5.1 电路中的能量 教学设计-2026-2027学年高二上学期物理粤教版必修第三册

该高中物理教学设计聚焦电路中的能量转化，涵盖电功与电功率、焦耳定律、闭合电路能量平衡三大核心模块。通过类比重力做功引入电场力做功，衔接学生已有功能转化认知，为公式推导和实验探究搭建学习支架。 特色在于微观建模与实验探究深度融合，借助导体微观导电示意图推导电功公式，结合焦耳定律煤油升温对照实验培养科学思维与探究能力。区分纯电阻与非纯电阻电路，通过电动机例题辨析公式适用条件，融入课程思政培养科学态度与社会责任。为教师提供分层教学资源，助力学生建立能量守恒观念，提升分析解决问题能力。

教学设计 课程名称 电路中的能量 选用教材 高中物理粤教版必修三 教学章节 第五章第一节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节是电能与能源章节核心理论课，分为电功与电功率、焦耳定律、闭合电路整体能量转化三大模块，配套导体导电微观示意图、焦耳定律实验装置与实验电路图两张配图搭建教学体系。第一板块类比重力做功引入电场力做功，推导电功、电功率通用公式，明确电功是电路消耗的总电能；第二板块借助煤油升温对照实验，定量探究电流发热影响因素，给出焦耳定律发热公式，区分纯电阻、非纯电阻电路能量转化差异，对比总功率与热功率适用条件；第三板块结合闭合电路欧姆定律推导电源总功率、外电路功率、内阻热功率平衡关系式，结合电动机、电饭煲例题直观对比两类电路能量分配。整节课打通恒定电流全部公式体系，建立电能多元转化的能量守恒观念，区分电热类纯电阻、电机类非纯电阻电路计算逻辑，是后续电源效率、新能源电路分析的理论基础。 二、学情分析 1. 知识储备 学生熟练掌握欧姆定律、串并联电路规律、闭合电路欧姆定律；知道重力做功对应重力势能变化，具备功能转化基础认知；能计算简单电阻电路电压、电流；但不理解电功本质是电场力搬运电荷做功；无法区分电功总电能与电阻发热内能；不清楚电动机等非纯电阻电器不能套用欧姆定律推导电热变形公式；容易混淆通用功率公式与热功率公式适用范围。 2. 能力现状 学生具备导体微观导电示意图、焦耳定律实验装置与电路图两类配图读图能力，但能量转化逻辑推导能力薄弱；纯电阻、非纯电阻电路公式选择辨析不足；实验现象定量分析、多公式区分选用的计算探究能力偏弱。 3. 思维认知痛点 学生存在典型直观误区：所有电路都可以用欧姆定律替换电功公式；电动机消耗电能全部转化为热量；电功率与热功率两个公式含义完全相同；电源内阻不消耗电能；电流做功只和电压、电流有关，与通电时长无关。 三、教学目标 1. 物理观念 建立电路能量守恒完整观念：电功本质是电场力对自由电荷做功，数值等于电路消耗总电能；电功率描述电能消耗快慢；纯电阻元件电能全部转化为内能，满足电热等于电功；电动机、电解槽等非纯电阻电器电能分为内能与机械能 / 化学能两部分，电热仅为其中一部分；闭合电路中电源提供的总电功率等于外电路消耗功率与内阻发热功率之和，电动势代表电源转化其他能量为电能的本领。 2. 科学思维 依托导体微观导电示意图建立电功微观做功建模思维；借助力焦耳定律实验装置与电路图建立电热定量探究对比思维，两类思维同步开展训练。 3. 科学探究 观察导体内部电荷定向移动示意图，推导电功、电功率原始公式；分组完成焦耳定律煤油升温对照实验，改变电流、电阻、通电时长观察温度变化，归纳焦耳定律定量关系；结合电动机、电饭煲例题对比纯电阻、非纯电阻计算差异；利用闭合电路电势关系推导全电路能量平衡方程；完整经历 “微观理论推导电功→对照实验得出焦耳定律→区分两类电路能量转化→闭合电路总能量守恒推导” 完整探究流程。 4. 科学态度与责任 电热设备广泛用于生活生产，电机设备支撑工业制造，电能多元转化推动社会生产生活发展；焦耳通过大量定量实验总结电热规律，体现持之以恒、严谨定量实验的科学探究精神；生活中大功率电器线路发热存在火灾隐患，掌握电热规律可以安全规范用电；优化电器能量转化效率能够节约电能，助力低碳可持续能源发展。 