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(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(shì)等于內(nèi)、外電路上電勢(shì)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(lái)分析、計(jì)算有關(guān)問(wèn)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(shì)等于電源沒(méi)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(wèn)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(guò)程與方法　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 1．通過(guò)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(guò)利用閉合電路歐姆定律解決一些簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。 情感、態(tài)度與價(jià)值觀 通過(guò)本節(jié)課教學(xué)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，通過(guò)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(guò)程 ［新課導(dǎo)入］ 我們知道電源是通過(guò)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。 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(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(jī)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(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(shì)變化 在外電路中，正電荷在恒定電場(chǎng)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(shì)如何變化？為什么？ 沿電流方向電勢(shì)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(shì)向低電勢(shì)運(yùn)動(dòng)。 在外電路中，沿電流方向電勢(shì)降低； 在內(nèi)電路中，沿電流方向，電勢(shì)如何變化？為什么？ 在電源內(nèi)部，非靜電力將正電荷從電勢(shì)低處移到電勢(shì)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(shì)低處移到電勢(shì)高處，在這兩個(gè)反應(yīng)層中，沿電流方向電勢(shì)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(shì)升高。 在內(nèi)電路中，沿電流方向電勢(shì)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(shì)為E，內(nèi)阻為r，外電路電阻為R，閉合電路的電流為I。 問(wèn)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 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(chǎng)，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(shì)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(shì)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。 ②公式 I＝ ③適用條件 外電路是純電阻的電路。 ④電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)外電路電勢(shì)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(shì)降落為U外＝IR，習(xí)慣上稱為路端電壓；內(nèi)電路的電勢(shì)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(shì)等于內(nèi)外電路電勢(shì)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 ＋ － 閉合電路中電勢(shì)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(shì)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(shì)，如圖所示。 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(cè)量電池的內(nèi)、外電路的電勢(shì)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(shì)降落之和保持不變，等于電源的電動(dòng)勢(shì)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(shì)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(duì)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)，讓我們一起來(lái)做下面的實(shí)驗(yàn)。 【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(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(jiǎn)單地記為U?？紤]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↓I（＝）↑Ir↑U（＝E－Ir）↓ 【說(shuō)一說(shuō)】 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(lái)。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(shì)，電壓表測(cè)電動(dòng)勢(shì)就是利用了這一原理。嚴(yán)格地說(shuō)電壓表的讀數(shù)也略小于電源的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)外電路斷路時(shí)，路端電壓與電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值相等，但不能說(shuō)此時(shí)路端電壓就是電動(dòng)勢(shì)。 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(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(shì)E＝3V，內(nèi)阻r＝2Ω。請(qǐng)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(wèn)題。 （1）外電路斷開的狀態(tài)對(duì)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(shì)的關(guān)系？ （2）電動(dòng)勢(shì)E的大小對(duì)圖象有什么影響？ （3）電源短路狀態(tài)對(duì)應(yīng)于圖中的哪個(gè)點(diǎn)？怎樣讀出這時(shí)的電流的大小？ U U r＝0 I O E U內(nèi)＝I1r U＝I1R （4）r的大小對(duì)圖象有什么影響？ 就某個(gè)電源來(lái)說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)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(shì)E，直線的斜率的絕對(duì)值表示電源的內(nèi)阻r。 外電路斷開的狀態(tài)對(duì)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(shì)相等； 電動(dòng)勢(shì)E的大小影響圖象與縱軸的截距。 電源短路狀態(tài)對(duì)應(yīng)于圖中的與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)，將圖線延長(zhǎng)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(duì)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(guò)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(shì)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。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(shì)在數(shù)值上等于內(nèi)、外電壓之和，但電動(dòng)勢(shì)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(shuō)明了什么？ 說(shuō)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(shì)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(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＝。 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(dāng)電源的輸出功率小于最大輸出功率時(shí)，對(duì)應(yīng)有兩個(gè)外電阻R1、R2時(shí)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(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(shì)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？ （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？ 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(dòng)勢(shì)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(shì)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。 說(shuō)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(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。 A E r S 1 2 R1 R2 【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(shì)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的值代入E＝I1R1＋I(xiàn)1r中，得 E＝3V 說(shuō)明：這道例題為我們提供了一種測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r的方法。 ［小結(jié)］ 通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)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(shì)等于電源沒(méi)有接入電路時(shí)兩極間的電壓，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(shì)降落U內(nèi)和U外，這時(shí)電源電動(dòng)勢(shì)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(shì)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(lái)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(yè)“問(wèn)題與練習(xí)”。