基于物理學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的“電流做功與電功率”單元復習教學實錄

包亦涵，張修文

重慶市朝陽中學，重慶 400700

《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課標》）在課程性質(zhì)中強調(diào)“義務教育物理課程是一門以實驗為基礎的自然科學課程”，在課程理念部分提到“義務教育物理課程內(nèi)容的選擇，遵循初中學生身心發(fā)展規(guī)律，注重貼近學生生活……加強物理課程內(nèi)容與生產(chǎn)生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系，為學生物理課程核心素養(yǎng)的發(fā)展打下基礎”［1］。

“電流做功與電功率”是初中物理電學部分的重要內(nèi)容。《課標》對此的具體要求是“學讀家用電能表，根據(jù)讀數(shù)計算用電量及電費；有安全用電和節(jié)約用電的意識；結合實例，了解電功和電功率；知道用電器的額定功率和實際功率；通過實驗，了解焦耳定律……”鑒于此，筆者完成了“電流做功與電功率”單元復習教學設計，并在初中物理復習網(wǎng)絡研討活動中進行了交流展示，現(xiàn)將課堂實錄呈現(xiàn)如下，以期與更多同行進行交流。

本教學設計的整體架構如圖1所示。

圖1 教學設計邏輯框架

1 貼近生活，激發(fā)興趣，引領學生由感性認識向理性思考發(fā)展

1.1 創(chuàng)設學習情境，激發(fā)學習興趣，提出生活問題

師：同學們，最近我們學校初一年級的小麗同學遇到一個讓她困惑的問題，想讓同學們幫忙解決，到底發(fā)生了什么？我們來聽聽她怎么說。

小麗的敘述（視頻呈現(xiàn)）：哥哥姐姐，你們好！我是學校初一年級的小麗，我有一個疑惑想請你們幫我解答。事情是這樣的，去年夏天，城里酷暑難耐，剛放暑假我便陪同爺爺奶奶來到了避暑房。可是還沒進門，我就被門上的電費催繳單驚住了！

“親愛的業(yè)主，截止6月底，您有83.6元電費未交，請您及時繳納。謝謝！”

“咦，不對呀！我清楚地記得去年8月底，我們避暑離開前拔掉了電視、冰箱等家用電器的插頭呀。這么多電到哪里去了呢？”我這樣想著，忙打開門進行檢查。發(fā)現(xiàn)有兩個電視機機頂盒和一個小愛音箱處于待機狀態(tài)。難道就是這三個小東西盜走了我家這么多電？

哥哥姐姐，請你們幫我做個判斷吧！

師：這三個小東西就能偷走這么多電嗎？帶著這個問題，我們進入今天的學習。（板書：電流做功與電功率復習）

1.2 明晰知識架構，厘清知識疑難，解答生活問題

師：通過之前的學習我們知道，電功其實就是電流所做的功，且電流做了多少功就有多少電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能。（板書：電功即電流做的功）

師：電功我們用W表示，其普適計算式是？

生：W=UIt（普適計算式）。（師板書）

師：同學們分析得很清楚（同時板書），那么，電功的單位有哪些？

生：焦耳（J）和千瓦·時（kW·h，即“度”）。

師：J與kW·h的換算關系是？

生：1 kW·h=3.6×106J。

師：其實，在生活中我們更常用kW·h這個單位，如電能表就是以千瓦·時為單位。電能表是什么呢？（PPT上出示電能表實物照片，如圖2）

圖2 電能表實物照片

生：測量電功或者測量某段時間內(nèi)所消耗電能多少的儀表。

師：表盤最上方小窗口的數(shù)字代表了什么？

生：消耗電能的總數(shù)。

師：同學們讀數(shù)時注意與前面窗口不太一樣的最后小窗口中的數(shù)字是小數(shù)位。

師：如果有一個電能表前后兩次示數(shù)如圖3所示（PPT上出示圖片），則這段時間內(nèi)電路消耗的電能是多少？

圖3 同一電能表前后兩次示數(shù)圖

生：200 kW·h。

師：圖2表盤上的“3 000 r/kW·h”表示什么意思？

生：每消耗1 kW·h的電能該電能表轉(zhuǎn)盤所轉(zhuǎn)的圈數(shù)是3 000。

師：如果該電能表轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)了120圈，則電路消耗的電能是多少？

