高中物理 电功和电功率教案 人教版二册.docx

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高中物理电功和电功率教案人教版二册

2019-2020年高中物理电功和电功率教案人教版二册

一、教学目标

1．理解电功、电功率的概念，公式的物理意义。

2．了解电功和电热的关系。

3．了解公式和的适用条件。

.4。

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。

5．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。

二、教学重点、难点分析

1．教学重点在于区别并掌握电功和电热的计算。

2．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。

3．疑点在于有的学生认为额定功率大的灯泡一定比额定功率小的亮。

4．解决办法

①通过实物展示，使学生理解电能与其他形式能的转化，加强电路中能量转化的感性认识。

②通过演示实验，使学生理解用电器的实际功率和额定功率的区别。

三、教学方法：

实验演示，启发式教学

四、教具：

灯泡“3.8V0.3A”、灯泡“220V40W”、灯泡“220V100W”、伏特表、电流表。

滑动变阻器（1.5A50Ω）、电源（6-8V）、电键、电吹风（带有“220V40W”标记）

幻灯片投影仪

五、教学过程：

（一）新课引入

在高一我们已经知道，能量是以不同的形式存在的，不同形式的能量可以相互转化，请同学们举出电能转化为其他形式能的例子。

电能→机械能，如电风扇、电吹风

电能→内能，如电热器电熨斗、电饭堡

电能→化学能，如电解槽

能量的相互转化是如何实现的？

能量的相互转化是通过做功来实现的，功是能转化的量度。

对于电能转化为其他形式的能，又是什么力做功来实现的？

如何来计算这种功的大小呢？

让我们一起来学习电功、电功率这一节内容。

（二）新课教学

1．电功和电功率

什么是电功？

其计算公式如何？

是如何得到的？

在导体的两端加上电压，导体内建立了电场。

自由电子在电场力的作用下定向移动，电场力对自由电子做了功，这个功简称为电功，通常说成电流做的功。

对一段导体而言，两端的电势差为U，把电荷q从一端搬到另一端，电场力做功W=qU，若在导体中形成电流I，则q=It（在时间t内，搬运的电量为q）

∴W=qU=UIt就是电功的表达式

说明

（1）表达式的物理意义——电流在一段电路上的功跟这段电路两端的电压、电路中的电流强度和通电时间成正比。

（2）适用条件I、U不随时间变化——恒定电流

（3）单位W、U、I、t单位分别为焦耳、伏特、安培、秒

即1J=1V·A·s

（4）实质电能转化为其他形式的能，是通过电功来实现的。

电流做了多少功，就有多少的电能转化为其他形式的能。

什么是电功率，电功率的计算公式如何？

是如何得到的？

电功率是表示电流做功快慢的物理量。

即　p=W/t=UIt/t=UI

说明

（1）表达式的物理意义——一段电路上的电功率跟这段电路两端的电压和电路中的电流成正比。

（2）适用条件U、I不随时间变化

（3）单位P、U、I单位分别为瓦特、伏特、安培

即　1W=1J/s

（4）实质表示电能转化为其他能的快慢程度。

由公式P=UI可知，随着U、I的增大，P也将增大，P是否可以无限增大呢？

首先我们要弄清额定功率和实际功率的概念。

额定功率是指用电器在额定电压下工作的功率，是用电器正常工作的最大功率。

实际功率是指用电器在实际电压下工作的实际的功率。

电路图中各元件，小灯泡标有“3.8V0.3A”标记。

出示画有右图的幻灯片，引导学生按电路图接好电路

（提醒学生注意伏特表、安培表的正负极及滑动变阻器的接法）

讲清实验目的是测量小灯泡在不同的电压下工作的实际功率。

调节滑动变阻器，使伏特表读数分别为2.0V、3.0V和3.8V观察灯泡亮度的变化，并在图中记下安培表的对应值，请计算这三次的小灯泡的电功率P1、P2、P3

