生活中的物理
专题讲座初中物理“电功率”教学研究与案例评析 王京燕（北京汇文中学,中学高级） 《电功率》在初中物理教学中既是重点，也是难点内容。它是在理解电功概念的基础上进一步学习的概念，电功率不仅是在已有电学知识的基础上的实际应用，是整个初中电学知识的综合和总结，而且是进一步学习电学的基础，并且在生产和生活实际中也有广泛的应用。所以是初中物理考查概念和规律的热点，又是考查能力的热点。因此我们在做电功率的教学研究时要从以下几个方面去深入探讨： 一、 对电功率知识的深层次理解。 二、电功率的教学策略。 三、学生常见错误和问题的分析与解决的策略方法 一、 对电功率知识的深层次理解 （一）电功率在初中物理中的位置 一般而言电功率分两个方面，一是对电源而言；一是对用电器而言。初中物理不要求对有关电源的各种功率的计算分析，只要求对用电器而言的各种功率的分析和计算,如额定功率、实际功率、热功率、输电线损失功率、电阻器消耗功率、电灯泡的发光功率、电路的功率等等。根据《物理新课程标准》的要求，中考对本专题知识考查的重点和热点一般是：电功率的概念和单位、计算公式和应用，测量小灯泡的电功率的探究实验，电功率和安全用电。本专题综合性强，重点内容密集，知识应用面广，既是考查概念和规律的热点，又是考查能力的热点。在近年的中考中，考查这一专题各知识点的形式多样，既有填空、选择和作图题，也有实验题和计算题，并且计算题作为试卷压轴题的频率极高。另外，这一知识点由于是电学知识的实际应用，与实际生活的联系也十分紧密，所以它的题目也往往注重联系生活实际和社会实际，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的新课程理念。体现了新课程“三维目标”，注重“过程和方法”的考查和“情感、态度与价值观”的培养，关注学生的“情感、态度和价值观”的体验和需要。将物理学的基本知识放在真实、生动的情景中，通过学生对问题情景的分析和解决的过程，来考查学生认识世界和理解世界的能力，考查学生利用已学知识的分析、解决具体问题的能力。而这一点恰恰和我们新课标的要求一致。它在我们三维目标中的任一目标都具有重要的地位。 （二）初中电功率的特点： 研究电功率的特点，可以看到这一知识点有两大特点： 1. 综合性强。不仅要综合前面的欧姆定律、串并联知识，还涉及到一些力学知识 ，既综合了实验现象和理论内容，还涉及到定量计算。 2. 与实际生活联系比较紧密。电功率中几乎每个知识点无论是电功和电功率的概念引入，还是电功率的实际测量都可以从实际问题引入新课，讲了知识后，又可以用所学知识解决实际问题。在现代生活中我们**常生活经常接触的一些用电器，我们对它的工作原理并不是十分熟悉，通过一些题目的计算，我们就能基本上了解他们的工作原理。并对电功率有更深的认识。 除了这两个特点以外，还可以为以后更广义的功、功率做好准备。所以，无论从新课程的要求上看，还是从物理知识的拓展上看，电功率都具有呈上启下的作用。 （三）电功率的知识拓展与生活应用 1. 区分电动机的输出功率、机械能功率和热功率 某一用直流电动机提升重物，重物的质量为 m= 50 千克 ，电源电压U=110 伏，不计电源内阻及各处摩擦，当电动机以 v= 0.9 米 / 秒的恒定速度向上提升重物时，电路中的电流 I=5 安，由此可知，电动机线圈的内阻为多少？若电动机正常工作时转子突然卡住，电动机的热功率为多大？  　该电路中的电动机在正常工作时可转化为机械能和热能。故其总输出功率包括提升重物的机械能功率和电动机内阻产生的热功率。而求电动机线圈内阻的前提条件是必须知道线圈内阻的热功率，但根据题设条件中的已知量不能直接求出线圈内阻的热功率，这就需要先求出电动机的输出功率和机械能功率。由题意分析知，电动机的输出功率可根据题设条件中已知量 U 和 I 应用 P=UI 求得，机械能功率则等于电动机对重物的做功功率。