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能量守恒定律在電學(xué)中的應(yīng)用論文
摘要：能量守恒定律是中學(xué)物理的重要定律之一, 廣泛應(yīng)用于力學(xué)、熱血、電學(xué)等知識(shí)點(diǎn)中。在電學(xué)中, 能量守恒定律涵蓋了每一個(gè)角落, 學(xué)生在學(xué)習(xí)電流、電壓等知識(shí)時(shí), 不可避免地會(huì)用到能量守恒定律。本文對(duì)能量守恒定律和電學(xué)做簡(jiǎn)要介紹, 并探討前者在后者中的應(yīng)用情況, 希望能對(duì)高中生的學(xué)習(xí)起到一定幫助。
關(guān)鍵詞：能量守恒定律; 電學(xué); 應(yīng)用;
能量守恒定律是高中物理中普遍使用的定律, 需要學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)有全面的把握。學(xué)好能量守恒定律, 可以有效地將其套用到電學(xué)中去, 并讓學(xué)生更好地理解電學(xué)相關(guān)知識(shí)。
1 電學(xué)中的能量守恒定律
能量守恒定律原本是熱力學(xué)第一定律, 其內(nèi)容是在一個(gè)孤立的系統(tǒng)中, 總能量保持不變。換一種表述方式, 即為一個(gè)系統(tǒng)的總能量的改變只能等于傳入或傳出該系統(tǒng)能量的多少。這里的總能量是指系統(tǒng)機(jī)械能、熱能及除熱能以外的任何內(nèi)能形式的總和。
在電學(xué)中, 電壓、電流和電阻都是非常抽象的概念, 不像力學(xué)中的力或者熱學(xué)中的熱量可以實(shí)際感知, 所以電學(xué)是中學(xué)物理中相對(duì)抽象的概念, 很多學(xué)生都在學(xué)習(xí)過程中遇到了困難。但是從能量守恒定律出發(fā), 就能把抽象的電學(xué)概念從某種意義上轉(zhuǎn)化為其他概念, 讓學(xué)生能更好地對(duì)其進(jìn)行理解[1]。例如在講解電功時(shí), 課本的定義是“電功即電能做功, 是導(dǎo)體中的恒定電場(chǎng)對(duì)自由點(diǎn)和的靜電力做功。”這段定義對(duì)很多學(xué)生而言都是非常抽象的, 他們無法想象恒定電場(chǎng)、自由點(diǎn)與靜電力是什么, 更不要說理解恒定電場(chǎng)對(duì)后者做功的含義了。但是通過對(duì)能量守恒定律研究, 可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)要保持能量守恒, 那么所謂電流做功就是電能轉(zhuǎn)化成其他形式能的過程。電流做功的多少就等于電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。這樣相對(duì)簡(jiǎn)單得多的概念解釋, 能讓學(xué)生更容易理解與吸納。
2 能量守恒定律在電學(xué)中的應(yīng)用
在高中物理電學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)中, 熟練掌握并應(yīng)用能量守恒定律, 可以有效提高電學(xué)學(xué)習(xí)效率, 更方便地解決電學(xué)問題, 并培養(yǎng)學(xué)生從多個(gè)角度對(duì)問題進(jìn)行分析的習(xí)慣。通過幾個(gè)例子, 可以發(fā)現(xiàn)能量守恒定律在電學(xué)中的重要性:
例1:有4盞電燈, 如圖1所示, 其中L1、L2規(guī)格為額定電壓220V, 額定功率110W, L3、L4規(guī)格為額定電壓220V, 額定功率40W。接通電路后, 最暗的是哪盞燈?
解析:電功率是指單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功, 而額定功率是指用電器正常工作, 即在額定電壓下工作時(shí)所消耗的功率。當(dāng)用電器兩端電壓達(dá)到額定電壓U額時(shí), 電流為I流, 此時(shí)額定電功率P額=U額.I額, 而由U=I.R可以得知P=I2R或P=U2/R。通過公式P=U2/R, 可以得知R1=R2=440?, R3=R4=1210?, 即R1=R2P3, 再通過公式P=I2R得知P1>P2, P4>P3。綜合來看, P3最小, 所以L3是最暗的。
這是以電學(xué)公式的方法來進(jìn)行解答, 過程比較復(fù)雜, 應(yīng)用公式比較多。但通過質(zhì)量守恒定律, 將電功率看做單位時(shí)間內(nèi)電能轉(zhuǎn)換為熱能的能量大小, 就能更直觀地分析。首先是L3和L4, 串聯(lián)在同一電路中兩電燈, 其電流相同, 因此其電能轉(zhuǎn)換大小決定于感應(yīng)電流對(duì)其的阻力, 阻力越大, 電能轉(zhuǎn)換成熱能的量越大, 故P4>P1。而L2和L3是并聯(lián)且R2I3, 在單位時(shí)間內(nèi), L2的電流更大, 感應(yīng)電流阻力也更大, 其電能換成熱能也更多, 即P2>P3。再看L1和L2, 二者克服感應(yīng)電流阻力一樣, 但I(xiàn)1>I2, 則單位時(shí)間內(nèi)電能轉(zhuǎn)換為其他形式能前者更大, 即P1>P2。綜合看來, P3最小, 即L3最暗。
例2:一盞電燈的規(guī)格為額定電壓220V, 額定功率100W且燈絲的電阻恒定不變。通過長(zhǎng)導(dǎo)線, 將電燈連接到遠(yuǎn)處恒定電壓為220V的電源上, 電燈的實(shí)際電功率為81W。請(qǐng)計(jì)算導(dǎo)線上的電功率損耗。
解析:通過公式P額=U額2, 算得R=484。再由公式P實(shí)=I實(shí)2.R, 可算出電燈工作時(shí)的實(shí)際電流為。因此由公式P總=U.I實(shí), 算得P總=90W。那么導(dǎo)線上損耗的電功率為總功率與實(shí)際功率之差, 即為9W。
從上述兩個(gè)例子可以看出, 能量守恒定律完全適用于電學(xué), 并且以能量守恒定律進(jìn)行電學(xué)習(xí)題求解時(shí), 往往不需要復(fù)雜的公式演算, 更多的是要求學(xué)生對(duì)于相關(guān)概念的理解與掌握。以能量守恒定律看上述例題, 其關(guān)鍵就在于把電路的聯(lián)結(jié)轉(zhuǎn)換成了能量的分配, 從而能以分配的差異求得電功率的差異。只有完全掌握了能量守恒定律的內(nèi)涵及其應(yīng)用到電學(xué)中的方式, 才能以最基礎(chǔ)的方式對(duì)各概念進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3]。
3 結(jié)束語(yǔ)
電學(xué)作為中學(xué)物理重要的一個(gè)分支, 是中學(xué)生必須牢固掌握的知識(shí)點(diǎn)。然而電學(xué)概念及習(xí)題通常比較抽象, 許多學(xué)生對(duì)此無法準(zhǔn)確理解, 常常造成概念模糊不清、解題思路不明的情況。將能量守恒定律引入到電學(xué)的學(xué)習(xí)中, 能有效幫助學(xué)生換個(gè)角度思考問題, 更形象地理解電學(xué)含義, 把電學(xué)問題簡(jiǎn)單化、清晰化。
參考文獻(xiàn)
[1]李靜.能量觀的初中電學(xué)教學(xué)研究[D].蘇州大學(xué), 2013.
[2]孟憲彪.淺談能量守恒定律在電學(xué)中的運(yùn)用[J].中華少年, 2016, (32) :191-192.
[3]黃致睿.如何用能量守恒分析高中物理問題[J].科技與企業(yè), 2016, (2) :191.
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