基于物理学科核心素养培养的“电流做功与电功率”单元复习教学实录

包亦涵，张修文

重庆市朝阳中学，重庆 400700

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）在课程性质中强调“义务教育物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程”，在课程理念部分提到“义务教育物理课程内容的选择，遵循初中学生身心发展规律，注重贴近学生生活……加强物理课程内容与生产生活、现代社会及科技发展的联系，为学生物理课程核心素养的发展打下基础”［1］。

“电流做功与电功率”是初中物理电学部分的重要内容。《课标》对此的具体要求是“学读家用电能表，根据读数计算用电量及电费；有安全用电和节约用电的意识；结合实例，了解电功和电功率；知道用电器的额定功率和实际功率；通过实验，了解焦耳定律……”鉴于此，笔者完成了“电流做功与电功率”单元复习教学设计，并在初中物理复习网络研讨活动中进行了交流展示，现将课堂实录呈现如下，以期与更多同行进行交流。

本教学设计的整体架构如图1所示。

图1 教学设计逻辑框架

1 贴近生活，激发兴趣，引领学生由感性认识向理性思考发展

1.1 创设学习情境，激发学习兴趣，提出生活问题

师：同学们，最近我们学校初一年级的小丽同学遇到一个让她困惑的问题，想让同学们帮忙解决，到底发生了什么？我们来听听她怎么说。

小丽的叙述（视频呈现）：哥哥姐姐，你们好！我是学校初一年级的小丽，我有一个疑惑想请你们帮我解答。事情是这样的，去年夏天，城里酷暑难耐，刚放暑假我便陪同爷爷奶奶来到了避暑房。可是还没进门，我就被门上的电费催缴单惊住了！

“亲爱的业主，截止6月底，您有83.6元电费未交，请您及时缴纳。谢谢！”

“咦，不对呀！我清楚地记得去年8月底，我们避暑离开前拔掉了电视、冰箱等家用电器的插头呀。这么多电到哪里去了呢？”我这样想着，忙打开门进行检查。发现有两个电视机机顶盒和一个小爱音箱处于待机状态。难道就是这三个小东西盗走了我家这么多电？

哥哥姐姐，请你们帮我做个判断吧！

师：这三个小东西就能偷走这么多电吗？带着这个问题，我们进入今天的学习。（板书：电流做功与电功率复习）

1.2 明晰知识架构，厘清知识疑难，解答生活问题

师：通过之前的学习我们知道，电功其实就是电流所做的功，且电流做了多少功就有多少电能转化成其他形式的能。（板书：电功即电流做的功）

师：电功我们用W表示，其普适计算式是？

生：W=UIt（普适计算式）。（师板书）

师：同学们分析得很清楚（同时板书），那么，电功的单位有哪些？

生：焦耳（J）和千瓦·时（kW·h，即“度”）。

师：J与kW·h的换算关系是？

生：1 kW·h=3.6×106J。

师：其实，在生活中我们更常用kW·h这个单位，如电能表就是以千瓦·时为单位。电能表是什么呢？（PPT上出示电能表实物照片，如图2）

图2 电能表实物照片

生：测量电功或者测量某段时间内所消耗电能多少的仪表。

师：表盘最上方小窗口的数字代表了什么？

生：消耗电能的总数。

师：同学们读数时注意与前面窗口不太一样的最后小窗口中的数字是小数位。

师：如果有一个电能表前后两次示数如图3所示（PPT上出示图片），则这段时间内电路消耗的电能是多少？

图3 同一电能表前后两次示数图

生：200 kW·h。

师：图2表盘上的“3 000 r/kW·h”表示什么意思？

生：每消耗1 kW·h的电能该电能表转盘所转的圈数是3 000。

师：如果该电能表转盘转了120圈，则电路消耗的电能是多少？

生：……0.04 kW·h。

1.3 依托科学数据，结合生活实际，培养节约品质

师：图2中电能表上的“220 V 50 Hz”表示该电能表是适用于我国家庭电路的电能表。既然通过电能表转盘所转的圈数可以反映电流做功的多少，那转盘转动快慢又反映的是什么呢？

