能量守恒定律在電學中的應用論文

　　摘要：能量守恒定律是中學物理的重要定律之一, 廣泛應用于力學、熱血、電學等知識點中。在電學中, 能量守恒定律涵蓋了每一個角落, 學生在學習電流、電壓等知識時, 不可避免地會用到能量守恒定律。本文對能量守恒定律和電學做簡要介紹, 并探討前者在后者中的應用情況, 希望能對高中生的學習起到一定幫助。

　　關鍵詞：能量守恒定律; 電學; 應用;

　　能量守恒定律是高中物理中普遍使用的定律, 需要學生對相關知識有全面的把握。學好能量守恒定律, 可以有效地將其套用到電學中去, 并讓學生更好地理解電學相關知識。

　　1 電學中的能量守恒定律

　　能量守恒定律原本是熱力學第一定律, 其內(nèi)容是在一個孤立的系統(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)機械能、熱能及除熱能以外的任何內(nèi)能形式的總和。

　　在電學中, 電壓、電流和電阻都是非常抽象的概念, 不像力學中的力或者熱學中的熱量可以實際感知, 所以電學是中學物理中相對抽象的概念, 很多學生都在學習過程中遇到了困難。但是從能量守恒定律出發(fā), 就能把抽象的電學概念從某種意義上轉化為其他概念, 讓學生能更好地對其進行理解[1]。例如在講解電功時, 課本的定義是“電功即電能做功, 是導體中的恒定電場對自由點和的靜電力做功。”這段定義對很多學生而言都是非常抽象的, 他們無法想象恒定電場、自由點與靜電力是什么, 更不要說理解恒定電場對后者做功的含義了。但是通過對能量守恒定律研究, 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化成其他形式能的過程。電流做功的多少就等于電能轉化為其他形式的能量。這樣相對簡單得多的概念解釋, 能讓學生更容易理解與吸納。

　　2 能量守恒定律在電學中的應用

　　在高中物理電學知識的學習中, 熟練掌握并應用能量守恒定律, 可以有效提高電學學習效率, 更方便地解決電學問題, 并培養(yǎng)學生從多個角度對問題進行分析的習慣。通過幾個例子, 可以發(fā)現(xiàn)能量守恒定律在電學中的重要性:

　　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所消耗的功率。當用電器兩端電壓達到額定電壓U額時, 電流為I流, 此時額定電功率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。

　　這是以電學公式的方法來進行解答, 過程比較復雜, 應用公式比較多。但通過質(zhì)量守恒定律, 將電功率看做單位時間內(nèi)電能轉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, 因此其電能轉換大小決定于感應電流對其的阻力, 阻力越大, 電能轉換成熱能的量越大, 故P4>P1。而L2和L3是并聯(lián)且R2I3, 在單位時間內(nèi), L2的電流更大, 感應電流阻力也更大, 其電能換成熱能也更多, 即P2>P3。再看L1和L2, 二者克服感應電流阻力一樣, 但I1>I2, 則單位時間內(nèi)電能轉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。通過長導線, 將電燈連接到遠處恒定電壓為220V的電源上, 電燈的實際電功率為81W。請計算導線上的電功率損耗。

　　解析:通過公式P額=U額2, 算得R=484。再由公式P實=I實2.R, 可算出電燈工作時的實際電流為。因此由公式P總=U.I實, 算得P總=90W。那么導線上損耗的電功率為總功率與實際功率之差, 即為9W。

　　從上述兩個例子可以看出, 能量守恒定律完全適用于電學, 并且以能量守恒定律進行電學習題求解時, 往往不需要復雜的公式演算, 更多的是要求學生對于相關概念的理解與掌握。以能量守恒定律看上述例題, 其關鍵就在于把電路的聯(lián)結轉換成了能量的分配, 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)涵及其應用到電學中的方式, 才能以最基礎的方式對各概念進行轉換[3]。

　　3 結束語

　　電學作為中學物理重要的一個分支, 是中學生必須牢固掌握的知識點。然而電學概念及習題通常比較抽象, 許多學生對此無法準確理解, 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的學習中, 能有效幫助學生換個角度思考問題, 更形象地理解電學含義, 把電學問題簡單化、清晰化。

　　參考文獻

　　[1]李靜.能量觀的初中電學教學研究[D].蘇州大學, 2013.

　　[2]孟憲彪.淺談能量守恒定律在電學中的運用[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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