焦耳定律

【教学目的】

1、理解用电器的作用是把电能转化为其他形式的能，会计算电流所做的功与电功率。

2、知道纯电阻电路与非纯电阻电路的差别，会根据焦耳定律计算用电器产生的电热。

【教学重点】

区别并掌握电功和电热的计算

【教学难点】

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

【教学媒体】

【教学安排】

【新课导入】

问题导入：

提出问题1——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，而且由于电荷是在电场力作用下正电荷由高电势移向低电势，负电荷由低电势移向高电势，所以电场力在电源外面的电路中做正功）

提出问题2——电场力做功将引起能量的转化，使电能转化为其他形式能，请举出一些大家熟悉的例子。（如电动机将电能→机械能；电热器将电能→内能，电解槽将电能→化学能。）

我们把这些通过电场力做正功将电能转化为其他形式的能的元件叫做用电器。

本节课将重点研究电路中用电器的能量转化问题。

【新课内容】

1.电功

教师边讲授边板书：1、用电器——将电能转化为其他形式的能

2、电功

（1）定义：电路中电场力对定向移动的电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流的功。

（2）实质：能量的转化与守恒定律在电路中的体现。

电能通过电流做功转化为其他形式能。我们在上一章里学过电场力对电荷的功，若电荷q在电场力作用下从A搬至B，且AB两点间电势差恒为U_AB，则电场力做功W=qU_AB。

对于一段导体而言，两端电势差恒为U，把电荷q从一端搬至另一端，电场力的功W=qU，在导体中形成电流，且q=It，（在时间间隔t内搬运的电量为q，则通过导体截面电量为q，I=q/t），所以W=qU=ItU。这就是电路中电场力做功即电功的表达式。

（3）表达式：W=IUt　　

说明：

①表达式的物理意义：电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压、电路中电流和通电时间成正比。

②适用条件：I、U不随时间变化——恒定电流。

（4）单位：电流单位用安培（A），电压单位用伏（V），时间单位用秒（s），则电功的单位是焦耳（J）。

（5）电功率

电流做功不仅有多少之分，还有快慢之分，电流做功的快慢叫做电功率。即单位时间内电流做功的多少。请推导电功率的表达式。（P=W / t= U I t / t=U I）

u表达式：P=UI—电路上的电功率大小等于这段电路两端电压和电路中电流的乘积。

②单位：功的单位用焦耳（J），时间单位用秒（s），功率单位为瓦特（W）。1W=1J/s　　

这里应强调说明：推导过程中没用到任何特殊电路或用电器的性质，电功和电功率的表达式对任何电压、电流不随时间变化的电路都适用。再者，这里W=IUt是电场力做功，是消耗的总电能，也是电能所转化的其他形式能量的总和。

4.额定功率和实际功率

电功率是衡量用电器电流做功快慢，或者说衡量其消耗电能的快慢程度。电功率越大，该用电器在同一时间内消耗电能越多。为了使用电器安全、正常地工作，对用电器工作电压和功率都有规定数值。在家用电器或工厂电器设备的铭牌上，都镌刻有该设备正常工作的额定电压和额定电功率。

③　额定功率：用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下消耗的功率称额定功率。

一般说来，用电器电压不能超过额定电压，但电压低于额定电压时，用电器功率不是额定功率，而是实际功率。

④实际功率P=IU，U、I分别为用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。

读书P56/洗衣机的铭牌的参数：牌上标明最大电流 10A，而对应可算出其最大工作功率为2200W；不同工作状态下有不同的额定电流，洗涤时不需要用到10A的电流，所以其洗涤的正常功率小于最大功率。同时，由于机器经常在实际电压低于额定电压，（如夏天用电高峰时的电灯电压只有不到200V，则此时的灯光昏黄，实际功率低于额定功率。

2.电热

初中我们已经由实验探究过，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。

很多同学都会认为，W=IUt，电流做这么多功，把相应的电能转换成内能（即为放出热量）Q=W=UIt。这里有一个错误，大家能发现吗？（学生讨论）

错在Q=W，电流做功一定都把电能全部转化为内能增量吗？有没有可能同时转化为其他形式能？所以电功与电热是两个不同的概念。公式不能随便乱用。那么电热该用是什么公式计算呢？

英国物理学家焦耳，经过长期实验研究后提出焦耳定律。

板书：2、电热：电流热效应（电流经过导体时导体要发热）

（1）焦耳定律内容：电流通过导体产生的热量，跟电流的平方、导体电阻和通电时间成正比。

（2）表达式：Q=I2Rt　　

为什么电流通过导体会产生焦耳热呢？

这是因为金属中自由电子在电场力作用下定向移动，由于电场做功，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。

同样的，（3）单位时间内产生的电热称为热功率P=I²R。

3.电功与电功率和电热与热功率的比较：

（1）纯电阻电路中

如果电流做功使电能完全转化为内能，我们把这样的用电器叫做纯电阻，对于纯电阻，有Q=I²Rt=I· IRt=IUt=W可以推出U=IR（欧姆定律）即欧姆定律只能适用于纯电阻（金属导体和通常壮态下的电解质溶液）对气态导体和其它一些导电原件（电子管，热敏电阻）不适用。对电路而言，它只对一段不含电源的导体成立。如果电流做功还使电能转化为其他能，则电功大于电热。

板书：（1）对纯电阻（U=IR）而言，W=Q=UIt=I²Rt=U²t/R。P_电=UI=P_热=I²R=U²/R。

（2） 非纯电阻电路（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=I₂R⁰t，电动机还对外做功，把电能转化为机械能，W_机械输出=W－Q=IUt－I₂R⁰t，W_机械输出是电动机输出能量，而W则是电源输送给电动机的，是电动机的输入能量；Q是电动机的额外损耗。就是电动机的工作效率。

这是一个非纯电阻电路，且W_机械输出＞0，则有U＞IR⁰。考虑每秒钟内能量转化关系，即功率，只要令上述各式同除以t即可，可得总功率P_总=IU，电热功率P_热=I₂R⁰，输出功率P_出，三者关系是P_总=P_热＋P_出，即P_出=IU－I₂R。

4.巩固训练：

例：书P59/例题（略）

课堂训练：书P59/3；手册P60/1、4

5.身边的电热：阅读书P58/归纳共有多少中提高电热（电压恒定时减小电阻，或电流恒定时增大电阻，增大电流等）方法或降低电热（加强散热，对串联电线减小其电阻）的方法。这里要用到不少串并联电路的知识。希望大家课后能复习一下串并联的问题。

讨论书P59/1、2