电功率教案-(7)

1电功和电功率【教学目标】1、知识目标(1)理解电功的概念，知道电功是指电场力对自由电荷所做的功，理解电功的公式及表达式的物理意义，能进行有关的计算；(2)理解电功率的概念、公式及表达式的物理意义，能进行有关的计算；(3)知道电功率和热功率的区别和联系；(4)了解额定电压、额定功率、实际功率的意义；(5)知道电场力对自由电荷做功的过程是电能转化为其他形式能量的过程。2、能力目标(1)通过推导电功的计算公式和焦耳定律，培养学生的分析、推理能力；(2)通过灯泡工作功率的演示，培养学生观察能力和利用实验分析和处理实际问题的能力；(3)通过介绍用电器的额定电压、额定功率，使学生明白：选择用电器时一定要注意它的额定电压，从而培养学生学以致用的能力。3、德育目标(1)通过电能和其他能的转化和守恒规律的讲解进一步渗透辨论唯物主义观点的教育和节约能源勤俭节约的优良传统；(2)通过演示实验，加强学生对物理实验的重视，培养学生严谨求实的科学态度；(3)通过灯泡实际功率的演示，对学生进行安全意识教育。【教学重点】电功、电功率的概念、公式，掌握电功和电热的计算。【教学难点】电功率和热功率的区别和联系，加强对电路中能量转化关系的感性认识。【教学方法】等效法、类比法、比较法、实验法。【教具准备】灯泡（36V，18W）、电压表、电流表、电源、滑动变阻器、电键、导线若干、投影仪、投影片、玩具小电机。【课时安排】1课时【教学过程】一、导入新课问题：通过前面的学习，可知导体内自由电荷在电场力作用下发生定向移动，电场力对定向移动的电荷做功吗？做功，而且做正功。问题：电场力做功将引起能量的转化，用电器通电后，可以将电能转化成其他形式的能量，请同学们根据能量的转化情况列举生活中常用的用电器，举出一些大家熟悉的例子。电能→机械能，如电动机；电能→内能，如电热器；电能→化学能，如电解槽；2电能→光能，如电灯。用电器把电能转化成其他形式能的过程，就是电流做功的过程。电流做功的多少及电流做功的快慢与哪些因素有关呢？本节课我们学习关于电功和电功率的知识，重点研究电路中的能量问题。二、新课教学1、电功和电功率(1)电功电流通过一段电路时，自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，电场力对自由电荷做功。①定义在一段电路中电场力对定向移动的自由电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流所做的功。②公式如图所示，一段电路两端的电压为U，由于这段电路两端有电势差，电路中就有电场存在，电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流I。问题：在时间t内通过这段电路上任一横截面的电荷量q是多少?在时间t内，通过这段电路上任一横截面的电荷量q＝It。问题：这相当于在时间t内将这些电荷由这段电路的一端移到另一端。在这个过程中，电场力做了多少功？在这一过程中，电场力做的功W＝qU＝UIt。W＝UIt电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U、电路中的电流I和通电时间t三者的乘积。③单位在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是J。电功的常用单位有：千瓦时，俗称“度”，符号是kW·h。1kW·h的物理意义是表示功率为1kW的用电器正常工作1h所消耗的电能。1kW·h＝1000W×3600s＝3.6×106J④说明a．使用电功的定义式计算时，要注意电压U的单位用V，电流I的单位用A，通电时间t的单位用s，求出的电功W的单位就是J；b．表达式的物理意义：电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压、电路中电流和通电时间成正比；c．适用条件：I、U不随时间变化的恒定电流。(2)电功率在相同的时间里，电流通过不同用电器所做的功一般不同。例如，在相同时间里，电流通过电力机车的电动机所做的功要显著大于通过电风扇的电动机所做的功。