即　P1=U1I1=2.0×0.22W=0.44W

P2=U2I2=3.0×0.28W=0.84W

P3=U3I3=3.8×0.30W=1.14w

①P1、P2、P3是小灯泡在U1=2.0V、U2=3.0V、U3=3.8V的电压下工作的实际功率，在这三种情况下，灯泡都能正常工作。

②由计算可知P1＜P2＜P3，而灯泡的亮度也逐渐变亮，可见灯泡的亮度由实际功率判断。

③小灯泡上的标记“3.8V0.3A”指的是小灯泡的额定电压和额定电流。

可见P3是这只小灯泡的额定功率，当U=3.8V时，灯泡的实际功率等于额定功率。

出示220V100W、220V、40W灯泡，并说明“100W、40W”分别是它们的额定功率。

说明一般家用电器的额定功率，如电吹风“220V400W”、白炽灯“220V60W”、空调“220V800W3000W”，饮水机（制冷500W、制热100W），电饭褒“220V1200W”等，提醒学生节约用电、节约电能。

是不是额定功率大的灯泡比额定功率小的灯泡一定亮呢？

出示“3.8V0.3A”灯泡和“2.5V0.3A”小灯泡，计算它们额定电功率分别为P1=3.8×0.3W=1.14W，P2=2.5×0.3W=0.75W。

把“3.8V0.3A”的灯泡接入电路，使伏特表示数为2.0V。

再把“2.5V0.3A”的小灯泡接入电路，使伏特表示数2.5V，观察灯泡的明亮程度。

灯泡明亮程度由其实际功率决定，与额定功率无关。

加给用电器的电压，可不可以超过额定电压呢？

继续做上述实验，减少变阻器的阻值，观察伏特表、安培表的示数和小灯泡的亮度，当伏特表的读数约为5.2V时，小灯泡熄灭。

加在小灯泡的电压比额定电压大不多时，随着电压的增大，灯泡越来越亮，说明灯泡的实际功率超过了额定功率，并在逐渐增大。

当电压增到一定值时，灯丝被烧断。

实验说明，加给用电器的电压不应超过额定电压，否则就有可能使用电器损坏。

从这个实验中我们得到什么启示？

我们在使用电器的时候，一定要先检查实际电压是否符合额电电压，保证用电安全。

2．电功率和热功率

电流在通过导体时，导体要发热，电能转化为内能。

这就是电流的热效应，描述它的定量规律是焦耳定律。

学生一般认为，W=IUt，又由欧姆定律，U=IR，所以得出W=I2Rt，电流做这么多功，放出热量Q=W=I2Rt。

这里有一个错误，可让学生思考并找出来。

错在Q=W，何以见得电流做功全部转化为内能增量？

有无可能同时转化为其他形式能？

英国物理学家焦耳，经过长期实验研究后提出焦耳定律。

（1）内容：

电流通过导体产生的热量，跟电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比。

（2）表达式：

Q=I2Rt

对于纯电阻导体而言，根据欧姆定律，U=IR，所以Q=I2Rt=I·IRt=IUt=W，电流做功完全用来生热，电能转化为内能。

说明：

焦耳定律表明，纯电阻电路中电流做功电能完全转化为内能，且电热Q=I2Rt。

（3）简单介绍产生焦耳热的原因：

金属中自由电子在电场力作用下定向移动，由于电场力做功，电子动能增加，但不断地与晶格（原子核点阵）碰撞，不断把能量传给晶格，使晶格中各粒子在平衡位置附近的热运动加剧，从而温度升高。

（4）纯电阻电路中的电功和电功率

①电功W=Q=I2Rt，对所有电路中电阻的生热都适用。

结合纯电路电路欧姆定律　U＝IR，I＝

　　Q＝IUt＝＝

②电功率P＝＝，对所有电路中电阻的电热功率都适用。

结合纯电阻电路欧姆定律U=IR　

　　　P＝UI＝＝

（5）非纯电阻电路中的电功和电功率（以含电动机电路为例）

非纯电阻电路中，电能与其他形式能转化的关系非常关键。

以电动机为例，电动机电路如图所示，电动机两端电压为U，通过电动机电流为I，电动机线圈电阻为R，则电流做功或电动机消耗的总电能为W=IUt，电动机线圈电阻生热Q=I2Rt，电动机还对外做功，把电能转化为机械能，W′=W-Q=IUt-I2Rt，W′是电动机输出的机械能。