四、教学重难点 重点 1. 电功、电功率通用公式，焦耳定律发热公式 2. 纯电阻与非纯电阻电路能量转化、公式选用区分 3. 闭合电路总功率、外功率、内阻热功率平衡关系 难点 1. 非纯电阻电路不能使用欧姆定律变形电热公式的原理理解 2. 电功率P=UI与热功率P=I2R物理意义、适用条件辨析 五、教学方法 类比讲授法：重力做功类比电场力做功，引入电功概念； 实验探究法：焦耳定律煤油升温对照实验，控制变量探究电热影响因素； 公式推导法：由电荷定义、电场力做功依次推导电功、电功率、全电路能量方程； 对比辨析法：横向对比纯电阻、非纯电阻电路能量分配与公式； 例题分析法：电动机、电饭煲典型例题拆解计算逻辑。 六、教学资源 粤教版必修三第五章第一节配套配图：导体两端电压微观导电示意图、焦耳定律实验装置实物图与分压分流实验原理图；焦耳定律成套实验器材、煤油、温度传感器、数据采集器、学生电源、不同阻值电阻；电动机、电饭煲参数例题素材；电功、焦耳定律分层计算练习卷。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 类比导入，推导电功与电功率公式（12 分钟）  生活类比情境导入课堂：同学们生活中大量电器依靠电能工作，电饭煲把电能变成热能、洗衣机把电能转化为机械能，能量转化的本质是电场力对电荷做功，我们类比之前学过的重力做功，重力做功对应重力势能转化，电场力做功对应电能转化，电场力做的功我们定义为电功，今天定量研究电功、功率与电路能量转化规律。 展示导体电荷定向移动示意图 细致讲解图中物理过程：导体两端施加电压 U 后，内部自由电荷在电场力牵引下定向移动形成电流 I，一段时间内大量电荷从导体一端移动至另一端，电场力持续对电荷做功，消耗电能。向全班出示教材讨论思考题：电流通过导体做的电功和哪些物理因素存在关联？引导学生结合图中电压、电流、电荷移动过程猜想影响因素。  分步完整推导电功核心公式：首先回顾电流定义，一段时间 t 内导体横截面通过的总电量满足q=It；电场力做功基础表达式为W=qU，将电量代入电场力做功公式，替换 q 得到电功完整表达式： (W=UIt) 细致解读公式物理含义：一段电路电功大小由电路两端电压、电路电流、通电时间三个物理量共同决定，国际单位制中电功单位为焦耳。  过渡引入电功率概念：不同用电器消耗电能快慢存在明显区别，我们用电功率描述电流做功的快慢，定义为电流做功与做功时间的比值，书写基础定义式P=W/t，将电功公式代入推导，得到电功率核心表达式： (P=UI) 说明电功率国际单位为瓦特，常用单位千瓦，二者换算关系为 1 千瓦等于 1000 瓦特。出示教材讨论交流问题：(P=UI)和P=W/t)两个表达式物理意义是否完全相同？组织学生同桌之间短暂交流思考，预留两分钟梳理思路。  跟随教师类比重力做功的能量转化逻辑，理解电场力做功是电能转化的根本原因，观看导体电荷定向移动示意图，看清电压驱动电荷定向移动形成电流的完整过程，结合图中物理量猜想电功和电压、电流、通电时间有关。  在草稿纸上同步跟随教师分步推导电功公式，先写下电流定义式，再代入电场力做功表达式完成替换，完整记录推导步骤，记住电功公式以及三个影响物理量，理解焦耳作为电功单位的物理定义。  记录电功率定义，同步完成电功率公式推导，区分定义式P=W/t、计算式P=UI；同桌二人相互交流两道功率公式的区别，梳理思路，准备后续课堂发言，区分描述做功快慢的定义式与电路定量计算式。 环节二 焦耳定律分组实验，推导电热公式（16 分钟） · 过渡衔接：电流通过金属导体时，自由电子和原子碰撞，电能会转化为内能产生热量，我们通过数字化定量实验探究产生热量的影响因素。 · 展示焦耳定律实验装置实物图 · 讲解整套实验器材组成：包含学生电源、多组密封煤油容器、不同阻值定值电阻、温度传感器、数据采集器与计算机，煤油吸热后温度变化能够直观反映电阻产生热量多少，相同质量、同种煤油吸收热量多少和温度升高量成正比。 · 继续展示焦耳定律实验原理图 · 讲解电路控制变量设计思路：电路分为两条支路，一条支路串联 20 欧、10 欧、10 欧三只电阻，另一条支路单独并联 20 欧电阻；串联支路电流处处相等，可以对比 20 欧、10 欧电阻升温差异，控制电流、时间不变研究电阻对电热的影响；两支路两端电压相等，20 欧电阻一条支路电流更小、另一条支路电流更大，控制电阻、时间不变研究电流对电热的影响；固定电路通电时长，控制电流、电阻不变研究通电时间的影响，完整实现三组对照实验。 · 演示实验操作流程：第一步按照原理图连接电路，温度传感器插入煤油容器，接通数据采集器与计算机；第二步闭合开关固定通电时长三分钟，计算机自动记录四只容器内煤油实时温度；第三步断开开关，导出温度变化数据，对比各组温度升高数值，分析电热与电流、电阻、时间的定量关系。组织各小组领取器材，按照控制变量思路完成分组实验，如实记录温度变化数据。 · 汇总全班实验数据，归纳实验结论：实验数据清晰证明，导体通电产生的热量和电流平方成正比、和电阻成正比、和通电时间成正比，这一规律就是焦耳定律。分步理论推导焦耳定律公式：纯电阻电路中电场力做功全部转化为内能，电热等于电功，即Q=W，将电功公式(W=UIt)与欧姆定律U=IR联立替换电压，得到焦耳定律核心公式： · (Q=I2Rt) · 基于焦耳定律推导热功率表达式，热功率为单位时间导体产生热量，代入热量公式得到： · (P=I2R) · 细致区分两类电路能量转化特点：纯电阻用电器如电炉丝、电热毯，电能全部转化内能，此时(P=UI)与(P=I2R)数值完全相等；电动机、电解槽这类非纯电阻设备，电能一部分转化内能，其余转化机械能、化学能，总电功数值一定大于产生的热量，两个功率公式数值不相等。再次抛出讨论问题：(P=UI)和(P=I2R)意义是否相同，什么条件下二者数值相等？引导学生结合纯、非纯电阻电路分类总结。 · 观看焦耳定律实验装置实物图与实验原理图，理清控制变量实验的电路设计逻辑，分清串联支路对比电阻、并联支路对比电流的两组对照方案，明白煤油温度变化可以定量反映产生热量多少，完整记录三组实验控制变量思路。 · 小组分工搭建实验电路，连接温度传感器、数据采集设备，严格按照演示流程完成三分钟通电实验，观察计算机实时温度曲线，实验结束导出各组煤油升温数值，填写实验数据记录表，小组内对比升温差值，自主归纳电流、电阻、通电时间对电热的影响规律。 · 跟随教师联立电功、欧姆定律完整推导焦耳定律公式，在草稿纸上书写全部推导步骤，记住焦耳定律表达式与热功率公式；小组内区分电热毯、电风扇两类用电器，讨论纯电阻、非纯电阻能量转化差异，梳理两道功率公式意义、数值相等的限定条件，主动举手分享小组讨论结论。 环节三 闭合电路能量平衡推导，电动机、电饭煲例题分层计算（12 分钟）  结合闭合电路电势升降关系 等式两侧同乘电流推导全电路能量平衡式 逐项解读：左侧EI为电源总功率，是其他能量转化为电能的总速率；右侧第一项外电路消耗功率，第二项内阻热功率，电源总功率等于内外电路消耗功率之和。  展示教材两道典型例题，分步板书计算：第一题电动机，代入电压、电流算出总电功，仅用线圈电阻、电流计算发热热量，差值为转化的机械能；第二题电饭煲纯电阻电路，电功数值与发热热量近似相等，电能几乎全部转化为内能。  简短同桌思辨讨论：电源电动势越大，相同电流下电源总功率如何变化？电动机线圈电阻不变，增大工作电流，发热热量会怎样变化？  整合讨论结论：电动势表征电源供能本领，同等电流下电动势越高，单位时间转化电能越多；电热与电流平方成正比，电流小幅提升会造成热量大幅增加，大功率电机过载易过热损坏。 · 跟随教师推导闭合电路能量平衡方程，区分电源总功率、外电路功率、内阻热功率；对照例题分步演算，自主总结纯电阻、电动机两类题型解题步骤。 · 整理能量守恒完整逻辑：电源提供电能，在外电路分为内能、机械能等多种形式，内阻单独消耗电能转化为热量。 环节四 分层习题整体复盘（10 分钟）  完整梳理本节课三层主线：微观推导电功、电功率通用公式；控制变量实验得出焦耳定律，区分电功率与热功率适用条件；闭合电路能量平衡推导，结合例题对比纯电阻、电动机能量分配。  