生：……0.04 kW·h。

1.3 依托科學數(shù)據(jù)，結合生活實際，培養(yǎng)節(jié)約品質(zhì)

師：圖2中電能表上的“220 V 50 Hz”表示該電能表是適用于我國家庭電路的電能表。既然通過電能表轉(zhuǎn)盤所轉(zhuǎn)的圈數(shù)可以反映電流做功的多少，那轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動快慢又反映的是什么呢？

生：反映的是電流做功的快慢，即電功率。

師：電功率（板書）。

師：在物理學中，我們用電功率表示電流做功的快慢。我們之前還學習過哪些表示快慢的物理量呢？

生：速度。

師：速度表示什么的快慢？是怎么定義的？

生：速度表示物體運動的快慢，等于路程除以時間。

師：根據(jù)速度的定義，電功率又該怎樣定義？

生：與速度定義相似，可以得到電功率的定義式P=W/t。

師：正確。（同時板書P=W/t）那同學們也知道為什么1 kW·h=3.6×106J了吧？

生：知道。由P=W/t得W=Pt，如果功率單位是W，時間單位是s，對應的電功單位就是J；如果功率單位是kW，時間單位是h，對應的電功單位就是 kW·h，所以，1 kW·h=3.6×106J。

師：電功率的普適計算式是什么呢？

生：P=UI。

師：怎么來的？

生：將W=UIt代入定義式P=W/t，就得到電功率的普適計算式P=UI。

師：電功率的單位有哪些呢？

生：基本單位“瓦”（W）和常用單位“千瓦”（kW）。（師板書）

生：P=I2R=只適用于純電阻用電器電功率的計算。

師：下面我們一起來了解常用家電的功率（出示PPT，內(nèi)容略）。

師：接下來，該是我們幫助小麗同學解決困惑的時候了。

非稅收入是政府財政收入的重要組成部分，應當納入財政預算管理。從資金取得的管理、資金的預算管理及資金的分配使用管理各方面均應遵循政府財政收支預算的基本原則。鎮(zhèn)街首先應該保證預算編制的完整性和真實性，按照實際情況進行編制，提升內(nèi)部編報質(zhì)量，并嚴格執(zhí)行預算法等法律法規(guī)，將非稅收入全部編入部門年度決算報表，確保會計信息質(zhì)量；此外，還應該結合經(jīng)費收支情況，把對預算編報完整性、真實性的審核與對經(jīng)費收支情況的檢查結合起來，從單一預算審核機制提升到“預算加收支”的雙軌審查機制，加強預算編報與財政資金使用效益關聯(lián)性。

小麗仔細檢查后在機頂盒和音箱上分別發(fā)現(xiàn)了銘牌，具體內(nèi)容分別為：機頂盒的工作功率約為25瓦，待機功率約為9瓦；小愛音箱的工作功率為80～190瓦，待機功率約為2瓦。