生：反映的是电流做功的快慢，即电功率。

师：电功率（板书）。

师：在物理学中，我们用电功率表示电流做功的快慢。我们之前还学习过哪些表示快慢的物理量呢？

生：速度。

师：速度表示什么的快慢？是怎么定义的？

生：速度表示物体运动的快慢，等于路程除以时间。

师：根据速度的定义，电功率又该怎样定义？

生：与速度定义相似，可以得到电功率的定义式P=W/t。

师：正确。（同时板书P=W/t）那同学们也知道为什么1 kW·h=3.6×106J了吧？

生：知道。由P=W/t得W=Pt，如果功率单位是W，时间单位是s，对应的电功单位就是J；如果功率单位是kW，时间单位是h，对应的电功单位就是 kW·h，所以，1 kW·h=3.6×106J。

师：电功率的普适计算式是什么呢？

生：P=UI。

师：怎么来的？

生：将W=UIt代入定义式P=W/t，就得到电功率的普适计算式P=UI。

师：电功率的单位有哪些呢？

生：基本单位“瓦”（W）和常用单位“千瓦”（kW）。（师板书）

生：P=I2R=只适用于纯电阻用电器电功率的计算。

师：下面我们一起来了解常用家电的功率（出示PPT，内容略）。

师：接下来，该是我们帮助小丽同学解决困惑的时候了。

非税收入是政府财政收入的重要组成部分，应当纳入财政预算管理。从资金取得的管理、资金的预算管理及资金的分配使用管理各方面均应遵循政府财政收支预算的基本原则。镇街首先应该保证预算编制的完整性和真实性，按照实际情况进行编制，提升内部编报质量，并严格执行预算法等法律法规，将非税收入全部编入部门年度决算报表，确保会计信息质量；此外，还应该结合经费收支情况，把对预算编报完整性、真实性的审核与对经费收支情况的检查结合起来，从单一预算审核机制提升到“预算加收支”的双轨审查机制，加强预算编报与财政资金使用效益关联性。

小丽仔细检查后在机顶盒和音箱上分别发现了铭牌，具体内容分别为：机顶盒的工作功率约为25瓦，待机功率约为9瓦；小爱音箱的工作功率为80～190瓦，待机功率约为2瓦。

请你估算小丽家2个机顶盒和1个小爱音箱待机10个月所耗电能。

学生大致有两种计算方法：

第一种：E=W=Pt=（2×9+2）W×300×24×3.6×103s=5.184×108J=144 kW·h

第二种：E=W=Pt=（2×9+2）×10-3kW×300×24 h=144 kW·h

师：同学们，你们觉得本问题的计算哪个更好？

生：第二种。

2 立足实验现象，在问题解决中巩固、提高并拓展知识

师：由此可见，这小小的机顶盒和音箱在不知不觉中竟然浪费了144度电。按照每度电0.55元计算，144度电在80元左右。看来，的确是这三个小家伙偷走了如此多的电。

这样多的电如果能节约起来可以做哪些事情呢？我们一起来了解一下1度电可以拿来做些什么事情。（播放视频，其中有画面显示1度电能让新能源车行驶6公里）

师：请同学们计算一下，小丽家这10个月浪费的144度电大约可以使该新能源车行驶多远？

生：800多公里。

师：800多公里呀！从重庆到成都大概300公里，而小丽家10个月所浪费的电可以使该新能源车从重庆到成都跑个来回都还剩200公里左右的里程。你说小丽家如果能将这些电节约起来该多好呀！再想一想我们自己。平时我们家里没人时可能不止这三个小家伙在偷电，这还只是一户。经统计重庆市所有家庭把家里不用的插座拔下，一天节省的待机耗电量就是200万度，这是多大的浪费呀！所以，同学们平常要注意随手关电，为节能减排贡献自己的一份力量。学校也经常提醒同学们离开教室要记得关电。大家能做到吗？

生：能做到！

2.1 实验观察额定功率和实际功率的差异，理论分析其原因

师：如果同学们认真观察，就会发现每个用电器铭牌上都标有相应的电功率。如灯泡、电炉上会分别标有100 W、200 W、1 000 W等，请问这是它们的什么功率呢？

生：额定功率。

师：什么是额定功率呢？

生：额定功率指的是用电器正常工作时的电功率。

师：老师这里有2个额定功率都为100 W的灯泡，我把它们先串联，再并联，两次发光情况一样吗？

生：嗯……（学生不确定）

师：我们一起来看看。（教师实验）

师：同学们发现了什么？

生：并联时比串联时更亮！

师：额定功率都是100 W，为什么亮度不一样呢？

生：两种情况下每盏灯获得的电压不同。

师：同种规格的灯泡，为什么同学们观察到并联时比串联时要亮多了？谁想清楚了举手回答。

生：（思考后有学生回答）串联时每个灯泡所分电压是并联时的一半，灯泡是纯电阻用电器，由可知，串联时灯泡的功率只有并联时的四分之一，那亮度自然就差很多了。所以，灯泡的亮度取决于实际功率大小。

