物理九年级全册（2024）第4节 焦耳定律教学设计及反思

这是一份物理九年级全册（2024）第4节 焦耳定律教学设计及反思，共8页。
1.物理观念：知道电流的热效应；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.科学思维：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；能建立物理模型，简化复杂问题，运用焦耳定律分析实际问题。
3.科学探究：通过“探究电流产生的热量与哪些因素有关”的实验，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.科学态度与责任：知道电热危害的防止与应用，关注生活、生产中的电热问题，形成将物理知识应用于造福生活、改进生产的科学态度与责任。
1.教学重点：理解焦耳定律；定性研究电热与电阻、电流之间的关系。
2.教学难点：理解并应用焦耳定律；定性研究电热与电阻、电流之间的关系。
冬天用电暖气取暖，房间温度快速升高；笔记本电脑长时间使用后，底部会发烫，需要风扇散热；电水壶通电后，可以将壶里的水加热直至沸腾。
［提问］为什么这些用电器使用时都出现了发热现象？
任务一 认识电流的热效应
任务二 焦耳定律
任务三 认识电热的利用与防止
第4节 焦耳定律




教师活动
学生活动
［提问］说一说自己家里的用电器，如电暖气、电热器、电饭煲，通电后发热是什么现象？这一过程中能量是如何转化的？
［过渡］电炉的电炉丝和导线中通过的电流相同，电炉丝热得发红，说明电炉丝的温度比导线高，电流在电炉丝上产生的热量更多。结合生活经验，你认为电流通过导体时产生热量的多少跟什么因素有关？
［提问］若要探究“电热与电阻的关系”，应控制哪些变量不变？如何设计电路实现？
［追问］实验中如何“观察”电热的多少？
［演示实验］在两个透明容器中密封着等质量的空气，内置不同阻值电阻丝（R1＜R2），串联接入电路，通电相同时间后，记录U形管中液面高度的变化情况。
［提问］实验中哪一个电阻丝对应的U形管液面高度的变化更明显？说明什么结论？
［提问］若要探究“电热与电流的关系”，应如何控制变量？
［演示实验］如图所示，将R2换成两个与R1相同的电阻丝R3、R4并联后接入电路，通电相同时间，记录U形管液面高度的变化情况。
［提问］实验中哪一个电阻丝对应的U形管液面高度的变化更明显？说明什么结论？
［追问］若保持电流、电阻不变，延长通电时间，电热会如何变化？结合生活经验举例说明。
［阅读教材并回答］电流通过导体时电能转化为内能，这种现象叫作电流的热效应。
这一过程中将电能转化为内能。
［猜想］可能与导体电阻、电流大小、通电时间有关。


［思考讨论并回答］控制电流、通电时间不变，通过串联电路实现。
［回答］利用转换法，将不可见的电热转化为可见的气体升温膨胀，通过U形管液面高度的变化判断电热多少。







［观察回答］记录前，两U形管两侧液面均相平，通电相同时间后，R2 对应的U形管两侧液面高度的变化更明显。说明电流、通电时间相同时，电阻越大，电热越多。
［回答］探究电热与电流关系时，控制电阻、通电时间不变，改变电流。



［观察回答］发现R1对应的U形管液面高度的变化更明显，此时通过R1的电流较大，说明电阻、通电时间相同时，电流越大，电热越多。
［相互讨论并回答］电热会增多，比如电暖气开1h比开30min更热、手机通话1h比20min更烫。
教师活动
学生活动
［讲解］英国物理学家焦耳做了大量实验，于1840年最先确定了电流通过导体产生的热量跟电流、电阻和通电时间的关系：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。
公式Q=I2Rt。
单位：电流I—安培（A），电阻R—欧姆（Ω），时间t—秒（s），热量Q—焦耳（J）。
［提问］回顾刚刚的问题，电炉丝热得发红、导线几乎不发热，为什么会出现这种差异？现在我们利用焦耳定律来解决我们的疑惑。
已知电炉丝的阻值为40Ω，导线的阻值为0.04Ω，电路中的电流为5A，通电时间为100s，通过计算说明为什么电炉丝热得发红，而与它串联的导线却几乎不发热？
［说明］运用焦耳定律计算电热时应注意：
（1）焦耳定律公式Q=I2Rt，是由实验总结出来，只要有电流通过导体，都可以用它来计算所产生的热量。
（2）公式中各物理量都是对同一段电路或同一导体而言的，也是对应于同一状态的。
［过渡］我们之前学习过电功W=UIt，而本节课学习了电热Q=I2Rt，两者是否相等？这需要结合电路中“电能的转化情况”来判断——不同电路中，电功与电热的关系不同。
［提问］电热水壶通电后主要将电能转化为什么形式的能？它们相等吗？
［追问］电风扇通电后主要将电能转化为什么形式的能？产生的电热（内能）与电能相等吗？

