2022年人教版高中物理選修3-1 第二章 第6節(jié) 導體的電阻 教案1
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1、 2022年人教版高中物理選修3-1 第二章 第6節(jié) 導體的電阻 教案1 三維目標 知識與技能 1.掌握電阻定律的內(nèi)容和物理意義,能利用電阻定律進行有關(guān)的分析和計算; 2.掌握電阻率的概念,知道電阻率和哪些因素相關(guān)。 過程與方法 用控制變量法,探究導體電阻的決定因素,培養(yǎng)學生利用實驗抽象概括出物理規(guī)律的能力。 情感、態(tài)度與價值觀 通過實驗探究,體會學習的快樂。 教學重點 電阻定律及利用電阻定律分析、解決有關(guān)的實際問題。 教學難點 1.利用實驗,抽象概括出電阻定律是本節(jié)課教學的難點; 2.什么情況下考慮電阻率隨溫度的變化,什么情況下忽略這種影響。 教學方法 探究、
2、講授、討論、練習。 教 具 實物投影儀、電流表、電壓表、滑動變阻器、學生電源、電鍵、導線若干、實驗所需合金導線、日光燈燈絲、歐姆表、酒精燈、熱敏電阻、光敏電阻、手電筒。 [新課導入] 已知金屬銅在單位體積中的自由電子數(shù)為8.5×1028m?3,現(xiàn)在橫截面積為1.0mm2的銅導線中通過1.2A的電流,試求導線中自由電子的定向移動速率。(答案:8.9×10?5m/s) 在我們剛才計算中,我們用到了電流的微觀解釋I=neSv,讓我們討論這樣幾個問題: 1.在電壓一定的情況下,如果僅將導體的橫截面積S增大,電流會怎樣變化?(教師提示:電場強度(對柱形導體,看成勻強電場E=)會變化嗎?→v
3、會變化嗎?→n會變化嗎?→結(jié)論:I變大。 2.在電壓一定的情況下,如果僅將導體的長度L增大,電流會怎樣變化? (提示:和上面類似)→結(jié)論:I變小。 3.在電壓一定的情況下,如果僅將導體的溫度升高,電流會怎樣變化?(提示:和上面類似,但要提請學生注意電子熱運動速率的變化──客觀上造成阻礙作用加大)→結(jié)論:I變小。 總結(jié):我們剛才討論的雖然是電流的變化,但根據(jù)歐姆定律,它事實上反映另外一個隱含的信息:電阻會隨著導體某些因素的改變而改變。 同學們在初中學過,電阻是導體本身的一種性質(zhì),導體電阻的大小決定于哪些因素?其定性關(guān)系是什么? 導體電阻的大小決定于導體的長度、橫截面積和材料。同種材料制
4、成的導體,長度越長,橫截面積越小,電阻越大。 同學們在初中已經(jīng)知道了導體的電阻與材料、長度、橫截面積的定性關(guān)系,這節(jié)課讓我們用實驗定量地研究這個問題,找出影響導體電阻的因素,并定量的總結(jié)出相關(guān)規(guī)律。 [新課教學] 一、探究影響導體電阻的因素 我們已經(jīng)知道,導體的電阻是導體本身的一種性質(zhì),由導體自身的因素決定,那么,它到底由哪些因素決定呢?移動滑動變阻器的滑片可以改變它的電阻,這說明導體電阻跟它的長度有關(guān);同是220V的燈泡,燈絲越粗用起來越亮,說明導體的電阻跟橫截面積有關(guān);電線常用銅絲制造而不用鐵絲,說明導體的電阻跟它的材料有關(guān)。 實驗時可以在鐵絲、康銅絲、電爐絲(鎳鉻合金絲)等不同
5、金屬絲中選擇幾種,測量它們的橫截面積、長度、電阻,從中找出關(guān)系。關(guān)于這些物理量的測量方法,建議如下。 取一段新的緊密繞制的電爐絲,如右圖那樣用刻度尺測出它的寬度,除以圈數(shù),便是電爐絲的直徑,于是可以算出電爐絲的橫截面積S。測量銅絲的橫截面積時,可以使用類似的方法,也可以用游標卡尺或螺旋測微器測量。 把電爐絲拉直,或者用一根已經(jīng)被拉直的同一規(guī)格的電爐絲,用刻度尺量出它的長度l。 可以用右圖的電路電量電爐絲的電阻R:閉合開關(guān)后,測量電爐絲兩端的電壓、通過電爐絲的電流,然后根據(jù)歐姆定律算出電爐絲的電阻。改變滑動變阻器的滑片位置,能獲得多組數(shù)據(jù),以各組電阻數(shù)據(jù)的平均值為電阻R。 通過測量得到所
