2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第二章 第7節(jié) 閉合電路的歐姆定律 教案1.doc

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第二章 第7節(jié) 閉合電路的歐姆定律 教案1 三維目標 知識與技能 1．能夠推導出閉合電路歐姆定律及其公式，知道電源的電動勢等于內、外電路上電勢降落之和； 2．理解路端電壓與負載的關系，知道這種關系的公式表達和圖線表達，并能用來分析、計算有關問題； 3．掌握電源斷路和短路兩種特殊情況下的特點。知道電源的電動勢等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓； 4．熟練應用閉合電路歐姆定律解決有關的電路問題； 5．理解閉合電路的功率表達式，知道閉合電路中能量的轉化。 過程與方法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．通過演示路端電壓與負載的關系，培養(yǎng)學生利用“實驗研究，得出結論”的探究物理規(guī)律的科學思路和方法； 2．通過利用閉合電路歐姆定律解決一些簡單的實際問題，培養(yǎng)學生運用物理知識解決實際問題的能力。 情感、態(tài)度與價值觀 通過本節(jié)課教學，加強對學生科學素質的培養(yǎng)，通過探究物理規(guī)律培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。 教學重點 1．推導閉合電路歐姆定律，應用定律進行有關討論； 2．路端電壓與負載的關系。 教學難點 路端電壓與負載的關系。 教學方法 演示實驗、討論、講解。 教學用具 滑動變阻器、電壓表、電流表、電鍵、導線若干、投影儀、多媒體電腦。 教學過程 ［新課導入］ 我們知道電源是通過非靜電力做功把其他形式能轉化為電能的裝置。只有用導線將電源、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？電源提供的電能是如何在閉合電路中分配的呢？今天我們就學習這方面的知識。 ［新課教學］ 一、閉合電路的歐姆定律 1．幾個概念 （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。 ②部分電路 閉合電路中的某一部分稱為部分電路。 部分電路 外電路 內電路 （2）內電路和外電路 閉合電路可以看作是由內電路和外電路兩部分組成的。 ①內電路 電源內部的電路，叫內電路。 如發(fā)電機的線圈、電池內的溶液等。 ②外電路 電源外部的電路，叫外電路。 外電路包括用電器、導線等。 （3）內電阻和外電阻 ①內電阻 內電路的電阻為內電阻，通常稱為電源的內阻r。 ②外電阻 外電路的總電阻R稱外電阻。 （4）內外電路的電勢變化 在外電路中，正電荷在恒定電場的作用下由正極移向負極；在電源中，非靜電力把正電荷由負極移到正極。 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。因為正電荷的移動方向就是電流方向，在外電路中，正電荷受靜電力作用，從高電勢向低電勢運動。 在外電路中，沿電流方向電勢降低； 在內電路中，沿電流方向，電勢如何變化？為什么？ 在電源內部，非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，在電源的正負極附近存在著化學反應層，反應層中非靜電力（化學作用）把正電荷從電勢低處移到電勢高處，在這兩個反應層中，沿電流方向電勢升高。在正負極之間，電源的內部也有電流，沿電流方向從負極流向正極，電勢升高。 在內電路中，沿電流方向電勢并非一直升高，電流方向從負極流向正極。 2．閉合電路的歐姆定律 （1）閉合電路的歐姆定律的推導 引導學生推導閉合電路的歐姆定律?？砂匆韵滤悸愤M行：設電源電動勢為E，內阻為r，外電路電阻為R，閉合電路的電流為I。 問題： 寫出在t時間內，外電路中電流做功產(chǎn)生的熱量的表達式？ Q外＝I2Rt 寫出在t時間內，內電路中電流做功產(chǎn)生的熱量的表達式？ 內電路與外電路一樣，也存在著恒定電場，正電荷也受靜電力的作用，這一區(qū)域的電阻為內電阻r，所以 Q內＝I2rt 寫出在t時間內，電源中非靜電力做功W的表達式？ 電池內化學反應層的電動勢之和為E，則在時間t內，電源中非靜電力做功為 W＝Eq＝EIt 根據(jù)能量守恒定律，非靜電力做的功應該等于內外電路中電能轉化為其它形式的能的總和，即W＝Q外＋Q內，所以 EIt＝I2Rt＋ I2rt 整理得：E＝IR＋Ir 也就是 I＝ （2）閉合電路的歐姆定律 ①內容 閉合電路中的電流跟電源的電動勢成正比，跟內、外電路的電阻之和成反比，這個結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電動勢與內外電路電勢降落的關系 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，習慣上稱為路端電壓；內電路的電勢降落為U內＝Ir，習慣上稱為內電壓。