可学生经常将电动机的输出功率、机械能功率和热功率混为一谈，误以为电动机的热功率即等于电动机对重物的做功功率。故在求电动机内阻时出现“mgv = I2R”的错误。当电动机被突然卡住后，即变为一个纯电阻电路，虽然加在电动机两端的电压保持不变，但通过电动机的电流却发生变化。要用“P=UI”或“ P=I2R ”求解，根据欧姆定律求出电动机不正常工作时的电流。故在此情况下求电动机的热功率。 2. 正确使用家电可以省电：根据季节和存放食物种类、数量的变化，合理调节冰箱温度控制器，冰箱内存食物不要超过 80% ，以便箱内冷空气流通，能起到更好的冷冻效果，也更省电；电视机音量适度，通常音量大耗能多，每增加 1 瓦的音频功率，要增加 3 － 4 瓦耗电量；不同材料的家电，耗电能不同，比如使用电子镇流器就比传统镇流器省电 30% ，11 瓦的节能灯就相当于 60 瓦的白炽灯亮度，电子管电视机就比晶体管和集成电路电视机多耗 5 倍电。洗衣机的耗电量取决于电动机的额定功率和使用时间的长短。电动机的功率是固定的，所以恰当地减少洗涤时间，就能节约用电。电风扇节电一般扇叶大的电风扇，电功率就大，消耗的电能也多。同一台电风扇的最快档与最慢档的耗电量相差约 40% ，在快档上使用 1 小时的耗电量可在慢档上使用将近 2 小时。所以，常用慢速度，可减少电风扇的耗电量。这些生活中的小常识可以通过电功率的教学介绍给学生。 二、电功率的教学策略 谈起电功率的教学策路，新课标对电功率知识的要求即它是初中电学考察的重点也是难点, 和它本身的特点即综合性强来看, 我认为讲电功率的教学策略不能单单从一节课的教学去讲，而应该从新课的教学和习题的教学两个方面去探讨。 （一）设计理念 1. 在引入电功率概念的过程中，通过给学生创设问题的情景，充分调动学生的积极性，使学生去讨论、去猜想、设计实验方案并动手做实验，使本节课的教学过程如研究课题那样去进行。 2. 在整个教学过程中，教师是学生的合作者、引导者和参与者。教学过程是师生交流、共同发展的互动过程。当学生遇到困难时，教师要和学生一起猜想、分析，从中点拨其思维。 3. 教学的真正目的是让学生探索规律，获得研究、思维的方法，然后通过方法的获得以及运用方法探索、创造的过程，使学生形成对科学研究有亲近热爱、和谐相融的情感，具有乐于探索物理现象和**常生活中的物理学原理的科学精神。因此，本节课将把思维程序作为贯穿整个教学过程的主线，教给学生一种研究问题的思维方法，从而培养学生的多种能力，尤其是创造能力，达到教学的真正目的。 （二）确定教学目标作为一个知识点的学习首先要有一个明确的目标。 这就意味着我们的教育过程不仅要交给学生知识，还要在教学过程中让学生接受过程与方法、情感与价值观等方面的熏陶。我们不仅要做传授知识的老师，还要做学生灵魂的设计师。这也正是新课程理念所授予的“知识与技能、过程与方法、情感、态度、价值观”这三个目标的内涵。  　新课改以注重全体学生的发展，改变学科本位的观念；注重科学探究，提倡学习方式多样化，注意学科渗透，关心科技发展等为基本理念，强调学生“从生活走向物理，从物理走向社会”。由此可知，物理学习的主要目的不仅仅是学习物理知识，而是通过学习物理，学会探究，学会学习，提高科学素养，养成正确的价值观。学生不能再如以往，只依靠上课听、课后练等传统的学习方法来接受知识，而是通过各种形式的学习方式，体味知识的形成过程，领悟发现知识的方法，学以致用，体会物理知识在生活和生产中的实际应用。适应课改精神，实验课不再是单纯的验证，也不是单纯训练操作的熟练程度，而是在老师引导下，学生以探究和研究为主的自主进行的综合性学习活动，是一种全新的自主学习方式。根据新课标对本节的具体要求，同时针对初中生的心理特点和认知水平，本着面向全体、使学生全面主动发展的原则，来确定每一个知识的教学目标如下： 知识与技能目标： （ 1 ）理解电功、电功率的概念和公式，记住电功率的单位。 （ 2 ）理解测定小灯泡功率的原理。 （ 3 ）理解用电器的额定电压、额定功率的含义，会区分额定功率和实际功率。知道灯的亮暗是由实际功率的大小决定的。 过程与方法目标： （ 1 ）通过生活情景发现小灯泡的电功率随它两端电压的改变而改变，并探究掌握其变化规律，体验小灯泡（用电器）在不同功率下的工作状态 （ 2 ）自主设计测小灯泡功率的实验方案并进行实验。 （ 3 ）通过电功率概念的建立和测小灯泡功率的活动，使学生领悟可以用类比、实验等方法来研究物理问题。 情感态度与价值观目标： （ 1 ）通过设置的“失败”实验及讨论、探究等一系列活动，激发学生学习物理知识的兴趣。 （ 2 ）通过额定电压和额定功率的学习，使学生感悟这部分知识与**常生活、生产、科学技术的与生活的密切关系。 （三）教学重点与难点： 教学重点：作为一节概念课，从概念的建立到运用都很重要，而且教学目标中对电功率的公式要求到掌握的层次，测小灯泡功率的实验是电学中重点实验，所以把电功率的概念和公式，测小灯泡功率的实验，作为本节的重点。 教学难点： （ 1 ）额定功率、实际功率的理解； （ 2 ）设计实验及实验数据的分析处理能力。 （四）教学环节的设计： 为了实现这一三维目标，在电功率的教学设计中应该注重三个主要环节：一、电功率概念的建立；二、额定电压和额定功率；三、小灯泡功率的测量。 1. 电功率概念的引入最好的教育就是“从生活中学习”。物理来源于生活,那么物理教学就应该将课堂与生活紧密联系起来,体现物理来源于生活,寓于生活,又是解决生活问题的基本工具。在物理教学中要有意识地加强物理与生活的联系,引导学生从生活走进物理。教师能有意识地寻出生活中一些有关物理的现象和事物，并将它作为教学的切入点，通过它将众多的有关物理知识有机地联系起来，让学生亲身感受、积极参与、主动思考，将会极大限度地激发学生学习物理的兴趣，培养学生观察生产和生活中的物理的习惯，教会学生联系实际的方法，在不知不觉中培养学生物理的能力。所以，在电功率新课的教学中，通过实际生活引入物理情景是 实现新课程标准下教学三维目标的有效手段。电能、电功、电功率等。即看不见也摸不到，学生无法直接体验到这些物理量。这使学生感觉书本知识冰冷而陌生。在教学中，我们可以采用创设情景的方法。 （情景一） ［演示］让学生观察不同用电器工作时电能表转盘转动的快慢。学生在观察的过程中，会发现不同的用电器工作时电能表转盘转动快慢不同（或电能表上小灯闪动的快慢不同），引入表示电流做功快慢的物理量——电功率 （ 1 ）先将 15 W 的电灯接入电路，合上开关，灯发光，同学们观察电能表转动情况。 （ 2 ）将 15 W 的灯泡取下，换上 100 W 的灯重复第一步实验。同学们观察并比较两次转动快慢情况。 ［生］电能表第二次比第一次转动得快，灯也是第二次比第一次亮。 （ 3 ）将两只灯泡并联接入电路，合上开关，两灯均亮。再观察电能表的转动情况，并和前两次做比较。 ［生］第三次电能表转动得比第二次还快。 ［师］（断开电源，取下两只灯泡）同学们再观察这两只灯泡，有什么发现？。 ［生］两只灯泡不一样，一只上标着“220V，15 W”，另一只灯泡上标着“220V，100 W”。 ［师］电能表转得快说明了什么？转得慢又说明了什么呢？ ［师］同学们作分析：原来电能表铝盘转动的快慢不同，表示了用电器消耗电能的快慢不同。 我们引入一个新的物理量来描述用电器的这种物理性质，这个物理量叫电功率，它的大小等于单位时间用电器消耗电能。 （情景二） 教师设问: 某家庭上月在用电管理所交费购入 100 元的电,约 200 度 ( 按本地电价水平计算 ), 结果 40 天后全部用完。同样的情况下另一家庭却用了 60 天。哪个家庭耗电更快 ? 