2020高中物理 第2章 第7節(jié) 閉合電路歐姆定律教案 新人教版選修3-1

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1、7．閉合電路的歐姆定律 三維目標(biāo) 知識(shí)與技能 1．能夠推導(dǎo)出閉合電路歐姆定律及其公式，知道電源的電動(dòng)勢等于內(nèi)、外電路上電勢降落之和； 2．理解路端電壓與負(fù)載的關(guān)系，知道這種關(guān)系的公式表達(dá)和圖線表達(dá)，并能用來分析、計(jì)算有關(guān)問題； 3．掌握電源斷路和短路兩種特殊情況下的特點(diǎn)。知道電源的電動(dòng)勢等于電源沒有接入電路時(shí)兩極間的電壓； 4．熟練應(yīng)用閉合電路歐姆定律解決有關(guān)的電路問題； 5．理解閉合電路的功率表達(dá)式，知道閉合電路中能量的轉(zhuǎn)化。 過程與方法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2、　　　　　　 1．通過演示路端電壓與負(fù)載的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生利用“實(shí)驗(yàn)研究，得出結(jié)論”的探究物理規(guī)律的科學(xué)思路和方法； 2．通過利用閉合電路歐姆定律解決一些簡單的實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。 情感、態(tài)度與價(jià)值觀 通過本節(jié)課教學(xué)，加強(qiáng)對學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，通過探究物理規(guī)律培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。 教學(xué)重點(diǎn) 1．推導(dǎo)閉合電路歐姆定律，應(yīng)用定律進(jìn)行有關(guān)討論； 2．路端電壓與負(fù)載的關(guān)系。 教學(xué)難點(diǎn) 路端電壓與負(fù)載的關(guān)系。 教學(xué)方法 演示實(shí)驗(yàn)、討論、講解。 教學(xué)用具 滑動(dòng)變阻器、電壓表、電流表、電鍵、導(dǎo)線若干、投影儀、多媒體電腦。 教學(xué)過程 ［新課導(dǎo)

3、入］ 我們知道電源是通過非靜電力做功把其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。只有用導(dǎo)線將電源、用電器連成閉合電路，電路中才有電流。那么電路中的電流大小與哪些因素有關(guān)？電源提供的電能是如何在閉合電路中分配的呢？今天我們就學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)。 ［新課教學(xué)］ 一、閉合電路的歐姆定律 1．幾個(gè)概念 （1）閉合電路與部分電路 ①閉合電路 電源與用電器連接成的回路，叫做閉合電路。 部分電路 外電路 內(nèi)電路 ②部分電路 閉合電路中的某一部分稱為部分電路。 （2）內(nèi)電路和外電路 閉合電路可以看作是由內(nèi)電路和外電路兩部分組成的。 ①內(nèi)電路 電源內(nèi)部的電路，叫內(nèi)電路。 如發(fā)電機(jī)的線圈、電池內(nèi)

4、的溶液等。 ②外電路 電源外部的電路，叫外電路。 外電路包括用電器、導(dǎo)線等。 （3）內(nèi)電阻和外電阻 ①內(nèi)電阻 內(nèi)電路的電阻為內(nèi)電阻，通常稱為電源的內(nèi)阻r。 ②外電阻 外電路的總電阻R稱外電阻。 （4）內(nèi)外電路的電勢變化 在外電路中，正電荷在恒定電場的作用下由正極移向負(fù)極；在電源中，非靜電力把正電荷由負(fù)極移到正極。 在外電路中，沿電流方向，電勢如何變化？為什么？ 沿電流方向電勢降低。因?yàn)檎姾傻囊苿?dòng)方向就是電流方向，在外電路中，正電荷受靜電力作用，從高電勢向低電勢運(yùn)動(dòng)。 在外電路中，沿電流方向電勢降低； 在內(nèi)電路中，沿電流方向，電勢如何變化？為什么？ 在電源內(nèi)部，非