代入E＝IR ＋Ir，得 E＝U外＋U內 該式表明，電動勢等于內外電路電勢降落之和。不論外電路是否為純電阻電路，這一結論普通適用。 V′ V ＋ － 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于內、外電阻兩端的電勢差，電源就像升降機，升降機舉起的高度相當于電源的電動勢，如圖所示。 用可調內阻電池、兩只電壓表、滑動變阻器、導線等器材，分別測量電池的內、外電路的電勢降落。在改變滑動變阻器的阻值時，總有內、外電路的電勢降落之和保持不變，等于電源的電動勢E。 二、路端電壓與負載的關系 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載的關系有實際意義。 2．路端電壓與負載的關系 對給定的電源，E、r均為定值，外電阻變化時，電路中的電流如何變化？ 據(jù)I＝可知，R增大時I減??；R減小時I增大。 外電阻增大時，路端電壓如何變化？實踐是檢驗真理的惟一標準，讓我們一起來做下面的實驗。 【演示】 探究路端電壓隨外電阻變化的規(guī)律 V A R0 R S0 S 按右圖連接電路。閉合開關S0以接通電源，再閉合開關S，改變外電路的電阻R，觀察路端電壓怎樣隨著負載的變化而變化？ （1）實驗結果 當外電阻增大時，電流減小，路端電壓增大；當外電阻減小時，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現(xiàn)象。 路端電壓與電流的關系式是什么？ 路端電壓實際上就是外電壓U外，以下為方便，簡單地記為U?？紤]到U內＝Ir，可以得出路端電壓的表達式為 U＝E－Ir 定性分析 R↑I（＝）↓Ir↓U（＝E－Ir）↑ R↓I（＝）↑Ir↑U（＝E－Ir）↓ 【說一說】 一些同學可能有這樣的經(jīng)驗：傍晚用電多的時候，燈光發(fā)暗，而當夜深人靜時，燈光特別明亮。又如，在插上電爐、電暖氣等用電多的電器時，燈光會變暗，拔掉后燈光馬上又亮起來。在一些供電質量不太好的地區(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，路端電壓等于電源的電動勢，電壓表測電動勢就是利用了這一原理。嚴格地說電壓表的讀數(shù)也略小于電源的電動勢。當外電路斷路時，路端電壓與電動勢的數(shù)值相等，但不能說此時路端電壓就是電動勢。 外電路短路 R＝0I＝Ir＝EU＝0 一般情況下，電源內阻很小，像鉛蓄電池的內阻只有0.005Ω～0.1Ω，干電池的內阻通常也不到1Ω，所以短路時電流很大。若電路中有保險絲，會引起保險絲熔斷。否則可能燒壞電源，也可能引起火災。實際中，要防止短路現(xiàn)象的發(fā)生。 （4）圖象描述 【思考與討論】 設電源的電動勢E＝3V，內阻r＝2Ω。請根據(jù)路端電壓與電流的關系U＝E－Ir，以U為縱坐標，I為橫坐標，作出U與I關系的函數(shù)圖象，并討論以下問題。 （1）外電路斷開的狀態(tài)對應于圖中的哪個點？怎樣看出這時路端電壓與電動勢的關系？ （2）電動勢E的大小對圖象有什么影響？ （3）電源短路狀態(tài)對應于圖中的哪個點？怎樣讀出這時的電流的大?。? U U r＝0 I O E U內＝I1r U＝I1R （4）r的大小對圖象有什么影響？ 就某個電源來說，電動勢E和內阻r是一定的，利用數(shù)學知識可以知道路端電壓U是電流I的一次函數(shù)，同學們能否作出U—I圖象呢？ 分析：路端電壓U與電流I的關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系是什么？ 分析：U隨著I的增大而減小。 直線與縱軸的交點表示的物理意義是什么？直線的斜率呢？ 分析：直線與縱軸的交點表示電源的電動勢E，直線的斜率的絕對值表示電源的內阻r。 外電路斷開的狀態(tài)對應于圖中的直線與縱軸的交點，此時電流為零，內電壓為零，路端電壓與電動勢相等； 電動勢E的大小影響圖象與縱軸的截距。 電源短路狀態(tài)對應于圖中的與橫坐標的交點，將圖線延長后與橫坐標的交點值即是這時的電流的大小。但圖象的縱坐標必須從零開始。 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化 根據(jù)E＝U外＋U內，兩邊乘以q得到 qE＝qU外＋qU內 上式中qE、qU外和qU內分別表示在電路中通過電荷量q時，電源提供的電能、外電路消耗的電能和內電路消耗的電能。 該式表明，在某段時間內，電源提供的電能等于內、外電路消耗的電能的總和。 