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《电路中的能量转化》教学

 新用户65120Joi 2022-06-20 发布于山西

本节的重点是外电路中的做功和能量转化问题。
两大块:电流做功;能量转化。

一.电流做功(电场力做功问题)

文本理解有困难,解读文字,重在通过读、想来解,不能简单的“以貌取人”、“望文生义”。

从静电场中电场力做功角度来研究,通过静电场的学习,已经掌握了静电场中电场力做功的计算方法——W=qU。结合电流的定义可推导出外电路中电流做功的表达式——W=UIt。

概念上了变化导致了理解上的困难,谈静电力做功,还能脑补一下情境,有个电场,可以形象地想象一下电场线,走来了一个试探电荷,动了动,有力有位移,可以算做功,恒力直接用功的定义,变力用微元法。

电流不是力,电流做功,实质就是电场力对电路中定向移动的电荷所做的功。可以认为是电路中静电力做功的一个专业但不贴切的称呼。

探讨做功时通常是什么力做功或什么物体做功,即使是物体做功,实质也是施力物体对受力物体做功。比如一个石块从某一高度下落,讲重力做功学生好理解;弹簧推物块,讲弹簧弹力或弹簧做功,也可以准确理解为弹簧弹力对物块做的功,不至于产生歧义。电流做功,给学生一种石块或物块做功的感觉,做功的主体与受体混淆了。懂了这个意思,理解上应该就不存在障碍了。

网上的一个段子:

研究复杂群体中多因素干扰及信息不对称状态下的新型“囚徒困境”博弈——打麻将。
研究大数据视角下的六度空间理论在情感供给侧匹配中的创新与实践——网恋。

电路中电场力与电流做功也差不多就是这么回事,教学中给学生交待清楚就没什么了。

这里的重点只讨论电流的做功,不涉及能量转化,学生学习这部分时思维上的难点一个是没有从静电场角度来思考电场力做功的问题;另一个是功、能概念混淆。有了UIt就万事大吉,不知其真正来源,为一步理解能量转化埋下了隐患。

学习了电路中的静电力做功,类比力学,引入电功率相对就简单了。

二.电势能和其他能的转化

1.外电路电流做功(电场力做功),电势能减小,根据能量转化和守恒定律,减少的电势能必然转化为其他形式的能。
假如电路中的用电器为电炉或灯泡一类的纯电阻用电器,则电能转化为什么能呢?
W=UIt   此式是电场力做功的计算式,电场力做正功,电势能减少。
W=EP1-EP2 ,对于电炉、灯泡一类的用电器,减少的电势能全部转化为内能。有EP1-EP2=Q

若用电器为电扇,电解池呢?减少的电势能是否全部转化为内能?

EP1-EP2=Q+E,对于电扇(电动机),除了内能还有动能;对于电解池,除了内能还有化学能。

电流做功(电场力做功)电势能减小是必然,转化为内能是必然,转化为其他形式的能是偶然。有必要对内能重点关注一下。

2.焦耳定律(计算电路内能的专属定律)
对于非纯电阻用电器,如何计算其内能呢?
纯电阻EP1-EP2=Q,结合欧姆定律:得Q=I2Rt;
非纯电阻U>IR。UIt>I2Rt,内能还是I2Rt。焦耳最初通过实验直接得到,内能这样算没有问题,但用UIt计算需注意条件。

至于功率,清楚做功和能量转化的同步性,是一个很自然的问题。

三.一点思考
本节内容,先清楚电流做功所指为何?老师们已经熟悉到感觉不到诧异了,学生是真理解不了。备课有时像“双脑互博”,一个已知的大脑给一个未知的大脑备,如何通过各种构思,做到“无中生有”。

本节第二大块,从做功转到能量转化。电流做的功等于电势能的减少量,减少的电势能转化为其他形式的能,其中内能是必须有的,所以对内能特别关注一下,只不过对内能的计算,没有理论可推导,有点死记硬背的感觉。

早上7点看早读加第一节课写了8百多字,第二、三节课听了一节生物、一节数学课。听课的感觉,我们的学生在教材文本的文字细节上还得狠下功夫,听课都是高层次的班级,还存在这种普遍的问题,其他班级可想而知,联系每天所批作业的书写,两大问题解决掉了,学习肯定能发生质变。一个是阅读能力,能静下来完整地读上几本大部头的小说,真正能体会到文字的魅力、生命力,文字能在自己的思维中动起来,文理皆可通;二个是书写,认真写能起到强化定力,关注细节的作用,告诉学生关注细节是没用的,有方法帮助其关注细节才是有效的。自己的认知,传统的书法教育应该加强,一笔一划,先慢后快是真快,现在的快,写的快,说的快,其实是乱,思维混乱的体现。

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