能否从电表上反映出来 ? 从家庭用电的实际情况入手让学生亲身体会到了不同用电器消耗电能的快慢不同，这正是我们课堂上要给出的电功率。使这一抽象难懂的物理概念变成学生身边的由学生自己发现并总结出来的知识点，理解起来就会很容易。 （情景三） 问：（ l ）怎样比较物体运动的快慢？（物体在单位时间内通过的路程为速度。） （ 2 ）怎样比较力对物体做功的快慢？（物体在单位时间内完成的功是一功率。） （ 3 ）怎样比较电流做功的快慢？（挂出写有例题的小黑板。） 例：电流通过洗衣机的电动机，通电半小时做功 180000 焦；电流通过公共电车的电动机，通电 2 秒钟做功 120000 焦。问： ① 电流通过哪个电动机做功多？（通过洗衣机电动机） ② 电流通过哪个电动机做功快呢？ 告诉学生，电流做功的快做，仅从它做功的多少来考虑是不行的，必须看它们在相同的时间里哪个做的功多，这就跟比较运动快慢和物体做功的快慢一样。 分别计算出电流通过洗衣机电动机、电车电动机每秒钟做的功：100 焦、60000 焦。结论：电流通过电车的电动机做功快。 电功率概念这一环节的引入让学生感觉到课堂与生活紧密相连。知识就产生于自 己对**常生活的观察和理解。使知识变得亲切且鲜活，学生自然就没有了畏惧心理。顺应了学生的认知习惯，使得学生在学习过程中自然、轻松。对电功率的恐惧不攻自破。 （情景四）： 首先将标有“220V 200W”的白炽灯与标有“220V 1000W”的热水壶分别接入带有电能表的家庭电路示教板中，通过实物投影，让学生仔细观察、陈述现象、分析原因。并说明家中电能表何时转的最快。    接着重复上述实验，特意将标有“220V 200W”的白炽灯通电时间延长，让学生仔细观察分辨：电能表的铝盘转动的圈数多少与铝盘转动快慢的比较。提出电能消耗快慢的度量问题，引入电功率的概念。让学生体验生活中的物理。通过这些感性材料形成对电功率的意义的理解，并突出了电功率与电能的区别。    然后通过多媒体给出三组用电器消耗电能的测定数据，同组数据进行比较，谁消耗电能多？谁消耗电能快？ 让学生通过自己的分析比较，抽象概括得出电功率的定义及定义式。这是学生思维的升华。通过学习活动加深对物理概念的理解，体会运用控制变量的研究方法，这样教学重点和难点得以突破。 2. 额定电压和额定功率 对于额定电压和额定功率这一难点的突破，我们可以采用以下几种方法来进行： （案例一）我们可以故意设置一个烧毁小灯泡的“失败”的实验，激发学生学习的积极性，使学生从寻“失败”的原因中领悟到，要使小灯泡正常发光，必须要有一个合适的电压。同时也为后面正确设计测小灯泡功率埋下伏笔。 （案例二） 分别用干电池 1 、2 、3 、4 、5 、6 节做电源接入小灯泡，让学生仔细观察电路中灯泡的亮度。 学生观察实验并描述实验现象，学生思考并讨论原因。 电压增大、电流增大、灯电功率增大、灯的亮度增大。 引出额定电压的概念是 额定电压：用电器正常工作时的电压叫做额定电压。它的值是一定的。 额定电功率：用电器在额定电压下工作时的电功率。 学生观看课件，看小灯泡的铭牌。 练习： 一个额定电压为 220 伏、额定功率为 500 瓦的电热水器，在正常工作时通过电阻丝的电流多大？当把它接到 110 伏电源上时，测得它的电流是 1.14 安，这时它的实际电功率多大？ 当用电器两端实际电压不等于额定电压时，实际电功率也不等于额定电功率。区别额定电压与实际电压，额定电功率与实际电功率。 （案例三） 1. 投影展示：你想过吗：物理就在我们身边 在用电高峰时，电压较低，这时电灯会怎样？你能提出什么问题或有什么想法呢？（启发学生讨论、思考） 2. 猜想与假设： 你的猜想：你认为当电压变化（变大或变小）时电功率如何变化呢？你的依据是什么？ 3. 制定计划、设计实验： 如何来验证我们的猜想呢？