5、靜電力將正電荷從電勢低處移到電勢高處。 如果電源是一節(jié)干電池，在電源的正負(fù)極附近存在著化學(xué)反應(yīng)層，反應(yīng)層中非靜電力（化學(xué)作用）把正電荷從電勢低處移到電勢高處，在這兩個(gè)反應(yīng)層中，沿電流方向電勢升高。在正負(fù)極之間，電源的內(nèi)部也有電流，沿電流方向從負(fù)極流向正極，電勢升高。 在內(nèi)電路中，沿電流方向電勢并非一直升高，電流方向從負(fù)極流向正極。 2．閉合電路的歐姆定律 （1）閉合電路的歐姆定律的推導(dǎo) 引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)閉合電路的歐姆定律?？砂匆韵滤悸愤M(jìn)行：設(shè)電源電動(dòng)勢為E，內(nèi)阻為r，外電路電阻為R，閉合電路的電流為I。 問題： 寫出在t時(shí)間內(nèi)，外電路中電流做功產(chǎn)生的熱量的表達(dá)式？ Q外＝I2Rt

6、 寫出在t時(shí)間內(nèi)，內(nèi)電路中電流做功產(chǎn)生的熱量的表達(dá)式？ 內(nèi)電路與外電路一樣，也存在著恒定電場，正電荷也受靜電力的作用，這一區(qū)域的電阻為內(nèi)電阻r，所以 Q內(nèi)＝I2rt 寫出在t時(shí)間內(nèi)，電源中非靜電力做功W的表達(dá)式？ 電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)層的電動(dòng)勢之和為E，則在時(shí)間t內(nèi)，電源中非靜電力做功為 W＝Eq＝EIt 根據(jù)能量守恒定律，非靜電力做的功應(yīng)該等于內(nèi)外電路中電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能的總和，即W＝Q外＋Q內(nèi)，所以 EIt＝I2Rt＋ I2rt 整理得：E＝IR＋I(xiàn)r 也就是 I＝ （2）閉合電路的歐姆定律 ①內(nèi)容 閉合電路中的電流跟電源的電動(dòng)勢成正比，跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比

7、，這個(gè)結(jié)論叫做閉合電路的歐姆定律。 ②公式 I＝ ③適用條件 外電路是純電阻的電路。 ④電動(dòng)勢與內(nèi)外電路電勢降落的關(guān)系 根據(jù)部分電路歐姆定律，外電路兩端的電勢降落為U外＝IR，習(xí)慣上稱為路端電壓；內(nèi)電路的電勢降落為U內(nèi)＝Ir，習(xí)慣上稱為內(nèi)電壓。代入E＝IR ＋I(xiàn)r，得 E＝U外＋U內(nèi) 該式表明，電動(dòng)勢等于內(nèi)外電路電勢降落之和。不論外電路是否為純電阻電路，這一結(jié)論普通適用。 閉合電路中電勢升降可用“兒童滑梯”作類比。圖中兒童滑梯兩端的高度差相當(dāng)于內(nèi)、外電阻兩端的電勢差，電源就像升降機(jī)，升降機(jī)舉起的高度相當(dāng)于電源的電動(dòng)勢，如圖所示。 V′ V ＋ －

8、 用可調(diào)內(nèi)阻電池、兩只電壓表、滑動(dòng)變阻器、導(dǎo)線等器材，分別測量電池的內(nèi)、外電路的電勢降落。在改變滑動(dòng)變阻器的阻值時(shí)，總有內(nèi)、外電路的電勢降落之和保持不變，等于電源的電動(dòng)勢E。 二、路端電壓與負(fù)載的關(guān)系 1．路端電壓 外電路的電勢降落，也就是外電路兩端的電壓，通常叫做路端電壓。 電源加在負(fù)載（用電器）上的“有效”電壓是路端電壓，所以研究路端電壓和負(fù)載的關(guān)系有實(shí)際意義。 2．路端電壓與負(fù)載的關(guān)系 對給定的電源，E、r均為定值，外電阻變化時(shí)，電路中的電流如何變化？ 據(jù)I＝可知，R增大時(shí)I減小；R減小時(shí)I增大。 外電阻增大時(shí)，路端電壓如何變化？實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的惟一標(biāo)準(zhǔn)，讓我們一