这是一个非纯电阻电路，可满足U=IR，且W′＞0，则有U＞IR。

考虑每秒钟内能量转化关系，即功率，只要令上述各式中t=1s即可，可得总功率P总=IU，电热功率P热=I2R，输出功率P出，三者关系是P总=P热+P出，即P出=IU-I2R。

（三）例题精讲

【例】某一用直流电动机提升重物的装置如上图所示，重物质量m=50kg，电源提供恒定电压U=110V，不计各处摩擦，当电动机以v=0.90m／s的恒定速度向上提升重物时，电路中电流强度I=5A，求电动机线圈电阻R（g=10m／s2）。

（4Ω）

（四）布置作业

1．把课本158页练习三

（2）、（3）、（5）题做在作业本上。

2．把课下完成练习三

（1）、（4）题做在课本上。

说明：

1．利用常用电器的展示，使学生回到日常生活，调动学生的学习兴趣和注意力。

2．引导学生观察演示实验，参与读数、记数，学会如何分析数据，处理问题得出结论。

2019-2020年高中物理电动势、闭合电路欧姆定律教案新人教版必修2

【教学结构】

一、电动势，是本部教材难点，交待清楚即可。

1．电源：

把其它形式的能转化为电能的装置。

电源的作用：

保持两极间有一定电压，供给电路电能。

2．电动势：

电源的属性，描述电源把其它形式能转化为电能本领的物理量。

在数值上就等于电源没有接入外电路时两极间电压。

用符号ε表示。

单位：

伏特，ν。

（1）电动势由电源自身决定，与外电路无关

不同类型的电源电动势不同，同种类型不同型号电源电动势相同。

（2）实验：

如图1所示电路。

过程：

断开电键，伏特表读数U，闭合电键，改变滑线变阻器阻值，R减小，对应伏特表读数，U1、U2、U3。

U为电源电动势，U大于U1、U2、U3，且U1＞U2＞U3

分析产生原因：

电源内电阻存在，且内阻r不变，大小由电源自身特点决定。

随着R变小，电路电流增大，电源内部电势降落增加，外电路电势降落降低。

（3）电源的电动势等于内、外电路上的电压之和

ε=U+U′，U外电路电压又称路端电压，U′电源内电路电压

分析U、U′的物理意义：

电源电动势反映电源的一种特性，它在数值上等于电路中通过1库仑电量时电源提供的电能。

（4）比较电动势和电压的物理意义。

电动势：

ε=。

w表示正电荷从负极移到正极所消耗的化学能（或其它形式能），ε表示移单位正荷消耗化学能（或其它形式能，反映电源把其它形式能转化为电能的本领）。

电压：

U=。

w表示正电荷在电场力作用下从一点移到另一点所消耗的电能，电压表示移动单位正电荷消耗的电能。

反映把电能转化为其它形式能的本领。

二、闭合电路欧姆定律，是本部教材重点应多下功夫。

1．闭合电路欧姆定律

ε=U+U′，I=或ε=IR+Ir，都称为闭合电路欧姆定律。

式中：

ε：

若电源是几个电池组成的电池组，应为整个电池组的总电动势，r为总内阻，R为外电路总电阻，I为电路总电流强度。

应注意：

ε=U+U′和ε=IR+Ir，两式表示电源使电势升高等于内外电路上的电势降落总和，ε理解为电源消耗其它形式能使电荷电势升高。

IR、Ir理解为在内外电路上电势降落。

（也称为电压降）

2．讨论路端电压，电路总电流随外电路电阻变化而变化的规律

根据：

ε=U+U′、U′=Ir、I=，ε、r不变

R↑→I↓，U↑、U′↓，当R→∞时，I=0、U=ε、U′=0（也称为断路时）

R↓→I↑，U↓、U′↑，当R=0时，I=（短路电流强度）U=0、U′=ε

3．在闭合电路中的能量转化关系

从功率角度讨论能量转化更有实际价值

电源消耗功率（有时也称为电路消耗总功率）：

P总=εI

外电路消耗功率（有时也称为电源输出功率）：

P出=UI

内电路消耗功率（一定是发热功率）：

P内=I2r

εI=UI+I2r

4．电源输出功率随外电路电阻变化关系

ε、r为定值，R为自变量，P出为因变量。

P出=UI=·R·=·R，讨论该函数极值可知，R=r时，输出功率有极大值；

