人教版（2024）九年级全册（2024）第十八章 电功率第4节 焦耳定律教案及反思

这是一份人教版（2024）九年级全册（2024）第十八章 电功率第4节 焦耳定律教案及反思教案主要包含了师生活动，设计意图，猜想与假设，设计实验，进行实验，实验数据和现象，实验结论等内容，欢迎下载使用。
1．认识电流的热效应，了解焦耳定律，能用焦耳定律说明生产生活中的有关现象，分析解决简单的实际问题。
2．结合电功的表达式和欧姆定律推导焦耳定律的表达式，培养演绎推理能力。
3．经历研究电热与电阻、电流关系的过程，体会实验中控制变量的方法，发展观察、分析、处理信息、得出结论的能力。
4．通过学习电热的利用和防止，感悟辩证看待问题的方法，体会物理学对社会发展的推动作用。
教学重点
定性研究电热与电阻、电流的关系，以及了解焦耳定律。
教学难点
定性研究电热与电阻、电流的关系，以及了解焦耳定律。
教学过程
新课导入
【师生活动】教师展示课件，提出问题：电炉工作时，电炉丝通过导线接到电路中，为什么电炉丝热得发红，而导线却几乎不发热？
学生思考并作答。
【设计意图】从现象到问题，自然引出探究主题，符合课标“从生活现象出发构建物理问题”的教学建议，有效调动学生探究兴趣。
新知探究
一、电流的热效应
1．电流的热效应
【师生活动】教师展示课件，让学生分析家庭用电器工作有哪些特点；
（1）寻找以下用电器的共同特点
电热水壶、电饭煲、烤箱等。
分析：这些用电器工作时都要消耗电能，都会发热，在工作过程中，电能转化为内能。
（2）电流的热效应
电流通过导体时电能转化成内能，这种现象叫作电流的热效应。
【设计意图】通过对家庭用电器工作特点的分析，得出电流的热效应，培养学生的探究分析能力。
2．探究影响电流热效应的因素
【师生活动】教师展示课件，引导对已经发现的电流的热效应，进行深度思考；
教师引导学生提出问题：电流通过导体时产生热的多少跟什么因素有关。
学生思考并回答。
教师结合学生回答，作出补充与整理。
【猜想与假设】
（1）可能与通过导体的电流有关。
因为导体在通入电流时才会发热，所以电流通过导体时产生热的多少跟电流有关；
（2）可能与导体的电阻有关。
导线和电熨斗串联接入电路，电流是相同的，电熨斗热的温度高，而导线几乎不热，电流产生的热可能与电阻有关。
（3）可能与通电时间有关。
由生活经验可知，电热水壶通电时间越长，电流产生的热量也会越多。
教师指导学生设计实验探究方案。
【设计实验】
（1）实验装置介绍（焦耳定律演示器）
透明的塑料容器内部密闭着等量的空气；容器内部的空气与U形管一端相连通。容器中各有一段电阻丝，两个容器里的电阻丝串联在一起接入电路。
（2）实验原理
两个透明容器中密封着等量的空气，U形管中液面高度的变化反映密闭空气温度的变化。当两个密闭容器接入电路时，哪一侧U形管中液面高度变化较大，表明哪一侧的电阻丝产生的热量多。
（3）研究方法
①控制变量法：在探究电流通过导体产生热的多少跟电流、电阻、通电时间的关系时，每次实验应该控制两个物理量不变。
②转换法：通过观察U形管液面的高度差，来比较电流产生热量的多少，这种方法叫转换法。
（4）实验器材：学生电源、焦耳定律演示器、电流表、滑动变阻器等。
为了进行多次实验，需要改变通过两个电阻丝的电流，所以在电路中串联一个滑动变阻器，通过移动滑片改变电流。
【进行实验】
（1）探究电热与电阻的关系
将阻值为5 Ω和10 Ω的两个电阻丝分别放置在两个透明容器中，并接入电路。闭合开关，通电60 s后，观察U形管液面高度差的变化，记录实验数据。
改变滑动变阻器的阻值，进行多组实验，观察并记录数据。
（2）探究电热与电流的关系
取两个阻值为5 Ω的电阻丝分别放置在两个透明容器中，另取一个5 Ω的电阻丝与其中一个电阻丝并联，如图所示。闭合开关，通电60 s后，观察U形管液面高度差的变化，记录实验数据。
