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1、
2022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(nèi)、外電路上電勢降落之和;
2.理解路端電壓與負載的關(guān)系,知道這種關(guān)系的公式表達和圖線表達,并能用來分析、計算有關(guān)問題;
3.掌握電源斷路和短路兩種特殊情況下的特點。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(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
2、功率表達式,知道閉合電路中能量的轉(zhuǎn)化。
過程與方法
1.通過演示路端電壓與負載的關(guān)系,培養(yǎng)學生利用“實驗研究,得出結(jié)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(zhì)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(yīng)用定律進行有關(guān)討論;
2.路端電壓與負載的
3、關(guān)系。
教學難點
路端電壓與負載的關(guān)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(zhuǎn)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(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
4、部分電路。
部分電路
外電路
內(nèi)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)電機的線圈、電池內(nèi)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(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
5、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(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(yīng)層,反應(yīng)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(yīng)層中,沿電流方向電勢升高。在正負極之間,電源的內(nèi)部也有電流,沿電流方向從負極流向正極,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
6、合電路的歐姆定律??砂匆韵滤悸愤M行:設(shè)電源電動勢為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時間內(nèi),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(nèi),內(nèi)電路中電流做功產(chǎn)生的熱量的表達式?
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時間內(nèi),電源中非靜電力做功W的表達式?
電池內(nèi)化學反應(yīng)層的電動勢之和為E,則在時間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
7、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(nèi)容
閉合電路中的電流跟電源的電動勢成正比,跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比,這個結(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,習慣上稱為路端電壓;內(nèi)電路的電勢降落為U內(nèi)=Ir,習慣上稱為內(nèi)電壓。代入E=IR +Ir,得
E=U外+U內(nèi)
該式表明,電動勢等于內(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。
V′
V
+
8、
-
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(nèi)、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(diào)內(nèi)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(nèi)、外電路的電勢降落。在改變滑動變阻器的阻值時,總有內(nèi)、外電路的電勢降落之和保持不變,等于電源的電動勢E。
二、路端電壓與負載的關(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(guān)系有實際意義。
2.路端電壓與負載的關(guān)系
9、
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(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載的變化而變化?
(1)實驗結(jié)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(guān)系式
10、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(nèi)=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(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,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
11、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(nèi)阻很小,像鉛蓄電池的內(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(zāi)。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(shè)電源的電動勢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,I為橫坐標,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
12、的哪個點?怎樣看出這時路端電壓與電動勢的關(guān)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(yīng)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(nèi)=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(nèi)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(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。
直線與縱軸的交點表示的物理意義是什么?直線的斜率呢?
13、
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(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,此時電流為零,內(nèi)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(yīng)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(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,電源提
14、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。
電源的電動勢又可理解為在電源內(nèi)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(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)。電動勢在數(shù)值上等于內(nèi)、外電壓之和,但電動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1C電荷時內(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+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(nèi)I表示內(nèi)電路上消
15、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(diào)的函數(shù)關(guān)系。
定量分析
P外=U外I==
16、
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(yīng)有兩個外電阻R1、R2時電源的輸出功率相等。可以證明,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==
當外電阻R越大時,電源的效率越高。當電源
17、的輸出功率最大時,η=50%。
【思考與討論】
電動勢為E、內(nèi)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(yīng)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(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
18、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(nèi)阻,若電源的內(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。但是實際中的電源都有內(nèi)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(guān)S切換到位置1時,電流表的示數(shù)為I1=0.2A;當開關(guān)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(nèi)電阻r。
解析:由題意知,R1=14Ω,R2=9Ω,I
19、1=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(nèi)阻r的方法。
[小結(jié)]
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(zhuǎn)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(nèi)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(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)。
當電源接上外電路時,電源內(nèi)
20、、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,這時電源電動勢等于內(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勢成正比,跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比,這個結(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”。