（引导学生讨论、交流：此处应给学生足够的时间去交流讨论） 最后由学生描述自己设计的实验思路和方法（应尽可能让学生自己去说出思路，让每个学生都要明白设计这个实验的目的是什么？） 观察亮度和电压的关系 投影引入：额定电压（ U 额）：用电器正常工作时的电压。 额定功率（ P 额）：用电器在额定电压下的功率。 投影展示：小灯泡的亮度取决于——实际功率（ P 实） 3、小灯泡功率的测量。 测量电功率实验理所当然是初中物理的重点实验。它涉及到电学中电流表、电压表和滑动变阻器这三种常用仪器的使用，是一个综合性实验。按照全**制初级中学物理新课程标准的要求，对它教学目标应定位为：会测算小灯泡的额定功率和实际功率，进一步练习使用电压表、电流表和滑动变阻器；培养学生制定计划与设计实验的能力。除了对科学内容的要求以外，还对科学探究能力提出了要求，主要应定位在“培养学生制定计划与设计实验的能力，能通过观察和实验收集数据，尝试评估有关信息的科学性和认识进行实验与收集数据对科学探究的重要性”这几个方面。 在本知识点的导入过程中，执教老师可先对电功率的概念和伏安法测电阻的实验进行复习再按照科学探究的几个要素——提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与论证、评估、交流与合作组织教学，符合新课标对科学探究能力的要求。引入时尽量在老师的启发下让学生自己设计和修改电路，让孩子们体验成功的快乐。 做好这个实验有利于学生进一步熟练正确使用电学的基本仪器，使学生直观地了解小灯泡的工作情况，同时加深对所学新知识的理解。因此在教学上分三步做： 第一步：学生在演示实验中解决操作中基本问题（例如线路的连接顺序、电流表、电压表的连接要求等）， 第二步：在学生初步理解额定电压和额定功率的基础上，启发学生选用滑动变阻器来改变小灯泡两端的电压， 第三步：是对实验数据的分析，深化学生对灯泡的实际功率与其两端电压变化的关系的理解，进一步内化了额定电压和额定功率的概念。 在新课教学中能按照新课程标准中关于科学探究的几个要素组织教学，注重培养学生制定计划与设计实验的能力，通过观察和实验收集数据，让学生尝试和体验评估有关信息的科学性和认识进行实验与收集数据对科学探究的重要性。培养学生实事求是的科学态度和不畏艰难、勇于探索的精神以及一丝不苟、爱护公物的品质，同时通过 LED 光源对学生进行节能意识等的价值观教育。在实现知识目标的同时也实现了对能力与情感价值观的培养，体现了新课程理念下的三维目标。 对电功率测量的拓展： 在小灯泡的测量试验中还可以培养学生灵活应用试验的能力。 当仪器不足，无法用伏安法测量时，如何只用电流表或只用电压表采用双安或双伏、或等效替代来测量电功率也是对小灯泡功率测量的要求。 三、学生常见错误与问题的分析与解决的策略方法 （一）混淆额定功率与实际功率 对学生来说，问题不在于他们不能理解概念 ，而在于他们不能把两个概念区分开来。 额定功率与实际功率是两个不同的概念，在实际生活中，用电器工作时的电压往往不是额定电压，实际的电流强度、电功率也就不再与其对应的额定值相符，例如有一只白炽灯泡，标有“PZ220 — 100”字样，当它接在 110 伏的电路上时，实际消耗的电功率多大？ 同学们很容易选择电流作为额定功率和实际功率的联系点，先通过额定功率和额定电压计算出额定电流，之后再用这一额定电流与实际电压相乘得到实际功率。 解决策咯： 显然在实际电压发生改变时，实际电流不可能等于额定电流而保持不变，在这个变化过程中唯一不变的是用电器的电阻值，由于它只由用电器本身性质决定，在不考虑温度影响的情况下，可以认为是恒定不变的，这也是我们在解决这类问题时建立等式的依据。 只有用电器的电阻才能将实际功率与额定功率联系起来，这也是我们解答本题的着手点。所以在讲解这个知识点时，我建议用题和实验结合起来讲，使理论知识和感性融合，孩子们更容易理解。