调节滑动变阻器的阻值，进行多组实验，观察并记录数据。
（3）探究电热与时间的关系
取一个阻值为10 Ω 的电阻丝装入密闭容器中，如图所示。闭合开关，通电一段时间，观察随时间的变化，U形管液面的高度差的变化情况。
【实验数据和现象】
（1）探究电热与电阻的关系
（2）探究电热与电流的关系
（3）探究电热与时间的关系
【实验结论】
（1）在电流和通电时间相同的情况下，一段电阻丝的电阻越大，这段电阻丝产生的热量越多。
（2）在电阻和通电时间相同的情况下，通过一段电阻丝的电流越大，这段电阻丝产生的热量越多。
（3）电流通过导体产生的热量跟通电时间有关，通电时间越长，电阻丝产生的热量越多。
【设计意图】通过提出问题、猜想与假设、设计实验等流程，培养学生科学探究能力。通过实验探究，培养学生的实践能力和分析推理能力。
二、焦耳定律
1．焦耳定律
【师生活动】教师展示课件，介绍焦耳物理学家事迹，让学生学习掌握焦耳定律的内容、公式及其单位。
詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（1818年12月24日—1889年10月11日），出生于曼彻斯特近郊的沙弗特，英国物理学家，英国皇家学会会员。
主要成就
在研究热的本质时，发现了热和功之间的转换关系，最终发展出热力学第一定律。
用近40年的时间做了400多次实验，研究热和功的关系，即焦耳定律。
（1）定义：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。这个规律叫作焦耳定律。
（2）公式：Q = I2Rt
（3）各物理量的单位：
I表示电流，单位是安培（A）；R表示电阻，单位是欧姆（Ω）
t表示时间，单位是秒（s）；Q表示热量，单位是焦耳（J）
1焦耳=1安2×1欧×1秒
2．推导焦耳定律
若电流做的功全部用来产生热量，即Q = W
因为电功W = UIt，根据欧姆定律U = IR
所以Q = W = UIt = I2Rt
可见，在消耗的电能全部用来产生热量时，根据电功公式和欧姆定律推导出的结论与焦耳定律一致。
3．电功与电热
（1）电功与电热的区别
电功是指电流通过一段电路所做的功，它的大小表示电路消耗电能的多少，或表示有多少电能转化为其他形式的能。
电热是指电流通过一段电路做功时，电能转化为内能的那一部分。
两者表示的意义不同，是两个不同的概念。
（2）电功与电热的联系
①纯电阻电路（如电炉、电热器、电熨斗等电路）
该类电路中，电流通过用电器时，电能全部转化为内能，电流产生的热量就等于电流做的功（消耗的电能），即Q=W。
Q放= W总=Pt=UIt= U2t/R=I2Rt
上述公式适用于纯电阻电路。
②非纯电阻电路
在该类电路中，当电流通过用电器时，电能主要转化为其他形式的能量，只有一部分转化为内能。
此时电能=内能+机械能，所以内能＜电能。
例如，当电扇工作时，消耗的电能主要转化为电机的机械能，有少部分转化为内能发热。W总＝UIt =W机械能＋Q热量
4．电功、电功率、焦耳定律计算公式及其适用范围
【设计意图】在实验基础上归纳规律，符合“从实践到理论”的认知规律；科学史渗透落实课标“科学态度与责任”培养目标；电功与电热区分，结合学生认知水平，既明确重点又为后续学习铺垫，避免超纲。
三、电热的利用和防止
1．电热的利用
【师生活动】教师展示课件，对生活中用电器的使用进行分析，辨别电热的利用与防治；
电流通过导体时，使导体只发热的用电器是利用了电流的热效应，这类用电器称为电热器，而电热器的主要部分是发热体。电热器的优点：清洁卫生，没有环境污染，热效率高，还可以方便地控制和调节温度。
2．电热的防止
电流的热量有时是有害的，应该及时解决。
（1）例如我们的电脑在工作时，电路元件发热，温度升高，会影响到电脑的稳定性，甚至烧坏电脑CPU。人们常常采用安装散热窗、使用微型风扇等方法及时散热。