［追问］用电器产生的热量都与电流做功或者消耗的电能相等吗？
［小结］像刚才接电热水壶的电路中，电流工作时将电能全部转化为内能，这样的电路叫纯电阻电路。初中我们所研究的电路，大部分是纯电阻电路。而电风扇所在的电路，电流工作时，消耗的电能只有一部分转化为内能，大部分转化为机械能，这样的电路为非纯电阻电路。
［例题展示］一只电熨斗（纯电阻）接在220V电路中，电阻为110Ω，通电10分钟，求产生的热量。


［追问］若将例题中的电熨斗换成“额定电压220V、电阻10Ω、额定功率100W”的电动机，通电10分钟，能否用Q=UIt计算电热？为什么？应选择哪个公式？
［小结］
（1）纯电阻电路中，消耗的电能W等于产生的电热Q：W=Q=Pt=UIt=I2Rt=U2Rt。
（2）非纯电阻电路中，消耗的电能W大于产生的电热Q：W=UIt＞Q=I2Rt，仅能用Q=I2Rt计算电热。
［例题展示］四个电阻器的电阻分别为R1、R2、R3、R4。如图甲所示，电阻为R1、R2的电阻器串联后接在电压为U的电路中；如图乙所示，电阻为R3、R4的电阻器并联后也接在电压为U的电路中。已知R1=R3，R2=R4，R1＞R2。
（1）电阻为R1和R2的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多？
（2）电阻为R3和R4的两个电阻器，在相同时间内哪个放出的热量多？




［回答］电流通过电炉丝产生的热量：Q1=I2R1t=（5A）2×40Ω×100s=105J。
电流通过导线产生的热量：Q2=I2R2t=（5A）2×0.04Ω×100s=100J。
Q1远远大于Q2，所以电炉丝热得发红而与它串联的导线却几乎不发热。








［回答］电热水壶→消耗电能→产生内能
分析：
［回答］电风扇→消耗电能→产生机械能和内能
分析：
［回答］电热与电流做功或者消耗的电能不一定相等。






［自主解答］
方法1：Q=I2Rt=（220V110Ω）2×110Ω×10×60s=264000J。
方法2：Q=UIt=220V×220V110Ω×10×60s=264000J。
两种方法结果一致。
［讨论并回答］不能用Q=UIt计算电热，因为电动机所在电路是非纯电阻电路，绝大部分电能转化为机械能，只有少量的电能转化为电热；应选择Q=I2Rt（需先根据P=UI计算电流I=PU=100W220V=0.45A，再代入计算）。
［自主解答］解：（1）在串联电路中，通过电阻为R1和R2的两个电阻器的电流相等。根据焦耳定律Q=I2Rt，当I、t相同时，Q与R成正比，由于R1＞R2，因此相同时间内电阻为R1的电阻器放出的热量比电阻为R2的电阻器多。
（2）在并联电路中，电阻为R3和R4的电阻器两端的电压相等。根据焦耳定律Q=I2Rt和欧姆定律I=UR，可得Q=U2Rt。
由公式可知，电压相同时，相同时间内导体放出的热量与它们的电阻成反比，且R3＞R4，因此相同时间内电阻为R4的电阻器放出的热量比电阻为R3的电阻器多。
教师活动
学生活动
［过渡］焦耳定律明确了电热与电流、电阻和通电时间的关系。生活中我们既会利用电热为生活服务，也需防止过多电热带来的危害，这是科学原理与生活实践结合的重要体现。
［提问］结合生活经验，哪些电器是利用电热工作的？它们的设计特点是什么？

［提问］电脑主机内装有风扇，手机背部设计散热孔，电热水器外壳采用隔热材料——这些设计的目的是什么？属于电热的利用还是防止？
［追问］若电器散热不良（如电脑风扇堵塞、手机套包裹过严），会带来哪些问题？
［相互讨论并回答］电暖气、电熨斗、电烤箱、电饭煲等；设计特点：内置高电阻发热丝（如镍铬合金丝），能高效地将电能转化为内能。
［回答］“电脑主机内装有风扇，手机背部设计散热孔”的目的是“防止过多电热损坏设备”，电脑运行时，CPU产生大量热量，风扇转动加速空气流动，带走热量，属于电热的防止；“电热水器外壳采用隔热材料”的目的是防止电热散失，浪费电能，属于电热的利用。
［讨论并回答］会导致设备温度过高，出现“电脑蓝屏、手机死机、电池鼓包”等问题，造成安全隐患，影响用电器使用寿命。
教师活动
学生活动
［任务］请以小组为单位，用思维导图总结本节课核心内容。
［总结］通过对电流热效应及焦耳定律的学习，我们认识了电流的热效应、影响电热的因素、焦耳定律的表述及公式、电热的利用与防止、复杂电路中电热的计算、多挡电路的相关分析与计算，会利用所学知识解决生活中的电热计算、利用与危害防治问题。
［小组合作］总结本节课知识，绘制思维导图。