9、起來做下面的實(shí)驗(yàn)。 【演示】 V A R0 R S0 S 探究路端電壓隨外電阻變化的規(guī)律 按右圖連接電路。閉合開關(guān)S0以接通電源，再閉合開關(guān)S，改變外電路的電阻R，觀察路端電壓怎樣隨著負(fù)載的變化而變化？ （1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果 當(dāng)外電阻增大時(shí)，電流減小，路端電壓增大；當(dāng)外電阻減小時(shí)，電流增大，路端電壓減小。 （2）理論分析 下面用閉合電路歐姆定律定量地解釋這個(gè)現(xiàn)象。 路端電壓與電流的關(guān)系式是什么？ 路端電壓實(shí)際上就是外電壓U外，以下為方便，簡單地記為U。考慮到U內(nèi)＝Ir，可以得出路端電壓的表達(dá)式為 U＝E－Ir 定性分析 R↑I（＝）↓Ir↓U（＝E－Ir）↑ R

10、↓I（＝）↑Ir↑U（＝E－Ir）↓ 【說一說】 一些同學(xué)可能有這樣的經(jīng)驗(yàn)：傍晚用電多的時(shí)候，燈光發(fā)暗，而當(dāng)夜深人靜時(shí)，燈光特別明亮。又如，在插上電爐、電暖氣等用電多的電器時(shí)，燈光會(huì)變暗，拔掉后燈光馬上又亮起來。在一些供電質(zhì)量不太好的地區(qū)尤其是這樣。試著解釋這種現(xiàn)象。 （3）特例 外電路斷路 R→∞I＝0Ir＝0U＝E 外電路斷路時(shí)，路端電壓等于電源的電動(dòng)勢，電壓表測電動(dòng)勢就是利用了這一原理。嚴(yán)格地說電壓表的讀數(shù)也略小于電源的電動(dòng)勢。當(dāng)外電路斷路時(shí)，路端電壓與電動(dòng)勢的數(shù)值相等，但不能說此時(shí)路端電壓就是電動(dòng)勢。 外電路短路 R＝0I＝Ir＝EU＝0 一般情況下，電源內(nèi)阻很小，像

11、鉛蓄電池的內(nèi)阻只有0.005Ω～0.1Ω，干電池的內(nèi)阻通常也不到1Ω，所以短路時(shí)電流很大。若電路中有保險(xiǎn)絲，會(huì)引起保險(xiǎn)絲熔斷。否則可能燒壞電源，也可能引起火災(zāi)。實(shí)際中，要防止短路現(xiàn)象的發(fā)生。 （4）圖象描述 【思考與討論】 設(shè)電源的電動(dòng)勢E＝3V，內(nèi)阻r＝2Ω。請根據(jù)路端電壓與電流的關(guān)系U＝E－Ir，以U為縱坐標(biāo)，I為橫坐標(biāo)，作出U與I關(guān)系的函數(shù)圖象，并討論以下問題。 （1）外電路斷開的狀態(tài)對應(yīng)于圖中的哪個(gè)點(diǎn)？怎樣看出這時(shí)路端電壓與電動(dòng)勢的關(guān)系？ （2）電動(dòng)勢E的大小對圖象有什么影響？ （3）電源短路狀態(tài)對應(yīng)于圖中的哪個(gè)點(diǎn)？怎樣讀出這時(shí)的電流的大小？ （4）r的大小對圖象有什么影