（2）电视机散热方法：在后盖开有很多孔，为了通风散热。
（3）投影仪的散热方法：除在侧壁开孔外，内部还装有电风扇，工作时电风扇转动把热量吹到机器外面，可以降低灯泡、机器内部元件的温度。
【设计意图】通过对电热的利用与防止的认识，加深学生对电热的理解，同时也培养学生安全用电的意识。
四、课堂练习
【师生活动】展示课堂练习，学生思考作答。
1．如图是探究电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关的实验装置，两个透明容器中密封着等量的空气，下列说法正确的是（ ）
A．通电后可探究电流产生的热量与电阻大小的关系
B．用U形管中液体的热胀冷缩反映电流产生热量的多少
C．用U形管中液面高度差来反映电流产生热量的多少
D．通电一段时间后，左侧U形管中液面的高度差较小
【答案】C
【解析】在AD选项中，图中实验装置左右两侧容器内电阻丝阻值相同，左侧容器内电阻丝通过的电流比右侧容器内电阻丝通过的电流大（左侧容器内电阻丝通过的电流是右侧容器内外两根并联电阻丝通过的电流之和）。根据控制变量法可知是为了探究电流产生的热量与电流大小的关系。通电一段时间后，由于左右两侧容器内电阻丝阻值相等，通电时间相等，左侧容器内电阻丝通过的电流大，根据Q = I2Rt可知，左侧容器内电阻丝产生的热量更多。左侧U形管中液面的高度差较大；在BC选项中，实验中容器内电阻丝产生的热量被容器内空气吸收，空气受热膨胀，推动U形管内液体流动，U形管两侧液面出现高度差，是利用容器内空气的热胀冷缩来反映电流产生热量的多少的。电阻丝通电产生的热量越多，则U形管两侧液面高度差越大；故选C。
2．小民利用如图所示的装置来探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”，甲、乙两个透明容器中密封着等量的空气，U形管内液面的高度变化反映密闭空气温度的变化。已知R1=5 Ω，R3=10 Ω，若通过R1的电流I1=3 A，则此过程中（ ）
A．为保证实验进行，乙容器中R2的阻值应为10 Ω
B．流过电阻R2的电流大小为1 A
C．10 s内电流通过电阻R2产生的热量为200 J
D．电阻R2两端的电压为30 V
【答案】C
【解析】在A选项中，探究“电流通过导体产生的热量与电流的关系”时，应控制电阻和通电时间相同，改变电流大小。在该实验装置中，R1与R2串联，为保证实验顺利进行，应使R1=R2=5 Ω，而不是10 Ω；在B选项中，R2与R3并联，干路电流I1=3 A，R2电流为I2，R3电流为I3 = I1－I2 = 3 A－I2，R2与R3两端电压为U，则U = I2R2，U = I3R3 = (3 A－I2)R3，则I3/I2=R2/R3，R2=5 Ω，R3=10 Ω，解得I2=2 A；在C选项中，根据焦耳定律，10 s内电流通过电阻R2产生的热量
Q2 = I22R2t = (2 A)2 × 5 Ω × 10 s = 100 J
在D选项中，I2=2 A，R2=5 Ω，电阻R2两端的电压
U = I2R2 = 2 A × 5 Ω = 10 V
故选C。
【设计意图】通过学生对课堂练习的作答与教师的讲解，进一步巩固学生对焦耳定律的理解与应用。
课堂小结
实验次数
电阻/Ω
电流/A
通电时间/s
U形管液面的高度差/cm
1
5
60
10
2
5
60
10
3
5
60
10
实验次数
电阻/Ω
电流/A
通电时间/s
U形管液面的高度差/cm
1
5
60
5（并联电阻）
2
5
60
5（并联电阻）
3
5
60
5（并联电阻）
电功
电功率
焦耳定律
适用条件
基本公式
W=UIt
P=UI
Q=I2Rt
普遍适用
推导公式
W=U2Rt=I2Rt
P=U2R=I2R
Q=U2Rt=UIt
纯电阻电路
Q=W