請你估算小麗家2個機頂盒和1個小愛音箱待機10個月所耗電能。

學生大致有兩種計算方法：

第一種：E=W=Pt=（2×9+2）W×300×24×3.6×103s=5.184×108J=144 kW·h

第二種：E=W=Pt=（2×9+2）×10-3kW×300×24 h=144 kW·h

師：同學們，你們覺得本問題的計算哪個更好？

生：第二種。

2 立足實驗現(xiàn)象，在問題解決中鞏固、提高并拓展知識

師：由此可見，這小小的機頂盒和音箱在不知不覺中竟然浪費了144度電。按照每度電0.55元計算，144度電在80元左右。看來，的確是這三個小家伙偷走了如此多的電。

這樣多的電如果能節(jié)約起來可以做哪些事情呢？我們一起來了解一下1度電可以拿來做些什么事情。（播放視頻，其中有畫面顯示1度電能讓新能源車行駛6公里）

師：請同學們計算一下，小麗家這10個月浪費的144度電大約可以使該新能源車行駛多遠？

生：800多公里。

師：800多公里呀！從重慶到成都大概300公里，而小麗家10個月所浪費的電可以使該新能源車從重慶到成都跑個來回都還剩200公里左右的里程。你說小麗家如果能將這些電節(jié)約起來該多好呀！再想一想我們自己。平時我們家里沒人時可能不止這三個小家伙在偷電，這還只是一戶。經(jīng)統(tǒng)計重慶市所有家庭把家里不用的插座拔下，一天節(jié)省的待機耗電量就是200萬度，這是多大的浪費呀！所以，同學們平常要注意隨手關電，為節(jié)能減排貢獻自己的一份力量。學校也經(jīng)常提醒同學們離開教室要記得關電。大家能做到嗎？

生：能做到！

2.1 實驗觀察額定功率和實際功率的差異，理論分析其原因

師：如果同學們認真觀察，就會發(fā)現(xiàn)每個用電器銘牌上都標有相應的電功率。如燈泡、電爐上會分別標有100 W、200 W、1 000 W等，請問這是它們的什么功率呢？

生：額定功率。

師：什么是額定功率呢？

生：額定功率指的是用電器正常工作時的電功率。

師：老師這里有2個額定功率都為100 W的燈泡，我把它們先串聯(lián)，再并聯(lián)，兩次發(fā)光情況一樣嗎？

生：嗯……（學生不確定）

師：我們一起來看看。（教師實驗）

師：同學們發(fā)現(xiàn)了什么？

生：并聯(lián)時比串聯(lián)時更亮！

師：額定功率都是100 W，為什么亮度不一樣呢？

生：兩種情況下每盞燈獲得的電壓不同。

師：同種規(guī)格的燈泡，為什么同學們觀察到并聯(lián)時比串聯(lián)時要亮多了？誰想清楚了舉手回答。

生：（思考后有學生回答）串聯(lián)時每個燈泡所分電壓是并聯(lián)時的一半，燈泡是純電阻用電器，由可知，串聯(lián)時燈泡的功率只有并聯(lián)時的四分之一，那亮度自然就差很多了。所以，燈泡的亮度取決于實際功率大小。

師：很好！如果忽略燈泡發(fā)熱，就是這位同學說的結果。什么時候?qū)嶋H功率才等于額定功率呢？

生：實際電壓等于額定電壓。

師：我這里有個電爐，額定功率是1 000 W，那實際功率又是多大？該如何測量呢？

2.2 提出并解決問題，加強學生思維深度和廣度的培養(yǎng)