12、響？ U U r＝0 I O E U內(nèi)＝I1r U＝I1R 就某個(gè)電源來說，電動(dòng)勢E和內(nèi)阻r是一定的，利用數(shù)學(xué)知識(shí)可以知道路端電壓U是電流I的一次函數(shù)，同學(xué)們能否作出U—I圖象呢？ 分析：路端電壓U與電流I的關(guān)系圖象是一條向下傾斜的直線。U—I圖象如圖所示。 從圖象可以看出路端電壓與電流的關(guān)系是什么？ 分析：U隨著I的增大而減小。 直線與縱軸的交點(diǎn)表示的物理意義是什么？直線的斜率呢？ 分析：直線與縱軸的交點(diǎn)表示電源的電動(dòng)勢E，直線的斜率的絕對值表示電源的內(nèi)阻r。 外電路斷開的狀態(tài)對應(yīng)于圖中的直線與縱軸的交點(diǎn)，此時(shí)電流為零，內(nèi)電壓為零，路端電壓與電動(dòng)勢相等； 電動(dòng)

13、勢E的大小影響圖象與縱軸的截距。 電源短路狀態(tài)對應(yīng)于圖中的與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，將圖線延長后與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)值即是這時(shí)的電流的大小。但圖象的縱坐標(biāo)必須從零開始。 r的大小對圖象影響圖象的斜率，r較大的電源，路端電壓隨電流變化才較明顯。 三、閉合電路中的功率 1．閉合電路中的能量轉(zhuǎn)化 根據(jù)E＝U外＋U內(nèi)，兩邊乘以q得到 qE＝qU外＋qU內(nèi) 上式中qE、qU外和qU內(nèi)分別表示在電路中通過電荷量q時(shí)，電源提供的電能、外電路消耗的電能和內(nèi)電路消耗的電能。 該式表明，在某段時(shí)間內(nèi)，電源提供的電能等于內(nèi)、外電路消耗的電能的總和。 電源的電動(dòng)勢又可理解為在電源內(nèi)部移送1C電量時(shí)，電源提供的電能。

14、它反映了電源把其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)。電動(dòng)勢在數(shù)值上等于內(nèi)、外電壓之和，但電動(dòng)勢反映電源把其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)，而內(nèi)、外電壓之和反映在電路中移動(dòng)1C電荷時(shí)內(nèi)、外電路消耗的電能。 2．閉合電路中的功率 根據(jù)E＝U外＋U內(nèi)，兩邊乘以電流I，得到 EI＝U外I＋U內(nèi)I 在純電阻電路中有：EI＝I2R＋I(xiàn)2r 式中的EI表示電源提供的電功率；U外I表示外電路上消耗的電功率；U內(nèi)I表示內(nèi)電路上消耗的電功率。 EI＝U外I＋U內(nèi)I說明了什么？ 說明了電源提供電能的功率等于內(nèi)外電路消耗的電功率之和。 電動(dòng)勢E越大，電源提供的電功率越大，這表示電源把其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)越

15、大。 3．電源的總功率 電源提供的電功率，稱為電源的總功率。 P＝EI＝ R↑→P↓，R→∞時(shí)，P＝0。R↓→P↑，R→0時(shí)，Pm＝。 4．電源的輸出功率 外電路上消耗的電功率，稱為電源的輸出功率。 P外＝U外I 定性分析 I＝，U外＝E－Ir＝ 從這兩個(gè)式子可知，R很大或R很小時(shí)，電源的輸出功率均不是最大，電源的輸出功率P與外電阻R間不是單調(diào)的函數(shù)關(guān)系。 定量分析 P外＝U外I＝＝ 所以，當(dāng)R＝r時(shí)，電源的輸出功率為最大，P外max＝。 P R O U I O R1 r R2 R＝r E E/r E/2r E/2 下面是電源輸出功率的圖

