定义 电流通过导体所做的功,数值上等于电压、电流与通电时间的乘积。
从哪来 基于 5.2 欧姆定律公式(L3) 和 7.1 伏安法测电阻(L2) 中建立的电压、电流与电路元件关系的认知,结合能量转化概念推导得出。
为什么 电流做功的过程,本质是电能转化为其他形式能(如内能、机械能)的过程。
1. 电压的作用:电压是单位电荷具有的电势能,电压 $U$ 越大,移动单位电荷释放的能量越多。
2. 电流的作用:电流 $I$ 代表单位时间内通过导体横截面的电荷量,电流越大,单位时间内转移的电荷越多,总能量转化越多。
3. 时间的作用:做功是一个过程量,时间 $t$ 越长,累积转化的能量越多。
因此,电功 $W$ 与 $U$、$I$、$t$ 成正比,即 $W=UIt$。
讲法
类比法:水流做功
适合
形象思维强、抽象逻辑稍弱的学生。
将电流类比为水流,电压类比为水压(水位差),导线类比为水管。
* 水压(电压)越大,水流冲转水轮做功越快;
* 水流(电流)越大,单位时间冲走的水越多,做功越多;
* 时间越长,总做功越多。
由此直观理解 $W=UIt$ 中三个物理量的物理意义。
讲法
定义推导法:从电荷移动出发
适合
逻辑严密、喜欢探究本质的学生。
1. 电压定义:$U = W/q$(每库仑电荷移动做的功),故 $W = Uq$。
2. 电流定义:$I = q/t$(每秒通过的电荷量),故 $q = It$。
3. 代入得:$W = U(It) = UIt$。
强调这是由基本定义直接推导出的必然结果,而非经验公式。
讲法
实验验证法:焦耳定律铺垫
适合
动手能力强、重视实验证据的学生。
利用“电流通过电阻丝发热”的实验,控制变量:
* 保持 $I$、$t$ 不变,增大 $U$,发现发热量(电功)增大;
* 保持 $U$、$t$ 不变,增大 $I$,发现发热量增大;
* 保持 $U$、$I$ 不变,延长 $t$,发现发热量增大。
通过定性实验确认三者正比关系,再引入公式。