6、需數(shù)據(jù)后,怎樣得出結(jié)論?以下方法可供參考。 探究方案一:實驗探究 我們可以通過實驗在長度、橫截面積、材料三個因素中,保持兩個因素不變,比較第三個因素的影響,然后研究另外兩個因素的影響。 【實驗】 探究導體電阻與其影響因素的定量關(guān)系 如圖所示,a、b、c、d是四條不同的金屬導體。在長度、橫截面積、材料三個因素方面,b、c、d跟a相比,分別只有一個因素不同;b與a長度不同,c與a橫截面積不同;d與a材料不同。 圖中四段導體是串聯(lián)的,每段導體兩端的電壓與它們的電阻成正比,因此,用電壓表分別測量a、b、c、d兩端的電壓,就能知道它們的電阻之比。 比較a、b的電阻之比與它們的長度之比;比較
7、a、c的電阻之比與它們的長橫截面積之比;比較a、d 的電阻是否相等。這樣就可以得出長度、橫截面積、材料這三個因素與電阻的關(guān)系。 改變滑動變阻器的滑片位置,可以獲得多組實驗數(shù)據(jù)以得到更可靠的結(jié)論。 這個實驗得到的是電阻與導線長度、橫截面積的比例關(guān)系,實驗中不必測量電阻大小的數(shù)值。 結(jié)論:導體的電阻與導體的長度成正比。導體的電阻與導體的橫截面積成反比。導體的電阻與導體材料的性質(zhì)有關(guān)。 探究方案二:理論與實驗相結(jié)合探究 除了上述探究思路外,我們還可以用剛剛學過的知識,通過邏輯推理來探究導體的電阻與導體長度、橫截面積的關(guān)系,然后通過實驗來探究導體電阻與材料的關(guān)系。 1.分析導體電阻與它的長
8、度的關(guān)系 一條長度為l、電阻為R的導體,可以看成是由n段長度同為l1、電阻為R1的導體串聯(lián)而成的,這n段導體的材料、橫截面積都相同。總長度l與每段長度l1的關(guān)系為 另一方面,由串聯(lián)電路的性質(zhì)可知,R=nR1,即 對比兩式,可知 即在橫截面積、材料相同的條件下,導體的電阻與長度成正比。 2.研究導體電阻與它的橫截面積的關(guān)系 有n條導體,它們的長度相同、材料相同、橫截面積相同。橫截面積同為S1、電阻同為R1。 由并聯(lián)電路的性質(zhì)可知,,即 同時 所以 即在長度、材料相同的條件下,導體的電阻與橫截面積成反比。 在以上兩個結(jié)論的基礎(chǔ)上,再通過實驗探究導體的電
9、阻是否跟材料有關(guān),這時對它們的幾何尺寸就可以不做限制。這樣操作的自由度就大多了。 【實驗】 探究導體電阻與材料的關(guān)系 1.根據(jù)以上分析,以等式的形式寫出用導體長度l、導體橫截面積S表示導體電阻R的關(guān)系式,用一個與l、S無關(guān)的常量表示比例系數(shù)。 2.選擇至少兩種不同材料的導體(例如鎳鉻合金與康銅絲),測出它們的長度、橫截面積和電阻,分別計算出上述等式中的比例系數(shù)。 3.分析上述比例系數(shù)的物理意義。 二、導體的電阻 1.電阻定律的內(nèi)容 同種材料的導體的電阻R跟它的長度L成正比,跟它的橫截面積S成反比;導體電組與構(gòu)成它的材料有關(guān)。這就是電阻定律。 2.電阻定律的公式 R=ρ 式
10、中ρ是比例常數(shù),它與導體的材料有關(guān),是一個反映材料導電性能的物理量。 三、電阻率 1.電阻率 由于在S 、L相同的情況下,ρ大,R就大,導電性就差,反之,則越好。所以ρ是一個能反映導體導電性能好壞的物理量。 電阻率ρ是反映導體導電性能好壞的物理量。 當L=1m,S=1m2時,ρ的數(shù)值等于R的值??梢姡牧系碾娮杪试跀?shù)值上等于這種材料制成的長為1m、橫截面積為1m2的導體的電阻。 電阻率由導體材料決定,反映物質(zhì)的屬性。 2.單位 在國際單位制中,電阻率的單位是歐·米(Ω·m)。 幾種導體材料在20℃時的電阻率 材料 ρ/Ω·m 材料 ρ/Ω·m 銀 1.6×10-8 鐵 1
