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1、电路中的能量转化与守恒教学建议纯电阻电路和非纯电阻电路,指的是含有将电能转化为其他形式的能的用电器的两种电路。如果电路中仅含有发热功能的用电器,这种电路就是纯电阻电路。如果电路中含有电动机、电解槽等将电能转化为非热能的用电器,那么,这种电路就是非纯电阻电路。处理这两种电路问题时,就必须注意电功和电功率表达式和电热和电热功率表达式的适用范围。这一点,教师要在教材的案例分析中向学生作重点说明。关于闭合电路中的能量转化与守恒问题,教师除了“通过引导学生分析论证让学生能区分电源的总功率、输出功率、电源的效率等概念”和“通过案例分析让学生自主弄清外电路上的功率、负载上的功率、导线上的功率三者之间关系,以
2、及发电机功率、外电路功率、内电路功率三者之间关系”之外。告诉学生守恒是自然运行秩序的根本,没有自然的守恒性就没有自然运行的秩序性,因此,可以说自然运行的各种规律都是自然的守恒性所支撑的结果,闭合电路欧姆定律就是这一观点的佐证。你还可以列举出很多的例子,如牛顿三定律、自由落体运动规律、行星做近似圆周运动规律等,它们都是能量守恒支撑的结果。本节从能量转化的角度理解电功和电热,区分纯电阻电路与非纯电阻电路。(1)电功和电功率教材根据功和能的关系,从电能的转化引入电功概念,然后根据电场力做功的知识和电流与电荷量的关系得到了电功的计算公式。教学中可以引导学生对用电器中的能量转化进行讨论,这样有利于学生理
3、解电功的物理意义。可用问题来引导学生思考:电流流过用电器,我们说消耗了一定的电能,实质是电荷经过用电器过程中,电荷的电势能减小。电势能为什么会减少,减少多少,减少的电势能到哪里去了,引导学生从电场力做功的角度去考虑这些问题。让学生理解,电流通过用电器的过程中,消耗了电能同时产生其他形式的能,这个能量转化的过程就是电流做功的过程,实质上就是电场力做功,电势能减少,增加了其他形式的能。从而比较自然地导出电功的公式W=qU=IUt。从不同的用电器电流做功(消耗电能转化为其他形式的能)的快慢不同,引入电功率概念,P=Wt,还可以跟速度等概念进行类比,帮助学生理解。要让学生知道用电器额定功率含义,并让学
4、生对常见用电器的额定功率有一个大致的了解。(2)电功与电热的关系提出问题:电路中电流做功将电能转化为其他形式的能,其中很常见的就是内能(焦耳热),电流流过导体产生的热量怎样计算呢?学生自然会想到初中学过的焦耳定律Q=I2Rt,也有学生根据能量守恒,会认为产生的热量就是电功W=IUt。教师可以提出问题Q和W相等吗?这个问题也可以让学生发现并提出。讨论问题:学生会运用欧姆定律I=UR,很快推出Q=W。教师也可以引导学生讨论,假设Q=W,将推导出I=UR,即欧姆定律。进一步提出问题:Q=W的条件是什么?通过引导学生对上述讨论进行分析可以得到结论:在欧姆定律适用的情况下,电功等于电热,也就是说电流中消
5、耗的电能全部转化为内能,即W=Q。欧姆定律适用的电路也叫纯电阻电路。很多情况下,电路消耗的电能不会都转化为内能。教师可以用电动机作为例子引导学生进行讨论。电动机消耗的电能(电功)转化为机械能和内能两部分。电功W=UIt,内能Q=I2Rt,两者并不相等,产生的机械能E等于多少呢?引导学生从能量守恒的角度去考虑,即W=Q+E,让学生清楚,对于非纯电阻电路,电功和电热不相等。教师要引导学生对上述讨论进行归纳总结,一方面总结电功和电热的关系,另一方面还要总结讨论过程中的思路和方法,让学生体会用能量转化和守恒的观点来分析问题的思想方法。(3)最后用能量守恒的思想和观点分析闭合电路,得出闭合电路欧姆定律。
6、这里要强调闭合电路欧姆定律,是自然界能量的守恒性所决定的物质运动的一种秩序。参考资料焦耳简介詹姆斯普雷斯科特焦耳詹姆斯普雷斯科特焦耳(JamesPrescotJoule,18171889),焦耳是英国著名的物理学家,于1818年12月24日生于索尔福。他的父亲是酿酒厂的厂主。焦耳因从小体弱不能上学,就在家跟父亲学酿酒,并利用空闲时间自学了化学和物理。他很喜欢物理中的电学和磁学,对实验有着特别的兴趣。后来他成为英国曼彻斯特的一位酿酒师和业余科学家。焦耳可以说是一位靠自学成才的杰出的科学家。焦耳最早的研究方向是电学和磁学方面的研究,后转向对功热转化的实验研究。1866年,由于焦耳在热学、电学和热力
7、学方面的贡献而被英国皇家学会授予柯普莱金质奖章。1872年1887年,焦耳任英国科学促进协会主席。1889年10月11日,焦耳在塞拉逝世。焦耳的主要贡献是他钻研并测定了热和机械功之间的当量关系。关于这方面研究工作的第一篇论文关于电磁的热效应和热的功值,是1843年在英国哲学杂志第23卷第3辑上发表的。此后,他用不同材料进行实验,并不断改进实验设计,结果发现尽管所用的方法、设备、材料各不相同,结果都相差不远;并且随着实验精度的提高,趋近于一定的数值。最后他将多年的实验结果写成论文发表在英国皇家学会哲学学报1850年第140卷上,其中阐明:第一,不论固体或液体,摩擦所产生的热量,总是与所耗的力的大小成比例。第二,要产生使1磅水(在真空中称量,其温度在5060华氏度之间)增加1华氏度的热量,需要耗用772磅重物下降1英尺的机械功。他精益求精,直到1878年还有测量结果的报告。他近40年的研究工作,为热运动与其他运动的相互转换,运动守恒等问题,提供了无可置疑的依据,焦耳因此成为能量守恒定律的发现者之一。- 3 -