師：我們主要學過哪種測量電功率的方法？

生：伏安法。

教師出示設置的問題（圖4），并在學生回答的基礎上強化、糾正、補充、拓展。

圖4 測量電功率實驗問題、原理圖與實物圖

師：多次實驗的目的是什么？

生：多次測量取平均值，減小誤差。（部分學生的回答）

師：對于同一用電器而言，不同電壓對應的電功率都不一樣，所以我們不能用取平均值來減小誤差，而是多次實驗得到電功率隨電壓變化的普遍規(guī)律。

師：那大家想一想我們能不能用這套裝置測量家用電器的電功率呢？（拓展，以培養(yǎng)學生的靈活性）

生：不能吧！

師：為什么？

生：因為家庭電路是交流電，而我們所用的電表都是直流電表。

師：既然是交流電，我們使用交流電流表和交流電壓表進行測量就對了，但請同學們注意它們符號的區(qū)別。（PPT上出示交流、直流測量原理圖）

師：平常同學們在實驗室使用的電表上面都有一條橫線，表示什么意思？

生：只適用于直流電。

師：為什么我們平常沒有畫這條線呢？因為我們初中實驗接觸到的更多是直流電，即使不畫這條線我們也默認為是直流電表。

師：我們既然能用伏安法測交流用電器的電功率，那能不能用伏安法測交流電路消耗的電能呢？

生：能。

師：還需要什么器材？

生：計時裝置。

師：對，實驗室往往采用這樣的方法。（板書）其實，我們生活中就有可以直接測消耗電能的儀表，請同學們告訴我是什么？

生：電能表。

師：能否用電能表測交流用電器的功率？

生：能。

師：要用電能表測量交流用電器的電功率的話，依據(jù)什么原理？還需要什么實驗器材？

師：對，但用這種方法測量的是一段時間內(nèi)的平均值。所以，可以進行估測。

師：請同學們思考，我們具體應該怎樣用電能表估測這個電爐的實際功率？

生：（抽學生獨立回答）1.只讓被測用電器單獨工作；2.記錄電能表參數(shù)N=1 200 r/kW·h；3.記錄一段時間t和在這段時間t內(nèi)電能表轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過的圈數(shù)或者閃爍的次數(shù)n。

師：接下來請一位同學來計時，圈數(shù)我們就定24圈吧。我們從3、2、1開始倒數(shù)，數(shù)0時這位同學開始計時，然后再從1數(shù)到24停止計時。（開始實驗并記錄）

師：請同學們依據(jù)測量數(shù)據(jù)，估算這個電爐工作時的電功率。（學生估算結果為1 440 W）

師：這個電爐銘牌上標有1 000 W，而我們實際測出來是1 440 W，是什么原因?qū)е铝诉@種差異呢？（留給學生思考時間之后，學生舉手回答）

生：可能主要是測量時間的誤差以及實際電壓可能高于220 V。

師：那我們馬上測試實際電壓。（教師用示教交流電壓表測試電壓為228 V）

師：看來確實實際電壓比額定電壓高了，那還有沒有其他原因呢？

生：（猶豫）

師：剛剛我們是讓電爐剛開始工作不久就測的電功率，如果我們讓電爐再工作一段時間使其達到穩(wěn)定的溫度再測電功率，結果會一樣嗎？

生：哦！（有學生恍然大悟）

師：（對頓悟?qū)W生）請你談一談想法。

生：因為隨著溫度的升高，電阻會變大，在我們測量時電爐剛開始工作，其電阻的值要小些，依據(jù)，電壓一定時測量結果P變大。（學生鼓掌）

師：正是因為受電壓和電阻的影響，加之工廠標出的值也未必是這個電爐準確的額定功率，所以有這樣的差異也很正常。

3 問題導向，實驗探究，理論解釋

師：上述電爐工作時，能量是如何轉(zhuǎn)化的呢？

生：電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

師：其實，電流流過導體都存在將電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的現(xiàn)象，這就是電流的熱效應。那么，電流產(chǎn)生的熱量與什么因素有關呢？

生：電流強度、電阻大小和通電時間。

師：多個因素影響結果時，我們應該采用什么方法進行探究？

生：控制變量法。

師：請同學們回憶焦耳定律的實驗，思考如下問題：

1.如果要探究電阻絲發(fā)熱與電阻大小的關系，如何控制電流強度相等呢？

2.如果要探究電阻絲發(fā)熱與電流大小的關系，又應該如何設計實驗？

3.此處如何確定電阻絲產(chǎn)生熱量的多少？

4.為什么這個實驗要使用煤油而不用水？

教師在PPT上出示實驗裝置（圖5），并共同探討。

圖5 焦耳定律實驗裝置圖

師：英國物理學家焦耳通過大量的實驗得出了焦耳定律，其內(nèi)容是？

生：電流通過導體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比，與導體的電阻成正比，與通電時間成正比。

