高中焦耳定律的教学建议

李春光

【摘要】  焦耳定律是电路的一个重要定律，是初、高中物理教学必讲的内容。笔者在本文中就高中焦耳定律展开论述，并提出了一些有效的教学建议。

【关键词】  高中 物理教学 教学建议

【中图分类号】  G633.7                          【文献标识码】  A                                             【文章编号】  1992-7711（2015）07-044-02

一、实验创新背景

焦耳定律只涉及到电能转化为内能的问题，电路的电能除了转化为内能外，还可以转化为机械能、化学能与磁场能，由于高中物理教学中不涉及反电动势的问题，高中教学常常只讨论纯电阻电路，所以许多高中学生也常常认为UI、I2R和U2/R 三者总是相等的，对电路中能量的转化问题，出现了认识偏差。

教育科学出版社《高中物理选修3-1》第二章恒定电流6焦耳定律 电路中的能量转化，该节先讲“电功和电功率”，再讲“焦耳定律、热功率”，最后讲“电路中的能量转化”。在“电路中的能量转化”中虽然也谈到电动机电路的P电=P热+P其他问题 ，在“练习与评价”中，五道习题中也有一道排气扇的题目，其他全是纯电阻的习题。

初中学生在准备中考时，关于电功率UI与热功率I2R; 电功UIt与电热I2Rt 的习题做过几百、上千道，对于这些公式掌握的非常熟练。现在高中的学生，还认为无论什么情况下，初中讲的欧姆定律都成立，认为UI、I2R和U2/R 总是相等的。殊不知初中讲的欧姆定律也有不适用的时候，这种情况下，上述三个公式就不再相等了，其中，U2/R甚至没有意义了。

基于这种情况，我们认为高中关于焦耳定律的教学，应该在学生能够熟练运用电功率UI与热功率I2R; 电功UIt与电热I2Rt这些公式的基础上，从欧姆定律不适用的问题入手，例如从电动机电路入手，讨论在这种情况下， UI与I2R; UIt与I2Rt各自的物理意义，以及它们何时相等，何时又不相等……等问题。与此同时渗透如下的思想：“算清电路中各种能量之间的关系（有人称之为“能量账”），是加深理解电路问题的基础，也是解有关电路习题的基础。”

实现我们上述设计思想的关键，在于能否用实验演示出：电动机电路中，输入的电功率UI等于热功率I2R与输出的机械功率之和，该实验的误差只要控制在10%之内，就算成功。

二、实验创新作品教学（即使用说明）

上课伊始。老师为学生演示电动机的实验，说明

电能————→机械能

根据电动机上面都贴着电动机的电阻，大约11.2Ω，两端接有12.2V，让学生猜想电动机工作时，电路中的电流多大？——学生大多根据初中的欧姆定律，猜想电流大约为1 A——而实验验证（如图1）实际结果却是0.07A——为什么？

由此总结出：在电动机的电路——有电能转化为机械能，不能再用我们初中的欧姆定律来计算电路的电流。

计算这种状态下，电动机获得多大的机械能？

已知：U=12.2V、I=0.07A、R=11.2Ω

电路的输入功率为：UI=12.2×0.07=0.854 （W）

发热功率为：I2R =0.072×11.2=0.055 （W）

电动机获得的机械功率：P机= UI - I2R =0.799W

由这部分机械功率“干什么了？”——引出这部分机械功率主要转化成为克服摩擦的功率。——为本堂课最后半定量实验的修正埋下伏笔。

仍然利用图四的实验，用手指增加电动机轴的摩擦力，发现电动机变慢，电路电流增大;摩擦力越大，转速越慢，电路电流越大。如果将电动机的轴用手指捏死，通过电动机的电流倒是1.1A 。

由这些实验，得出如下结论：

1.电动机工作时，初中学习的欧姆定律不再适用，通过电动机的电流与电动机的工作状态有关。

2.电动机不转，没有机械功率输出，已经不成为电动机了，这时电路就是纯电阻电路了，初中欧姆定律当然成立了。

请注意：使用电动机时，如果电动机卡死不转，电路的电流与发热功率都很大，可能很快将电动机烧毁。这是个极端—甚至是破坏性的实验，时间不能长。这时，应该尽快把电源断开。

为了深入探讨电路中的能量转化关系，再演示一个半定量实验：让电动机吊起一个m=300g的砝码，在匀速上升（并用打点计时器测量其速度为V=0.61m/s）的过程中，讨论电路能量之间的关系。实验装置如图1所示。

实验数据还有： U=12.2V ;  I=0.3A ;  R=11.2Ω

输入功率：UI = 12.2×0.3=3.66（W）

发热功率： I2R = 0.32×11.2=1.008（W）

提升重物的机械功率 P机=Fv=mgv =1.793（W）

为什么 I2R+P机=2.801W 不等于UI=3.66W 呢？相差还不少。问题出在哪里？

由于我们没有计算电动机转动轴消耗的摩擦功率，必然引起误差—如何测定这部分的摩擦功率呢？——我们无法测定这部分功率，但，可以借助同样的电动机在同样的电压下空转时，克服转动轴摩擦功率的大小，来进行修正。

由前述的伏笔可知：P机2=UI- I2R=0.799（W） ，这样发热功率、提升重物的功率与克服摩擦的功率之和：I2R+ P机+ P机2=1.008+1.793 +0.799=3.60（W）

与输入功率：UI = 12.2×0.3=3.66（W） 比较，两者就很接近了，误差大约2% 。”

本课的总结略。

四、实验创新展望（本标题最好改为：几点说明）

1.本课的半定量实验中，测定重物上升中段的速度，也可以用三个光电门，在上升中段相近的三个点进行测定。这样在课堂上可以重复两次、三次实验，而不用播放事先录制的录像，增加实验的真实性与可信度。

2.《新课程标准》提倡：尽量让学生亲自通过实验，体验某些物理过程。

学生实验的小电动机型号为PPN13PB125C，售价5元/台，外型如图2所示。电阻约6Ω。实验时，电动机接3V电压，短路（卡死）电流约0.5A  ;空载电流约0.05A 。其实验数据也可以很好反映电动机工作的定性情况。

3.有老师对小型电动机的电阻有如下意见：用电阻表测定小型电动机的电阻，离散度很大，几乎没有一个集中的数值。

对于型号为PPN13PB125C小电动机，我们用电阻表测定其电阻，令转子在不同位置，只要转子不动，其电阻都在6.2-6.4Ω之间。另一种测定方法：电动机接3V电压，转子在不同位置，短路（卡死）电流大约0.5A ，因此算出电阻约6Ω ，两种测定方法一致。

对于电动机的电阻问题，我们有如下的看法：

直流电动机应用非常广泛，工艺也已经很成熟了;电工学中有关直流电动机的理论也已经很成熟了，所以，电动机的电阻不可能成为不解之谜！。

人教版《高中物理选修3-1》第二章恒定电流5焦耳定律，有一道直流电动机的例题，其中也有电动机线圈电阻0.4Ω的条件，可见，电动机有一定的电阻的。