P2，所以P总>P总′，所以消耗功率最小的是C图电路，故选C。 5．如图所示，由同种材料制成的、长度相同的两段导体A、B，已知横截面积，给A、B中通以大小相等的稳恒电流时，电荷定向移动速率分别为、，两端电压分别为、，电功率分别为、，相同时间内产生的热量分别为、，不考虑温度对电阻的影响，下列说法正确的是（　　） A． B． C． D． 【答案】D 【详解】根据电阻定律 由于材料相同，长度相同，横截面积，则有；由题意可知，根据 ，，， 可知 ，，， 故选D。 6.如图甲是我国自行研制的CPU“龙芯”系列。图乙中，R1和R2是两个材料相同、厚度相同、表面为正方形的芯片内部电阻，R1的表面边长为R2的两倍。现给R1、R2通以相同的电流I，则R1与R2相比（　　） A．电阻率 B．两端电压U1=U2 C．相同时间内产生的焦耳热Q1>Q2 D．相同时间内通过的电荷量q1>q2 【答案】B 【详解】A．两电阻材料相同，则电阻率 选项A错误； B．根据 可知 因电流相同，可知两端电压 U1=U2 选项B正确； C．根据 Q=I2Rt 可知，相同时间内产生的焦耳热 Q1=Q2 选项C错误； D．根据 q=It 可知，相同时间内通过的电荷量 q1=q2 选项D错误。 故选B。 7.2023年9月24日到26日，先进电子材料创新大会在深圳某酒店胜利召开，大会聚焦于“新材料与产业发展新机遇”，瞄准全球技术和产业制高点。某材料研究所把两根不同新材料做成的电阻丝分别接入电路中，A电阻丝电阻率恒为，长为L，直径为D；B电阻丝电阻率恒为，长为4L，直径为4D。下列说法正确的是(　　) A．当时，两电阻丝两端的电压相等 B．当时，两电阻丝中通过的电流相等 C．当时，两电阻丝消耗的功率相等 D．当时，两电阻丝消耗的功率相等 【答案】AC 【详解】两电阻丝的阻值分别为 ， 即 A．当时，根据 得两电阻丝两端的电压相等，A正确； B．当时，根据 得 B错误； C．当时，根据 得 两电阻丝消耗的功率相等，C正确； D．当时，根据 得 D错误。 故选AC。 8.如图所示，A为电解槽，M为电动机，N为电炉子，恒定电压U＝12 V，当S1闭合，S2、S3断开时，电流表示数为6 A；当S2闭合，S1、S3断开时，电流表示数为5 A，且电动机的电阻rM＝1 Ω；当S3闭合，S1、S2断开时，电流表示数为4 A，且电解槽电阻rA＝2 Ω。求： (1)电炉丝的电阻及发热功率； (2)电动机的机械效率； (3)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率。 【答案】　(1)2 Ω　72 W　(2)58.3 %　(3)16 W 【详解】　(1)当S1闭合，S2、S3断开时，电炉子接入电路。电炉丝为纯电阻元件，由欧姆定律得电炉丝的电阻R＝＝ Ω＝2 Ω 电炉丝发热功率 P＝UI1＝12×6 W＝72 W (2)当S2闭合，S1、S3断开时，电动机接入电路，电动机为非纯电阻元件，有 I2U＝I22rM＋P输出 η＝×100%＝×100%≈58.3% (3)当S3闭合，S1、S2断开时，电解槽接入电路，电解槽为非纯电阻元件，则有P化学＝I3U－I32rA 代入数据解得P化学＝(4×12－42×2) W＝16 W。 板 书 设 计 3.3电功与电热 1.电功：W=UIt（适用于一切电路） 2.电功率：描述做功的快慢P=UI 3.焦耳定律：总热量Q=I2 R t（适用于产生电热的电路） 4.热功率：P热=I2 R （仅适用产生电热的电路） 5.电路中的能量转化：P电=P机+P热 课 堂 小 结 一、电功：，适用于一切电路 ，适用于纯电阻电路 二、电功率：做功的快慢，，适用于一切电路 ，适用于纯电阻电路 三、焦耳定律：电热：；热功率：；适用于一切电路。 四、非纯电阻电路： 作 业 布置 1.分别用公式W=UIt和Q=I²Rt计算同一电热水壶（220V，5A）工作10分钟的电功与电热，说明结果差异的物理意义（需列单位换算过程）。 2.记录家中高/低功率电器（如空调与台灯）的铭牌参数，结合电功公式分析两者耗电量差异的原因（100字内结论）。 3.用温度计测量通电电阻丝（或旧电热毯片段）的升温现象，定性说明电流热效应； 查阅“超导体零电阻特性”，列举其减少电热损耗的一个应用实例（如MRI磁体）。 教学反思 本节通过对比实验与公式推导，学生基本掌握电功、电热的概念及计算式，能区分纯电阻与非纯电阻电路的能量转化差异。但部分学生对 与 的适用条件混淆，尤其在分析电动机等非纯电阻电路时易出错。实验环节中，学生对能量转化的观察不够细致。后续需增加电路类型对比案例，结合实物演示强化能量转化分析，通过错题辨析加深对公式适用范围的理解。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$