P出=，电源输出功率与外阻关系图象如图2所示，R＜r时，随R增大输出功率增大，R=r输出功率最大，R＞r时，随R增大，输出功率减小。

三、电池组

只研究串联电池组

1．连接方法：

如图3所示，左侧电池正极与右侧电负极相连。

电池组的两

极即为最左侧电池的负极，最右侧电池的正极。

2．若每个电池电动势为ε0，内阻为r0，电池组共有几个电池，电池组的电动势，内阻分别为：

ε=nε0，r=nr0

3．电池组中有电池接反，若3个电池电动势均为1.5V，一个接反，则电池组的电动势为1.5V，电池组的内组反接无影响，r=nr0

4．不能用旧电池与新电池串联使用。

旧电池内阻是新电池内阻很多倍，因此在电路连通后，旧电池内阻的发热功率很大，得不偿失。

【解题要点】

例一．在闭合电路中（）

A．电流总是由高电势流向低电势

B．电流强度越大，电源输出功率越大

C．输出功率越大，电源效率越高

D．电源输出电压越大，电源效率越高

解：

在闭合电路中，外电路正电荷在电场力作用下由高电势流向低电势，而内电路则是非电场力。

电荷由低电势流向高电势，A选项不正确。

电源输出功率最大的条件是外电阻等于内电阻，此时是电压与电流乘积最大。

在R＞r的条件下，R越小，电流越大，输出功率越大，在R＜r时，R越小，电流强度越大，而输出功率越小，B选项错误。

电源输出功率为有用功率，电源消耗总功率为总功率，则

，输出功率最大时，R=r，效率只有50%，R＞＞r时，效率接近100%，而输出功率很小，C选项错误。

当外电阻R越大时，输出电压越大，电路效率越高，D选项正确。

记住，背会概念、规律不能准确解答本题，只有熟练掌握这些基本概念规则才有能力解答本题。

，以后可当作公式使用。

例二．关于电源和直流电路的性质，下列说法正确的是（）

A．电源短路时，电路电流为无穷大

B．电源短路时，路端电压为零，外电阻无穷大

C．外电路断路时，路端电压为最大，外电阻为零

D．外电路总电阻值增大时，路端电压也增大

解：

电源短路，即外电路电阻为零，根据全电路欧姆定律：

I=，ε、r均为有限值，电流强度也是有限值，不是无穷大。

因为r很小，I较大。

选项A是错的。

外电路电阻无穷大是错的，选项B是错的。

外电路断路时，路端电压最大是正确的，但外电阻为零是错误的，选项C是错误的。

外电路总电阻增大，电路电流强度减小，根据ε=U+Ir，∵I减小，Ir减小，ε不变，U增大，选项D是正确的。

闭合电路中随外电路电阻变化而路端电压、电流强度发生变化的规律必须熟练掌握。

例三．在图4电路中，当滑动变阻器滑动键P向下移动时，则（）

A．A灯变亮、B灯变亮、C灯变亮

B．A灯变亮、B灯变亮、C灯变暗

C．A灯变亮、B灯变暗、C灯变暗

D．A灯变亮、B灯变暗、C灯变亮

解：

滑动键P向下移动，变阻器电阻减小，外电路总电阻减小，根据I=，电路电流强度增大，灯A两端电压UA增大，而变亮，根据U=ε－Ir，路端电压变小，U=UA+UB，所以UB减小，灯B电阻不变，所以灯B电流强度IB减小，灯B变暗。

电路电流强度I=IB+IC因为I增大、IB减小，所以IC增大。

灯C应变亮，选项D是正确的。

综合例二、三的解答可知，处理这类型题目时，必须认清外电路电阻是自变量，根据闭合电路欧姆定律，判断电压、电流强度的变化。

例四．图5为两个不同闭合电路中两个不同电源的I—U图象，则下述说法正确的是（）

A．A．电动势ε1=ε2，发生短路时的电流强度

I1＞I2

B．电动势ε1=ε2，内阻r1＞r2

C．电动势ε1=ε2，内阻r1＜r2

D．当两个电源工作电流变量相同时，电源2的路端电压变化较大

解：

闭合电路的I—U图线，I是电路的总电流强度，U是路端电压，图象上图线与U轴交点物理意义是电路电流强度为零，属断路，路端电压即电源电动势，图线与I轴交点的物理意义是路端电压为零，属电源短路，交点坐标值即为短路电流，I=，即r=，可见图线的斜率的绝对值为电源的内电阻。