16、象表述： 從P－R圖象中可知，當(dāng)電源的輸出功率小于最大輸出功率時(shí)，對應(yīng)有兩個(gè)外電阻R1、R2時(shí)電源的輸出功率相等?？梢宰C明，R1、R2和r必須滿足：r＝。 5．內(nèi)電路消耗的電功率 內(nèi)電路消耗的電功率是指電源內(nèi)電阻發(fā)熱的功率。 P內(nèi)＝U內(nèi)I＝ R↑→P內(nèi)↓，R↓→P內(nèi)↑。 6．電源的效率 電源的輸出功率與總功率的比值。 η＝＝ 當(dāng)外電阻R越大時(shí)，電源的效率越高。當(dāng)電源的輸出功率最大時(shí)，η＝50%。 【思考與討論】 電動(dòng)勢為E、內(nèi)電阻為r的電源，與定值電阻R0及滑動(dòng)變阻器R串聯(lián)成閉合回路，討論： （1）當(dāng)變阻器R的阻值為多大時(shí)，電源的輸出功率最大？

17、 （2）當(dāng)變阻器R的阻值為多大時(shí)，變阻器消耗的功率最大？ （3）當(dāng)變阻器R的阻值為多大時(shí)，定值電阻R0消耗的功率最大？ E r S R 四、閉合電路歐姆定律的應(yīng)用 【例題1】在如圖所示的電路中，電源的電動(dòng)勢為1.5V，內(nèi)阻0.12Ω，外電路的電阻為1.38Ω，求電路中的電流和路端電壓。 解析：由題意知，電源電動(dòng)勢E＝1.5V，內(nèi)阻r＝0.12Ω，外電阻R＝1.38Ω。 由閉合電路歐姆定律可求出電流I： I＝＝1 A。 路端電壓為 U＝IR＝1.38 V。 A E r S 1 2 R1 R2 說明：路端電壓隨外電阻變化的根本原因是由于電源有內(nèi)阻，若電源的

18、內(nèi)阻r＝0，這樣的理想電源，它的路端電壓不隨外電阻的變化而變化，初中討論的都是這樣的電源。但是實(shí)際中的電源都有內(nèi)阻，正是由于r≠0，才導(dǎo)致了路端電壓隨外電阻的變化而變化。 【例題2】如圖所示，在圖中R1＝14Ω，R2＝9Ω。當(dāng)開關(guān)S切換到位置1時(shí)，電流表的示數(shù)為I1＝0.2A；當(dāng)開關(guān)S切換到位置2時(shí)，電流表的示數(shù)為I2＝0.3A。求電源的電動(dòng)勢E和內(nèi)電阻r。 解析：由題意知，R1＝14Ω，R2＝9Ω，I1＝0.2A，I2＝0.3 A，根據(jù)閉合電路歐姆定律可列出方程： E＝I1R1＋I(xiàn)1r E＝I2R2＋I(xiàn)2r 消去E，解出r，得 r＝ 代入數(shù)值，得r＝1Ω。 將r及I1、R1的

19、值代入E＝I1R1＋I(xiàn)1r中，得 E＝3V 說明：這道例題為我們提供了一種測量電源的電動(dòng)勢E和內(nèi)阻r的方法。 【交流與討論】 ①若給你一個(gè)電壓表、一個(gè)電阻箱、導(dǎo)線若干、開關(guān)，如何測一節(jié)干電池的電動(dòng)勢和內(nèi)阻？ ②若給你一個(gè)電壓表和一個(gè)電流表呢？ ③若考慮電阻表內(nèi)阻對測量的影響，結(jié)果會(huì)怎樣？ 【例題3】在如圖所示的電路中，R1＝10 Ω，R2＝20 Ω，滑動(dòng)變阻器R的阻值為0～50 Ω，當(dāng)滑動(dòng)觸頭P由I向b滑動(dòng)的過程中，燈泡L的亮度變化情況是（ ） A．逐漸變亮 B．逐漸變暗 C．先變亮后變暗 D．先變暗后變亮 解析：燈泡的亮度由燈的實(shí)際功率大小決定.電燈燈絲電阻不變