出示四道分层课堂思考题： ① 电功、电功率分别描述什么物理过程，对应的原始公式是什么？ ② 焦耳定律的定量表达式是什么？实验中通过什么现象反映产生热量多少？ ③ P=UI与P=I2R物理意义是否相同？分别适用于什么场景？ ④ 闭合电路能量平衡方程如何推导？三项功率分别代表什么能量转化？  带领学生复盘本节课两张配图核心：导体微观示意图理解电功微观成因；焦耳定律成套实验图掌握控制变量探究电热规律，串联理论推导、实验验证、全电路能量守恒完整探究逻辑。  逐条板书梳理本节课典型认知误区：电动机可直接用欧姆定律变形算热量；电功率与热功率含义完全一致；通电时间不影响总电功；电源内阻不消耗电能；所有电器电能全部转化为内能，逐条回顾纠正。  布置分层课后作业：基础作业抄写电功、电功率、焦耳定律、全电路能量平衡公式，标注适用条件；提升作业独立完成四道思考题，完整书写微观做功、实验规律、公式辨析、能量推导过程；拓展作业查阅工业大功率电机散热设计科普短文。 · 独立动笔完成四道分层思考题，完整书写微观导电、实验探究、公式辨析、能量守恒推导过程，对照两张配图自查错题，非纯电阻公式选用、能量平衡方程模糊知识点做好标记。 · 在课本记录五类认知误区，标注对应纠正知识点，规避电热、功率综合计算题公式错用问题。 · 分层完成课后任务，区分概念识记、综合推导、工业电机科普拓展三类作业。 环节五 课堂收尾 · 回扣开篇导体微观导电示意图总结：本节课从电荷微观移动推导电功、电功率通用公式，通过煤油升温对照实验得到焦耳定律电热规律，严格区分总电功率与电阻热功率适用场景；结合闭合电路电势关系推导出全电路能量平衡方程，借助电动机、电饭煲例题分清纯电阻、非纯电阻电路能量分配差异，建立完整电路能量守恒体系。下一节学习电源输出功率与效率，进一步分析供电电路能量利用优化问题。 · 完整回顾本节课全部核心内容：电功电功率微观推导、焦耳定律实验与公式辨析、闭合电路整体能量平衡、两类用电器计算区分，记住两张教材配图完整探究主线，建立电路能量转化完整理论知识体系，做好新课预习。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托导体微观导电示意图、焦耳定律实验成套装置两组素材，沿着微观理论推导、定量科学实验、生活工业应用、能源节约发展完整脉络落实育人目标。焦耳历经大量严谨定量实验总结电热规律，数十年坚持精确测量、反复对照数据，体现求真务实、持之以恒的科学探究精神；电热设备、动力电机广泛应用于家电、工厂生产线、新能源设备，电路能量转化理论支撑现代制造业与民生电气发展；大功率电机、电热设备过载发热存在火灾隐患，掌握焦耳定律可以规范安全用电，树立生命财产安全意识；区分总电能与无用发热内能，引导学生思考提升电器能量转化效率，节约电能、降低能源消耗，树立绿色低碳可持续发展理念。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课微观示意图、探究实验图直观易懂，学生对实验探究环节兴趣较高，但存在四类顽固认知误区与知识薄弱点：多数学生混淆电功率与热功率物理意义、适用条件；电动机非纯电阻电路公式选用极易出错；无法理解电源内阻持续发热消耗电能；忽略通电时长对总电功、总热量的影响；同时学生闭合电路能量平衡方程推导、两类电路计算题公式区分选用的文字推导、计算能力偏弱。 2. 修改措施 课前印发预习填空单，标注四大核心易错点：P=UI为总功率、P=I2R仅为热功率；电动机不能用欧姆定律变形算热量；电源内阻会发热消耗电能；电功、热量都与通电时间有关；课堂四轮抢答互动快速纠正直观认知误区；延长四人小组两张配图微观做功推导、焦耳控制变量实验讨论时长，帮扶公式辨析、能量平衡推导薄弱学生，整理纯 / 非纯电阻电路公式选用对比清单；课后配套分层作业夯实概念识记、综合推导、工业电机散热科普拓展；下一节课前两分钟快速复盘焦耳定律、全电路能量平衡关系，衔接电源输出功率新课学习。 学科网（北京）股份有限公司 $