11、.0×10-7 銅 1.7×10-8 錳銅合金 4.4×10-7 鋁 2.9×10-8 鎳銅合金 5.0×10-7 鎢 5.3×10-8 鎳鉻合金 1.0×10-6 錳銅合金:85%銅,3%鎳,12%錳。 鎳銅合金:54%銅,46%鎳。. 鎳鉻合金:67.5%鎳,15%鉻,16%鐵,1.5%錳。 【鞏固練習】 a.金屬與合金哪種材料的電阻率大? 合金的電阻率大。 b.制造輸電電纜和線繞電阻時,怎樣選擇材料的電阻率? 制造輸電電纜時應選用電阻率小的鋁或銅來做;制造線繞電阻時應選用電阻率大的合金來制作。 3.電阻率與溫度有關(guān) 【演示】將日光燈燈絲(額定功率為8 W)與演示
12、用歐姆表調(diào)零后連接成下圖電路,觀察用酒精燈加熱燈絲前后,歐姆表示數(shù)的變化情況。 現(xiàn)象:當溫度升高時,歐姆表的示數(shù)變大,表明金屬燈絲的電阻增大,從而可以得出,金屬的電阻率隨著溫度的升高而增大。 金屬的電阻率隨著溫度的升高而增大。 (介紹電阻溫度計的主要構(gòu)造、工作原理,如右圖) 電阻溫度計就是利用金屬的電阻隨溫度變化制成的。常用的電阻溫度計是用金屬鉑做的,已知鉑絲的電阻隨溫度的變化情況,測出鉑絲的電阻就可以知道溫度。 錳銅合金和鎳銅合金的電阻率隨溫度變化極小。 錳銅合金和鎳銅合金的電阻率隨溫度變化極小,怎樣利用它們的這種性質(zhì)? 利用它們的這種性質(zhì),常用來制作標準電阻。 金屬材料
13、的電阻率隨著溫度的升高而增大,但是有些材料的電阻率隨著溫度的升高而減小,也有些材料的電阻率當溫度降低到一定程度后會迅速減小為零,從而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢w。 【思考與討論】 如圖所示,R1和R2是材料相同、厚度相同、表面為正方形的導體,但R2的尺寸比R1小很多。通過兩導體的電流方向如圖所示。這兩個導體的電阻有什么關(guān)系? 你認為這種關(guān)系對電路的微型化有什么意義? 分析:設(shè)厚度為d,正方形連長為l,根據(jù)電阻定律,導體的電阻為 電阻與正方形的邊長無關(guān),所以這兩個導體的電阻相等,故可以將電阻做得更小些,減小電阻的體積,對電路的微型化有很重要的意義。 若電流沿導體的其它方向流過導體,結(jié)論如何?
14、【說一說】 中央電視臺2002年12月播放了北京市技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局對市場中電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量抽查的消息。消息引用檢驗負責人的話:“十幾個不合格產(chǎn)品中,大部分存在導體電阻不合格問題,主要是銅材質(zhì)量不合格,使用民再生銅或含有雜質(zhì)很多的銅。再一個就是銅材質(zhì)量可能合格,但把截面積縮小,買2.5平方(毫米)的線,拿到手的線可能是1.5或1.5多一點的,載流量不夠。還有一個問題是絕緣層質(zhì)量不合格,用再生塑料制作電線外皮,電阻率達不到要求……” 談一談,這位負責人的講話中體現(xiàn)了哪些物理原理? 【鞏固練習】 ①關(guān)于電阻率,以下說法中正確的是( A ) A.純金屬的電阻率較小,合金的電阻率較大,絕緣體
15、的電阻率最大 B.純金屬的電阻率隨著溫度的升高而減小 C.超導體的電阻率為零,所以在任何溫度下對電流都沒有阻礙作用 D.電阻率的大小只隨溫度的變化而變化,而與材料本身無關(guān) ②一段均勻?qū)Ь€對折兩次后并聯(lián)在一起,測得其電阻為0.5Ω,導線原來的電阻多大?若把這根導線的一半均勻拉長為三倍,另一半不變,其電阻是原來的多少倍? 解析:一段導線對折兩次后,變成四段相同的導線,并聯(lián)后的總電阻為0.5Ω,設(shè)每段導線的電阻為R,則=0.5Ω,R=2Ω,所以導線原來的電阻為4R=8Ω。 若把這根導線的一半均勻拉長為原來的3倍,則這一半的電阻變?yōu)?Ω×9=36Ω,另一半的電阻為4Ω,所以拉長后的總電阻為
16、40Ω,是原來的5倍。 ③右圖所示為滑動變阻器原理的示意圖,下列說法中正確的是( BCD ) a b c d P A.a(chǎn)和b接入電路時,P向右移動,電阻增大 B.b和d接入電路時,P向右移動,電阻減小 C.b和c接入電路時,P向右移動,電阻減小 D.a(chǎn)和d接入電路時,P向右移動,電阻增大 ④下列關(guān)于電阻率的說法中正確的是( B ) A.電阻率與導體的長度、橫截面積有關(guān) B.電阻率是表示材料導電性能的物理量,與溫度有關(guān) C.電阻率大的導體,電阻一定大 D.金屬電阻率在任何溫度下都不可能為零 ⑤一只“220 V 100 W”的燈泡工作時電阻為484Ω,拿