20、，研究通過燈絲電流的大小可知燈的亮度。 電源電動(dòng)勢E和內(nèi)阻r不變，通過燈泡電流由外電路總電阻決定。外電阻是由滑動(dòng)變阻器連入電路部分的電阻決定的，當(dāng)滑動(dòng)觸頭由a向b滑動(dòng)過程中，滑動(dòng)變阻器連入電路部分的電阻增大，總電阻增大，總電流I＝減少，燈泡的實(shí)際功率PL＝I2RL減小，燈泡變暗。綜上所述，選項(xiàng)B正確。 【例題4】如圖所示電路中，R1＝0.8Ω，R3＝6Ω，滑動(dòng)變阻器的全值電阻R2＝12 Ω，電源電動(dòng)勢E＝6 V，內(nèi)阻r＝0.2 Ω，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片在變阻器中央位置時(shí)，閉合開關(guān)S，電路中的電流表和電壓表的讀數(shù)各是多少? 解析：外電路的總電阻為R＝＝3.8Ω 根據(jù)閉合電路歐姆定律可知，電

21、路中的總電流為 I＝＝1.5 A 即電流表A1的讀數(shù)為1.5 A 對于R2與R3組成的并聯(lián)電路，根據(jù)部分電路歐姆定律，并聯(lián)部分的電壓為 U2＝I·R并＝I·＝4.5 V 即電壓表V2的讀數(shù)為4.5 V 對于含有R2的支路，根據(jù)部分電路歐姆定律，通過R2的電流為 I2＝＝0.75 A 即電流表A2的讀數(shù)為0.75 A 電壓表V1測量電源的路端電壓，根據(jù)E＝U外＋U內(nèi)得 U1＝E－Ir＝5.7 V 即電壓表V1的讀數(shù)為5.7 V。 【說明】 1．電路中的電流表、電壓表均視為理想電表（題中特別指出的除外），即電流表內(nèi)阻視為零，電壓表內(nèi)阻視為無窮大。 2．解答閉合電路問題的

22、一般步驟： （1）首先要認(rèn)清外電路上各元件的串并聯(lián)關(guān)系，必要時(shí)，應(yīng)進(jìn)行電路變換，畫出等效電路圖。 （2）解題關(guān)鍵是求總電流I，求總電流的具體方法是：若已知內(nèi)、外電路上所有電阻的阻值和電源電動(dòng)勢，可用全電路歐姆定律（I＝）直接求出I；若內(nèi)外電路上有多個(gè)電阻值未知，可利用某一部分電路的已知電流和電壓求總電流I；當(dāng)以上兩種方法都行不通時(shí)，可以應(yīng)用聯(lián)立方程求出I。 （3）求出總電流后，再根據(jù)串、并聯(lián)電路的特點(diǎn)或部分電路歐姆定律求各部分電路的電壓和電流。 ［小結(jié)］ 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問題： 1．電源是把其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。電源的電動(dòng)勢等于電源沒有接入電路時(shí)兩極間的

23、電壓，即在電源內(nèi)部移送1C電量時(shí)電源提供的電能，其大小是由電源本身的性質(zhì)決定的，反映了電源把其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)。 當(dāng)電源接上外電路時(shí)，電源內(nèi)、外有相同的電流，在內(nèi)、外電阻上有電勢降落U內(nèi)和U外，這時(shí)電源電動(dòng)勢等于內(nèi)、外電壓之和，即E＝U內(nèi)＋U外。 2．閉合電路中的電流跟電源的電動(dòng)勢成正比，跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比，這個(gè)結(jié)論叫做閉合電路的歐姆定律，可以用公式E＝U內(nèi)＋U外或I＝來表示，只適用于外電路是純電阻的電路。 3．路端電壓隨著外電阻的增大而增大，隨著外電阻的減小而減小。 4．路端電壓與電流的關(guān)系式為U＝E－Ir，其U—I圖線是一條傾斜的直線。 5．閉合電路中的功率關(guān)系為EI＝U外I＋U內(nèi)I即P總＝P外＋P內(nèi)。要注意掌握和運(yùn)用電源提供的電功率、電源輸出功率等與外電阻的關(guān)系。 ［布置作業(yè)］ 教材第63頁“問題與練習(xí)”。 板書設(shè)計(jì)（略）