師：其表達式是？

生：Q=I2Rt。（板書）

師：將U=IR代入電功定義式W=UIt，也可得到Q=I2Rt。由于U=IR中的U和I是純電阻用電器上的電壓和加上該電壓對應通過的電流，所以這個電功計算式只適用于純電阻用電器消耗電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的計算。同樣道理，將代入W=UIt得到的也應該只適用于純電阻用電器消耗電能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的計算。如果用電器為非純電阻用電器，其情況怎樣呢？請看實驗，注意觀察電流表的讀數(shù)變化。

師：（實驗）讓電動機（非純電阻用電器）正常工作（學生讀出電流表讀數(shù)），將它的轉(zhuǎn)軸卡住不動（學生讀出電流表讀數(shù)）。

師：卡住后和卡住前相比電流怎樣變化？

生：變大。

師：電流為何變大？該現(xiàn)象說明了什么問題？

生：……

師：當電動機正常工作時電能的少部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，另外大部分轉(zhuǎn)化為了機械能，即在電動機線圈電阻上產(chǎn)生電流，形成熱量的電壓只是加給電動機電壓中的一小部分，更多的電壓則用于驅(qū)動電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能。因此，用電壓除以線圈電阻計算電流時，使用的電壓就應該是這一小部分電壓而不是加給電動機的全部電壓；當電動機轉(zhuǎn)軸被卡住時，加給它的電壓全部在電動機線圈上形成電流產(chǎn)生熱量，而電動機的電阻通常是很小的，導致此時的電流很大。所以，電動機被卡住時間稍長就要被燒壞。

生：哦……

師：也就是說，假設電動機正常工作時加給它的電壓為U，此時通過它的電流為I，電動機的電阻為R，則U＞IR。所以，此時UIt＞I2Rt。歸納小結如圖6所示。

圖6 歸納小結圖

4 例題分析，釋疑解難

生活中我們常常利用電流的熱效應，如洗完頭之后我們經(jīng)常用電吹風吹頭發(fā)，如果想讓頭發(fā)干得快一些，我們往往會選擇高溫擋。

而有些同學可能覺得電吹風溫度太高對頭發(fā)損傷大就用中溫擋甚至冷風擋，那電吹風具體是如何調(diào)節(jié)擋位的呢？

電吹風的原理如圖7所示，它能實現(xiàn)冷風、中溫、高溫三個擋位的切換，若電源電壓為220 V，電熱絲電阻為55 Ω，不考慮溫度對電阻和電熱絲的影響。

圖7 例題中電吹風電路原理圖

（1）當S0接2和3，電吹風是______擋；當 S0接3和4且斷開S，電吹風是______擋；當S0接3和4且閉合S，電吹風是_______擋（選填“冷風”“中溫”或“高溫”）。

（2）若電吹風技術參數(shù)為“額定電壓220 V；冷風擋額定功率110 W”，則冷風擋正常工作時通過電動機的電流I=______A。該電動機的電阻 r______440 Ω（選填“＞”“＜”或“=”）。

（3）當電吹風處于中溫擋熱風時電熱絲的功率為220 W，求R的阻值。

（4）當電吹風處于高溫擋熱風時，求電熱絲的功率。

5 教學反思

本堂課的教學設計展示了如何將“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念融入具體教學過程；如何在教學中凸顯“注重科學探究，突出問題導向，強調(diào)真實問題情境，引導學生在不斷探索中解決物理問題”；如何將實驗有效納入復習教學，在教學中落實“科學態(tài)度與責任”等。教學中以電視機機頂盒和小愛音箱長期處于待機狀態(tài)而浪費電能的問題研究引入，激發(fā)學生的探究興趣和欲望，為解決該實際問題展開了對電功、電功率的相關復習、測量與計算，整堂課以問題為主線，用實驗現(xiàn)象和對其科學解釋為重點進行展開，達成鞏固、提高和靈活運用知識的復習目標，以實現(xiàn)在具體的教學中培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的目的。