师：很好！如果忽略灯泡发热，就是这位同学说的结果。什么时候实际功率才等于额定功率呢？

生：实际电压等于额定电压。

师：我这里有个电炉，额定功率是1 000 W，那实际功率又是多大？该如何测量呢？

2.2 提出并解决问题，加强学生思维深度和广度的培养

师：我们主要学过哪种测量电功率的方法？

生：伏安法。

教师出示设置的问题（图4），并在学生回答的基础上强化、纠正、补充、拓展。

图4 测量电功率实验问题、原理图与实物图

师：多次实验的目的是什么？

生：多次测量取平均值，减小误差。（部分学生的回答）

师：对于同一用电器而言，不同电压对应的电功率都不一样，所以我们不能用取平均值来减小误差，而是多次实验得到电功率随电压变化的普遍规律。

师：那大家想一想我们能不能用这套装置测量家用电器的电功率呢？（拓展，以培养学生的灵活性）

生：不能吧！

师：为什么？

生：因为家庭电路是交流电，而我们所用的电表都是直流电表。

师：既然是交流电，我们使用交流电流表和交流电压表进行测量就对了，但请同学们注意它们符号的区别。（PPT上出示交流、直流测量原理图）

师：平常同学们在实验室使用的电表上面都有一条横线，表示什么意思？

生：只适用于直流电。

师：为什么我们平常没有画这条线呢？因为我们初中实验接触到的更多是直流电，即使不画这条线我们也默认为是直流电表。

师：我们既然能用伏安法测交流用电器的电功率，那能不能用伏安法测交流电路消耗的电能呢？

生：能。

师：还需要什么器材？

生：计时装置。

师：对，实验室往往采用这样的方法。（板书）其实，我们生活中就有可以直接测消耗电能的仪表，请同学们告诉我是什么？

生：电能表。

师：能否用电能表测交流用电器的功率？

生：能。

师：要用电能表测量交流用电器的电功率的话，依据什么原理？还需要什么实验器材？

师：对，但用这种方法测量的是一段时间内的平均值。所以，可以进行估测。

师：请同学们思考，我们具体应该怎样用电能表估测这个电炉的实际功率？

生：（抽学生独立回答）1.只让被测用电器单独工作；2.记录电能表参数N=1 200 r/kW·h；3.记录一段时间t和在这段时间t内电能表转盘转过的圈数或者闪烁的次数n。