電源的電動勢又可理解為在電源內部移送1C電量時，電源提供的電能。它反映了電源把其它形式的能轉化為電能的本領。電動勢在數(shù)值上等于內、外電壓之和，但電動勢反映電源把其它形式的能轉化為電能的本領，而內、外電壓之和反映在電路中移動1C電荷時內、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，兩邊乘以電流I，得到 EI＝U外I＋U內I 在純電阻電路中有：EI＝I2R＋I2r 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I表示內電路上消耗的電功率。 EI＝U外I＋U內I說明了什么？ 說明了電源提供電能的功率等于內外電路消耗的電功率之和。 電動勢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化為電能的本領越大。 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，P＝0。R↓→P↑，R→0時，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＝ 從這兩個式子可知，R很大或R很小時，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間不是單調的函數(shù)關系。 定量分析 P外＝U外I＝＝ 所以，當R＝r時，電源的輸出功率為最大，P外max＝。 下面是電源輸出功率的圖象表述： P R O U I O R1 r R2 R＝r E E/r E/2r E/2 從P－R圖象中可知，當電源的輸出功率小于最大輸出功率時，對應有兩個外電阻R1、R2時電源的輸出功率相等?？梢宰C明，R1、R2和r必須滿足：r＝。 5．內電路消耗的電功率 內電路消耗的電功率是指電源內電阻發(fā)熱的功率。 P內＝U內I＝ R↑→P內↓，R↓→P內↑。 6．電源的效率 電源的輸出功率與總功率的比值。 η＝＝ 當外電阻R越大時，電源的效率越高。當電源的輸出功率最大時，η＝50%。 【思考與討論】 電動勢為E、內電阻為r的電源，與定值電阻R0及滑動變阻器R串聯(lián)成閉合回路，討論： （1）當變阻器R的阻值為多大時，電源的輸出功率最大？ （2）當變阻器R的阻值為多大時，變阻器消耗的功率最大？ （3）當變阻器R的阻值為多大時，定值電阻R0消耗的功率最大？ 四、閉合電路歐姆定律的應用 E r S R 【例題1】在如圖所示的電路中，電源的電動勢為1.5V，內阻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，電源電動勢E＝1.5V，內阻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。 說明：路端電壓隨外電阻變化的根本原因是由于電源有內阻，若電源的內阻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。但是實際中的電源都有內阻，正是由于r≠0，才導致了路端電壓隨外電阻的變化而變化。 A E r S 1 2 R1 R2 【例題2】如圖所示，在圖中R1＝14Ω，R2＝9Ω。當開關S切換到位置1時，電流表的示數(shù)為I1＝0.2A；當開關S切換到位置2時，電流表的示數(shù)為I2＝0.3A。求電源的電動勢E和內電阻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＋I1r E＝I2R2＋I2r 消去E，解出r，得 r＝ 代入數(shù)值，得r＝1Ω。 將r及I1、R1的值代入E＝I1R1＋I1r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勢E和內阻r的方法。 ［小結］ 通過本節(jié)課的學習，主要學習了以下幾個問題： 1．電源是把其它形式的能轉化為電能的裝置。電源的電動勢等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓，即在電源內部移送1C電量時電源提供的電能，其大小是由電源本身的性質決定的，反映了電源把其它形式的能轉化為電能的本領。 當電源接上外電路時，電源內、外有相同的電流，在內、外電阻上有電勢降落U內和U外，這時電源電動勢等于內、外電壓之和，即E＝U內＋U外。 2．閉合電路中的電流跟電源的電動勢成正比，跟內、外電路的電阻之和成反比，這個結論叫做閉合電路的歐姆定律，可以用公式E＝U內＋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系為EI＝U外I＋U內I即P總＝P外＋P內。要注意掌握和運用電源提供的電功率、電源輸出功率等與外電阻的關系。 ［布置作業(yè)］ 教材第63頁“問題與練習”。