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.理解閉合電路的功率表達(dá)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(fù)載的關(guān)系,培養(yǎng)學(xué)生利用“實驗研究,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際問題,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)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(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 演示實驗、討論、講解。 教學(xué)用具 滑動變阻器、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)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。 [新課教學(xué)] 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(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(yùn)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(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(dá)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(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(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 + - 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(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(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,電路中的電流如何變化? 據(jù)I=可知,R增大時I減?。籖減小時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(biāo)準(zhǔn),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(fù)載的變化而變化? (1)實驗結(jié)果 當(dāng)外電阻增大時,電流減小,路端電壓增大;當(dāng)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(dá)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(xué)可能有這樣的經(jīng)驗:傍晚用電多的時候,燈光發(fā)暗,而當(dāng)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(yán)格地說電壓表的讀數(shù)也略小于電源的電動勢。當(dāng)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(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)于圖中的哪個點(diǎn)?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(diǎn)?怎樣讀出這時的電流的大小? 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(xué)知識可以知道路端電壓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(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,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+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== 所以,當(dāng)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(dāng)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(dāng)外電阻R越大時,電源的效率越高。當(dāng)電源的輸出功率最大時,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(dāng)變阻器R的阻值為多大時,電源的輸出功率最大? (2)當(dāng)變阻器R的阻值為多大時,變阻器消耗的功率最大? (3)當(dāng)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(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,電流表的示數(shù)為I1=0.2A;當(dāng)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,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(xué)習(xí),主要學(xué)習(xí)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(dāng)電源接上外電路時,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(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)”。- 1.請仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對于不預(yù)覽、不比對內(nèi)容而直接下載帶來的問題本站不予受理。
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