师：接下来请一位同学来计时，圈数我们就定24圈吧。我们从3、2、1开始倒数，数0时这位同学开始计时，然后再从1数到24停止计时。（开始实验并记录）

师：请同学们依据测量数据，估算这个电炉工作时的电功率。（学生估算结果为1 440 W）

师：这个电炉铭牌上标有1 000 W，而我们实际测出来是1 440 W，是什么原因导致了这种差异呢？（留给学生思考时间之后，学生举手回答）

生：可能主要是测量时间的误差以及实际电压可能高于220 V。

师：那我们马上测试实际电压。（教师用示教交流电压表测试电压为228 V）

师：看来确实实际电压比额定电压高了，那还有没有其他原因呢？

生：（犹豫）

师：刚刚我们是让电炉刚开始工作不久就测的电功率，如果我们让电炉再工作一段时间使其达到稳定的温度再测电功率，结果会一样吗？

生：哦！（有学生恍然大悟）

师：（对顿悟学生）请你谈一谈想法。

生：因为随着温度的升高，电阻会变大，在我们测量时电炉刚开始工作，其电阻的值要小些，依据，电压一定时测量结果P变大。（学生鼓掌）

师：正是因为受电压和电阻的影响，加之工厂标出的值也未必是这个电炉准确的额定功率，所以有这样的差异也很正常。

3 问题导向，实验探究，理论解释

师：上述电炉工作时，能量是如何转化的呢？

生：电能转化为内能。

师：其实，电流流过导体都存在将电能转化成内能的现象，这就是电流的热效应。那么，电流产生的热量与什么因素有关呢？

生：电流强度、电阻大小和通电时间。

师：多个因素影响结果时，我们应该采用什么方法进行探究？

生：控制变量法。

师：请同学们回忆焦耳定律的实验，思考如下问题：

1.如果要探究电阻丝发热与电阻大小的关系，如何控制电流强度相等呢？

2.如果要探究电阻丝发热与电流大小的关系，又应该如何设计实验？

3.此处如何确定电阻丝产生热量的多少？

4.为什么这个实验要使用煤油而不用水？

教师在PPT上出示实验装置（图5），并共同探讨。

图5 焦耳定律实验装置图

师：英国物理学家焦耳通过大量的实验得出了焦耳定律，其内容是？

生：电流通过导体产生的热量与电流的二次方成正比，与导体的电阻成正比，与通电时间成正比。

师：其表达式是？

生：Q=I2Rt。（板书）

师：将U=IR代入电功定义式W=UIt，也可得到Q=I2Rt。由于U=IR中的U和I是纯电阻用电器上的电压和加上该电压对应通过的电流，所以这个电功计算式只适用于纯电阻用电器消耗电能转化为内能的计算。同样道理，将代入W=UIt得到的也应该只适用于纯电阻用电器消耗电能全部转化为内能的计算。如果用电器为非纯电阻用电器，其情况怎样呢？请看实验，注意观察电流表的读数变化。

师：（实验）让电动机（非纯电阻用电器）正常工作（学生读出电流表读数），将它的转轴卡住不动（学生读出电流表读数）。

师：卡住后和卡住前相比电流怎样变化？

生：变大。

师：电流为何变大？该现象说明了什么问题？

生：……

师：当电动机正常工作时电能的少部分转化为内能，另外大部分转化为了机械能，即在电动机线圈电阻上产生电流，形成热量的电压只是加给电动机电压中的一小部分，更多的电压则用于驱动电动机将电能转化为机械能。因此，用电压除以线圈电阻计算电流时，使用的电压就应该是这一小部分电压而不是加给电动机的全部电压；当电动机转轴被卡住时，加给它的电压全部在电动机线圈上形成电流产生热量，而电动机的电阻通常是很小的，导致此时的电流很大。所以，电动机被卡住时间稍长就要被烧坏。

生：哦……

师：也就是说，假设电动机正常工作时加给它的电压为U，此时通过它的电流为I，电动机的电阻为R，则U＞IR。所以，此时UIt＞I2Rt。归纳小结如图6所示。

图6 归纳小结图

4 例题分析，释疑解难

生活中我们常常利用电流的热效应，如洗完头之后我们经常用电吹风吹头发，如果想让头发干得快一些，我们往往会选择高温挡。

而有些同学可能觉得电吹风温度太高对头发损伤大就用中温挡甚至冷风挡，那电吹风具体是如何调节挡位的呢？

电吹风的原理如图7所示，它能实现冷风、中温、高温三个挡位的切换，若电源电压为220 V，电热丝电阻为55 Ω，不考虑温度对电阻和电热丝的影响。

图7 例题中电吹风电路原理图

（1）当S0接2和3，电吹风是______挡；当 S0接3和4且断开S，电吹风是______挡；当S0接3和4且闭合S，电吹风是_______挡（选填“冷风”“中温”或“高温”）。

（2）若电吹风技术参数为“额定电压220 V；冷风挡额定功率110 W”，则冷风挡正常工作时通过电动机的电流I=______A。该电动机的电阻 r______440 Ω（选填“＞”“＜”或“=”）。

（3）当电吹风处于中温挡热风时电热丝的功率为220 W，求R的阻值。

（4）当电吹风处于高温挡热风时，求电热丝的功率。

5 教学反思

本堂课的教学设计展示了如何将“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念融入具体教学过程；如何在教学中凸显“注重科学探究，突出问题导向，强调真实问题情境，引导学生在不断探索中解决物理问题”；如何将实验有效纳入复习教学，在教学中落实“科学态度与责任”等。教学中以电视机机顶盒和小爱音箱长期处于待机状态而浪费电能的问题研究引入，激发学生的探究兴趣和欲望，为解决该实际问题展开了对电功、电功率的相关复习、测量与计算，整堂课以问题为主线，用实验现象和对其科学解释为重点进行展开，达成巩固、提高和灵活运用知识的复习目标，以实现在具体的教学中培养学生物理学科核心素养的目的。