17、一只同樣的燈泡來測量它不工作時的電阻,下列說法中正確的是( A ) A.小于484 Ω B.大于484 Ω C.等于484Ω D.無法確定 ⑥一個標有“220 V 60 W”的白熾燈泡,加上的電壓U由0逐漸增大到220 V,在此過程中,電壓U和電流I的關(guān)系可用圖線表示,在圖中所給的四個圖線中,肯定不符合實際的是( ACD ) U I O U I O U I O U I O A B C D A V 短路 A
18、 B ⑦如圖所示,在相距40km的A、B兩地架兩條輸電線,電阻共為800Ω,如果在A、B間的某處發(fā)生短路,這時接在A處的電壓表示數(shù)為10V,電流表的示數(shù)為40mA,求發(fā)生短路處距A處有多遠? 解析:設(shè)發(fā)生短路處距離A處有x米,據(jù)題意知,A、B兩地間的距離l=40 km,電壓表的示數(shù)U=10 V,電流表的示數(shù)I=40 mA=40×10-3A,R總=800Ω。 根據(jù)歐姆定律I=可得:A端到短路處的兩根輸電線的電阻Rx Rx==250Ω ① 根據(jù)電阻定律可知: Rx=ρ ② A、B兩地輸電線的電阻為R總,R總=ρ ③ 由②÷③得 =
19、 ④ 解得x=12.5 km。 [小結(jié)] 本節(jié)課的學習,主要學習了以下幾個問題: 1.通過實驗定量地研究了與導體電阻有關(guān)的因素。 2.總結(jié)得出了電阻定律,掌握了電阻定律的內(nèi)容和公式:R=ρ。 3.電阻率是反映材料導電性能的物理量.材料的電阻率隨溫度的變化而改變;某些材料的電阻率會隨溫度的升高而變大(如金屬材料);某些材料的電阻率會隨溫度的升高而減小(如半導體材料、絕緣體等);而某些材料的電阻率隨溫度變化極?。ㄈ缈点~合金材料)。 電阻定律只是在初中的基礎(chǔ)上給出了一個定量的關(guān)系。但是,本節(jié)還是有一個新的要點,那就是,我們發(fā)現(xiàn)導體的電阻還會和溫度相關(guān)。這一點在實際中是有意義
20、的,比如,物理學家們根據(jù)這個特性制成了熱敏電阻,大家只要去了解一下電飯煲的工作原理,就會感受到熱敏電阻的使用價值了。此外,電阻隨溫度的變化在以后(超導及其應用)中還會有深刻的發(fā)揮。 當我們考慮到電阻隨溫度的變化時,我們的很多電學問題的討論是很麻煩的,因此,在更加廣泛的場合,我們忽略了這種效應。甚至在中學階段,如果不是題目明確考察電阻隨溫度的變化規(guī)律,我們都不考慮這一點。這也是我們應該記住的一個常規(guī)。 [布置作業(yè)] 教材第59頁“問題與練習”第2、3題;思考并回答第1、4題。 板書設(shè)計 6.導體的電阻 一、探究影響導體電阻的因素 探究方案一:實驗探究 導體的電阻與導體的長度
21、成正比。導體的電阻與導體的橫截面積成反比。導體的電阻與導體材料的性質(zhì)有關(guān)。 探究方案二:理論與實驗相結(jié)合探究 1.分析導體電阻與它的長度的關(guān)系 即在橫截面積、材料相同的條件下,導體的電阻與長度成正比。 2.研究導體電阻與它的橫截面積的關(guān)系 即在長度、材料相同的條件下,導體的電阻與橫截面積成反比。 二、導體的電阻 1.電阻定律的內(nèi)容 同種材料的導體的電阻R跟它的長度L成正比,跟它的橫截面積S成反比;導體電組與構(gòu)成它的材料有關(guān)。這就是電阻定律。 2.電阻定律的公式 R=ρ 三、電阻率 1.電阻率 電阻率ρ是反映導體導電性能好壞的物理量。 2.單位 在國際單位制中,電阻率的單位是歐·米(Ω·m)。 3.電阻率與溫度有關(guān) 金屬的電阻率隨著溫度的升高而增大。 錳銅合金和鎳銅合金的電阻率隨溫度變化極小。 教學后記
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