包亦涵，張修文

重慶市朝陽中學(xué)，重慶 400700

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課標(biāo)》）在課程性質(zhì)中強調(diào)“義務(wù)教育物理課程是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程”，在課程理念部分提到“義務(wù)教育物理課程內(nèi)容的選擇，遵循初中學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律，注重貼近學(xué)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(xué)生物理課程核心素養(yǎng)的發(fā)展打下基礎(chǔ)”［1］。

“電流做功與電功率”是初中物理電學(xué)部分的重要內(nèi)容?！墩n標(biāo)》對此的具體要求是“學(xué)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(jié)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(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計，并在初中物理復(fù)習(xí)網(wǎng)絡(luò)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(xué)設(shè)計的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 教學(xué)設(shè)計邏輯框架

1 貼近生活，激發(fā)興趣，引領(lǐng)學(xué)生由感性認(rèn)識向理性思考發(fā)展

1.1 創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提出生活問題

師：同學(xué)們，最近我們學(xué)校初一年級的小麗同學(xué)遇到一個讓她困惑的問題，想讓同學(xué)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(xué)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?？墒沁€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(xué)習(xí)。（板書：電流做功與電功率復(fù)習(xí)）

1.2 明晰知識架構(gòu)，厘清知識疑難，解答生活問題

師：通過之前的學(xué)習(xí)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(xué)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(guān)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(xué)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(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)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(xué)中，我們用電功率表示電流做功的快慢。我們之前還學(xué)習(xí)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(xué)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(yīng)的電功單位就是J；如果功率單位是kW，時間單位是h，對應(yīng)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(xué)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(yīng)當(dāng)納入財政預(yù)算管理。從資金取得的管理、資金的預(yù)算管理及資金的分配使用管理各方面均應(yīng)遵循政府財政收支預(yù)算的基本原則。鎮(zhèn)街首先應(yīng)該保證預(yù)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(yán)格執(zhí)行預(yù)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(yīng)該結(jié)合經(jīng)費收支情況，把對預(yù)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(jié)合起來，從單一預(yù)算審核機制提升到“預(yù)算加收支”的雙軌審查機制，加強預(yù)算編報與財政資金使用效益關(guān)聯(lián)性。

小麗仔細(xì)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(xué)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(xué)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(xué)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(yuǎn)？

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(xué)們平常要注意隨手關(guān)電，為節(jié)能減排貢獻自己的一份力量。學(xué)校也經(jīng)常提醒同學(xué)們離開教室要記得關(guān)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(xué)們認(rèn)真觀察，就會發(fā)現(xiàn)每個用電器銘牌上都標(biāo)有相應(yīng)的電功率。如燈泡、電爐上會分別標(biāo)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(xué)生不確定）

師：我們一起來看看。（教師實驗）

師：同學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)說的結(jié)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(xué)生思維深度和廣度的培養(yǎng)

師：我們主要學(xué)過哪種測量電功率的方法？

生：伏安法。

教師出示設(shè)置的問題（圖4），并在學(xué)生回答的基礎(chǔ)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(xué)生的回答）

師：對于同一用電器而言，不同電壓對應(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)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(rèn)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(xué)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(xué)們思考，我們具體應(yīng)該怎樣用電能表估測這個電爐的實際功率？

生：（抽學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)們依據(jù)測量數(shù)據(jù)，估算這個電爐工作時的電功率。（學(xué)生估算結(jié)果為1 440 W）

師：這個電爐銘牌上標(biāo)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(xué)生思考時間之后，學(xué)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(jié)果會一樣嗎？

生：哦?。ㄓ袑W(xué)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(jié)果P變大。（學(xué)生鼓掌）

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

3 問題導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)。那么，電流產(chǎn)生的熱量與什么因素有關(guān)呢？

生：電流強度、電阻大小和通電時間。

師：多個因素影響結(jié)果時，我們應(yīng)該采用什么方法進行探究？

生：控制變量法。

師：請同學(xué)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(guān)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(guān)系，又應(yīng)該如何設(shè)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(xué)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(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與電流的二次方成正比，與導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(xué)生讀出電流表讀數(shù)），將它的轉(zhuǎn)軸卡住不動（學(xué)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(dāng)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(yīng)該是這一小部分電壓而不是加給電動機的全部電壓；當(dāng)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(dǎo)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(shè)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(jié)如圖6所示。

圖6 歸納小結(jié)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(yīng)，如洗完頭之后我們經(jīng)常用電吹風(fēng)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?fù)酢?/p>

而有些同學(xué)可能覺得電吹風(fēng)溫度太高對頭發(fā)損傷大就用中溫?fù)跎踔晾滹L(fēng)擋，那電吹風(fēng)具體是如何調(diào)節(jié)擋位的呢？

電吹風(fēng)的原理如圖7所示，它能實現(xiàn)冷風(fēng)、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(fēng)電路原理圖

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

（2）若電吹風(fēng)技術(shù)參數(shù)為“額定電壓220 V；冷風(fēng)擋額定功率110 W”，則冷風(fēng)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(dāng)電吹風(fēng)處于中溫?fù)鯚犸L(fēng)時電熱絲的功率為220 W，求R的阻值。

（4）當(dāng)電吹風(fēng)處于高溫?fù)鯚犸L(fēng)時，求電熱絲的功率。

5 教學(xué)反思

本堂課的教學(xué)設(shè)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(xué)過程；如何在教學(xué)中凸顯“注重科學(xué)探究，突出問題導(dǎo)向，強調(diào)真實問題情境，引導(dǎo)學(xué)生在不斷探索中解決物理問題”；如何將實驗有效納入復(fù)習(xí)教學(xué)，在教學(xué)中落實“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等。教學(xué)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(xué)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(guān)復(fù)習(xí)、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(xué)解釋為重點進行展開，達成鞏固、提高和靈活運用知識的復(fù)習(xí)目標(biāo)，以實現(xiàn)在具體的教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。