从坐标中看出图线1、2与U轴交于一点表明电动势ε1=ε2，图线1斜率比图线2斜率小，表明r1＜r2，图线1与I轴交点坐标大于图线2与I轴交点坐标。

表明I1＞I2。

可见选项A、C正确，两个电源电动势相等，内阻r1＜r2，当电流变化量△I1=△I2时，△I1r1＜△I2r2，即电源1内电压变化量小于电源2内电压变化量，所以电源2路端电压变化量大。

D选项正确。

答案为：

A、C、D

处理图象问题时，应认真分析图线，确定各特殊点的物理意义，能帮助你找到解题思路。

例五．在图6所示电路中，R1=10Ω，R2=60Ω，R3=30Ω，电源内阻与电表内阻均不计，当K1、K2都断开或都闭合时，电流表的读数相同，求电阻R4的阻值。

解：

K1、K2都断开时，电路为R1、R3、R4串联，电流

I1=ε/（R1+R3+R4）

K1、K2都闭合时，电路为R1、R2并联后与R3串联，电流表示数

I2=

根据题意：

I1=I2，则

解方程：

=5Ω

答：

电阻R4的阻值为5Ω。

本题的特点是电路是变化的，解答此类问题时关键是电路要清楚，然后根据电路特点处理问题。

例六．在图7的电路中，若R1=4Ω，R3=6Ω，电池内阻r=0.6Ω，则电源产生总功率为40W，而输出功率为37.6W，求电源电动势和电阻R2

解：

根据题目给出条件可知：

电源内电路发热功率I2r=40－37.6=2.4W

电路电流强度I==2A

电源产生总功率：

εI=40ε=20V

外电路总电阻：

R=

根据闭合电路欧姆定律ε=IR+Ir=2×（2.4+R2）+2×0.6=20，解得

R2=7Ω

使用内、外电路消耗电功率和电源产生总功率的关系是解答本题的关键，死记硬背是不能灵活使用这些规律的，必须深刻理解。

【同步练习】

1．在电源一定的电路里，下面说法正确的是（）

A．外电路电阻增加一倍，路端电压也增加一倍

B．电源电动势等于内电路与外电路的电压之和

C．外电路短路时，路端电压等于电源的电动势

D．路端电压一定大于内电路电压

2．图8所示为两个电源的特性曲线，即路端电压与电流的关系图象，比较这两个电源的电动势和内阻，正确的是（）

A．ε1＞ε2，r1＞r2B．ε1＞ε2，r1＜r2

C．ε1＝ε2，r1＞r2D．ε1＜ε2，r1＞r2

3．高压输电过程中，输电电压为U，输电功率为P，输电导线上电阻为R，则有（）

A．损失功率为U2/RB．损失功率为P2R/U2

C．电压损失为PR/UD．用户得到的功率为P－P2R/U2

4．在图9电路中，电源电动势是ε，内阻为r，当滑动变阻器R3的滑动头向左移动时（）

A．电阻R1的功率将增大B．电阻R2的功率将减小

C．电源的功率将加大D．电源的效率将增加

5．如图10所示ε=12V，R1=10Ω，R2=10Ω，电流表内阻不计，当滑动头P由A端滑到B端时，电流表的读数将由A变为A。

6．如图11所示，电池组电动势ε=14V，内电阻r=1Ω，电灯为“2V4W”，电动机的内阻r′=0.5Ω，当可变电阻器的阻值R=1Ω时，电灯和电动机都正常工作，求：

（1）电动机的额定电压U′及输出的机械效率。

（2）全电路工作半小时放出的热量。

7．如图12所示，ε=10V，R1=4Ω，R2=6Ω，C=30μF，电池内阻可忽略。

（1）闭合开关K，求稳定后通过R1的电流；

（2）然后将开关K断开，求这以后流过R1的总电量。

【参考答案】

1．B2．B3．B、C、D4．C5．1，0

6．

（1）U′=8VP出=14W

（2）Q=2.52×104J

7．

（1）1.0A

（2）Q=1.2×10－4C