电流做功不仅有多少，而且还有快慢，为了描述电流做功的快慢，引入电功率的概念。接下来我们研究电功率。①定义＋－Uqqq3单位时间内电流所做的功叫做电功率。用P表示电功率。②公式P＝Wt＝UI上式表示，一段电路上的电功率P等于这段电路两端的电压U和电路中电流I的乘积。③物理意义功率是表示电流做功快慢的物理量，一段电路上的电功率P，跟这段电路两端电压U和电路中电流I成正比。说明：电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”不同，电流做功快，但做功不一定多；电流做功慢，但做功不一定少。④单位功的单位用J，时间单位用s，功率的单位是导出单位，为J/s，其专门名称为瓦特(W)。1W＝1J/s。功率的常用单位有：千瓦(kW)。1kW＝1000W。说明：利用电功率的公式P＝UI计算时，电压U的单位用V，电流I的单位用A，电功率P的单位就是W。⑤平均功率和瞬时功率问题：在力学中我们讲功率时有平均功率和瞬时功率之分，电功率有无平均功率和瞬时功率之分呢？分析：利用P＝Wt计算出的功率是时间t内的平均功率。利用P＝UI计算时，若U是某一时刻的电压，I是这一时刻的电流，则P＝UI就是该时刻的瞬时功率。问题：为什么课本没提这一点呢？分析：这一章我们研究的是恒定电流，用电器的构造一定，通过的电流为恒定电流，则用电器两端的电压必是定值，所以U和I的乘积P不随时间变化，也就是说瞬时功率与平均功率总是相等的，故没有必要分什么平均功率和瞬时功率了。⑥额定功率与实际功率演示：研究小灯泡在不同电压下工作的实际功率。取一个“36V，18W”的灯泡，把它接在如图所示的电路中，改变滑动变阻器滑片的位置，分别观察灯泡在下述条件下的发光情况，并记下电流表的示数，计算出灯泡的实际功率。a．当电压表的读数U＝36V时；b．当电压表的读数U＝24V时；c．当电压表的读数U＝40V时。实验结果：a．当U＝36V时，I＝0.5A，P实＝18W，灯泡正常发光.；b．当U＝24V时，I＝0.33A，P实＝8.0W，灯泡发光暗淡；c．当U＝40V时，I＝0.56A，P实＝22.4W，灯泡发光强烈。观察灯泡上的铭牌“36V，18W”，说明表示的意义：“36V”表示灯泡的额定电压；“18W”表示灯泡的额定功率。问题：灯泡在电路中实际消耗的功率一定等于额定功率吗？结论：不一定。只有加在小灯泡两端的电压为额定电压时，小灯泡消耗的功率才等于VAS4额定功率。a．额定功率用电器正常工作时的功率。用电器正常工作时两端的电压、通过的电流为用电器的额定电压与额定电流。各种用电器名牌上标明的电压、电流和功率均为额定值。b．实际功率用电器实际工作时的功率。c．额定功率与实际功率的关系对一个用电器来说，额定功率只有一个。实际功率可随着用电器两端的电压和通过的电流的变化而改变。所以实际功率可等于、小于或大于额定功率。总结：选择用电器时，要注意它的额定电压，只有在额定电压下用电器才能正常工作。实际电压偏低，用电器消耗的功率低，不能正常工作。实际电压偏高，长期使用会影响用电器的寿命，还可能烧坏用电器。2、电功率和热功率(1)电流做功的实质①电场力对电荷做功的过程，实际上是电能转变成其他形式能量的过程。通过电流做功将电能转化为其它形式的能，是能量的转化与守恒定律在电路中的体现。②在真空中，电荷减少的电势能转化成动能。在真空中，电场力对电荷做正功时，电荷的电势能减少，电荷的动能增加，减少的电势能转化成动能。这个过程可以用“物体在真空中的自由下落”作类比，物体在真空中下落时，物体的重力势能减少，物体的动能增加，减少的重力势能转化成动能。③在纯电阻元件中电能完全转化成内能在电阻元件中电能的转化情况与真空中有所不同.在金属导体中，除了自由电子外，还有金属正离子，在电场力的作用下，做加速定向移动的自由电子要频繁地与金属正离子发生碰撞，并把定向移动的动能传给离子，使离子的热运动加剧，将电能完全转化成内能，于是导体发热。这可以用“物体在粘滞性较大的液体中匀速下落时”作类比，物体在粘滞性较大的液体中匀速下落时，重力势能通过克服液体阻力做功而转化为内能。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。(2)焦耳定律问题：设在一段电路中只有纯电阻元件，其电阻为R，通过的电流为I，试计算在时间t内电流通过此电阻产生的热量Q。分析：据欧姆定律，加在电阻元件两端的电压U＝IR，在时间t内电场力对电阻元件所做的功为W＝UIt＝I2Rt。由于电路中只有纯电阻元件，故电流所做的功W将全部转化为内能，产生热量Q。故产生的热量为：Q＝I2Rt上式表明，导体中产生的热量Q与导体两端的电压、导体中通过的电流I和通电时间t成正比。这个关系最初是物理学家焦耳用实验得到的，因此叫焦耳定律，同学们在初中已经学过了。5(3)热功率①定义单位时间内发热的功率叫做热功率。②公式P热＝Qt＝I2R③单位在国际单位制中，热功率的单位也是瓦特(W)。(4)电功与电热的关系演示：研究电功率与热功率的区别和联系。实验电路图和实验内容：取一个玩具小电机，其内阻R＝1.0Ω，把它接在如图所示的电路中。①先夹住电动机轴，闭合电键，电机不转.调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为0.50V，记下电流表的示数，算出小电机消耗的电功率和热功率，并加以比较。②再松开夹子，使小电机转动，调整滑动变阻器的阻值，使电压表的示数为2.0V（此电压为小电机的额定电压），记下电流表的示数，算出小电机消耗的电功率和热功率，并加以比较。实验结果：①电机不转时：U＝0.50V，I＝0.50A。P电＝UI＝0.50×0.50W＝0.25W；P热＝I2R＝0.502×1.0W＝0.25W；P电＝P热。②电机转动时：U＝2.0V，I＝0.40A。P电＝UI＝2.0×0.40W＝0.80W；P热＝I2R＝0.402×1.0W＝0.16W；P电＞P热。让学生分组讨论上述实验结果，总结电功率与热功率的区别和联系。①电功率与热功率的区别电功率是指输入某段电路的全部功率或在这段电路上消耗的全部电功率，等于这段电路两端电压U和通过的电流I的乘积。电功率P＝UI，对任何电路都适用。热功率是在某段电路上因发热而消耗的功率，等于通过这段电路中电流的平方I2和电阻R的乘积。电热功率P热＝I2R，对任何电路也都适用。②电功率与热功率的联系a．在纯电阻电路中，电功率与热功率数值相等。U＝IRW＝Q＝UIt＝I2Rt＝U2RtP热＝P电＝UI＝I2R＝U2R即在纯电阻电路中，电流做功将电能全部转化为内能。上述实验中，电机不转时，小电机就相当于纯电阻。VASMWQ＝WR6b．在非纯电阻电路中，电功率数值大于热功率数值。若电路中有电动机或电解槽时等元件时，电路为非纯电阻电路。电路中消耗的电功率绝大部分转化为机械能或化学能等其它形式的能，只有一少部分转化为内能，这时电功率大于热功率。U＞IRW＞QW＝UItQ＝I2RtP电＞P热P电＝UIP热＝I2RP电＝P热＋P出上述实验中，电机转动时，电机消耗的电功率，其中大部分转化为机械能，有一小部分转化为内能，故P电＞P热。【例题1】如图所示，有一提升重物用的直流电动机，内阻r＝0.6Ω，R＝10Ω，U＝160V，电压表的读数为110V，求①通过电动机的电流是多少？②输入到电动机的电功率是多少？③在电动机中发热的功率是多少？④电动机工作1h所产生的热量是多少？解析：①设电动机两端的电压为U1，电阻R两端的电压为U2，则U1＝110V，U2＝U－U1＝(160－110)V＝50V。通过电动机的电流为I，则I＝U2R＝5A。②输入到电功机的电功率P电＝U1I＝110×5W＝550W。③在电动机中发热的功率P热＝I2r＝52×0.6W＝15W。④电动机工作1h所产生的热量Q＝I2rt＝52×0.6×3600J＝54000J。说明：电动机是非线性元件，欧姆定律对电动机不适用了，所以计算通过电动机的电流时，不能用电动机两端的电压除以电动机的内阻。通过计算发现，电动机消耗的电功率远大于电动机的热功率。【例题2】灯L与电动机D并联，灯L上标有200W字样，电动机D上标有2000W字样，当电源两端A、B加上220V电压时，灯和电动机均正常工作，求：电灯正常工作时的电阻。解析：因为电灯是纯电阻用电器，所以电灯正常工作时的功率可表示为P＝UI＝I2R＝U2R