资源简介

第12章 电能 能量守恒定律
第2节 闭合电路的欧姆定律
教学内容分析
《闭合电路的欧姆定律》是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》必修课程必修3模块中“电路及其应用”主题下的内容。课程标准要求为：理解闭合电路欧姆定律。通过探究电源两端电压与电流的关系，体会图像法在研究物理问题中的作用。《普通高中物理课程标准(2017年版)解读》对课程标准的解读为：本条目要求通过探究实验理解闭合电路欧姆定律，掌握电源电动势与路端电压和内电压的关系，并能用能量观点解释。通过实验现象的观察和对实验现象的解释，理解电动势的概念和物理含义，知道电动势和内阻是标志电源性能的重要参数。能用闭合电路欧姆定律解释负载对路端电压和电源输出功率的影响等实际问题。
教材首先分析内电路中正电荷从负极到正极必存在非静电力，引入电源电动势概念。通过电动势概念的建立和推导闭合电路欧姆定律，为学生深入理解能量守恒定律提供物理事实，在电场和电路情境下培养学生的能量观念。通过应用闭合电路欧姆定律分析路端电压与负载的关系和欧姆表测量电阻原理的拓展学习，学生应用物理规律进行推理，解决实际问题，促进科学思维的发展。
学情分析
在第11章第1节学生学习电源的作用是将电子从电源正极搬运到负极，维持电路两端的电压，初步了解电源的作用。学生学习了静电场知识，理解电荷在电场中受到的静电力，学生分析电源内部电荷受到的静电力阻碍电荷运动，引出电源内部存在非静电力，进而建立电动势概念。学生学习了各种能量，并且知道这些能量间相互转化，在转化过程中遵循能量守恒定律。学生的数学推理能力相对于高一有了较大提升，根据能量守恒定律推导闭合电路欧姆定律。
教学目标
1.学生知道电源是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电能的装置，知道电动势的定义式。
2.学生经历闭合电路欧姆定律的理论推导过程，理解内外电路的能量转化，体验能量转化和守恒定律在电路中的具体应用。
3.学生理解闭合电路欧姆定律，通过探究电源两端电压与电流的关系，体会图像法在研究物理问题中的作用。
4.学生能根据闭合电路欧姆定律解释路端电压与负载的关系。
5.学生知道欧姆表测量电阻的原理。
6.学生了解电源短路可能会带来的危害，加强安全用电意识。
教学重难点
教学重点：闭合电路欧姆定律
教学难点：电动势概念、应用闭合电路欧姆定律分析路端电压与负载的关系
教学方法：讲授法、实验探究法、启发式教学
教学过程
新课引入
投影电路图，提出问题。
演示实验1：
问题：如图所示电路，将单刀双掷开关分别置于位置1和位置2，置于哪个位置时，电流表示数较大？如何计算电路中的电流大小？
教师活动：用仿真物理实验室软件进行模拟实验，和学生预测的结果进行对比。
设计意图：4.5V电源内阻较大，电流较小。和学生预测的结果相反，让学生产生认知矛盾，激发学生学习本节内容的好奇心和求知的欲望 。
新课教学
1电动势
投影闭合电路，介绍闭合电路构成。
师：闭合电路由电源、开关、导线、负载等元件组成，分为内电路和外电路两部分。请同学们回顾前面所学内容。开关闭合后，导体中是否有电场？该电场有何特点？
生：导体中建立恒定电场，各位置电场大小方向不变。
师：请同学们画出外电路中恒定电场形状，电流方向规定为正电荷定向移动方向。若电路中运动的是正电荷，画出电荷在电场中受力示意图。
学生活动：恒定电场形状与闭合回路形状相同，描绘电场线，根据正电荷受力与电场方向相同，画出电荷受力示意图。
师：正电荷在外电路中是如何发生定向移动形成电流的？
生：正电荷受电场力发生定向移动，形成电流。
师：在电源内部，电场方向指向哪里？正电荷受力指向哪里？
生：正电荷发出电场线，电场从电源正极指向负极。电场力指向电源负极。
师：正电荷从电源负极到正极，电场力对电荷是动力还是阻力？
生：电场力与电荷运动方向相反，电场力阻碍电荷从负极到正极。
师：在电源内部，电场力阻碍电荷运动，电荷从负极到正极，必定还受到其他作用力，这个作用力是电源给予的，称为非静电力。
师：电荷从负极到正极，电势能如何变化？增加的电势能来源于哪里？
生：非静电力对电荷做正功，将其他形式的能量转化为电势能。
归纳总结：
在电源内部，电场力阻碍电荷从负极到正极。
在电源内部，存在非静电力将正电荷从负极搬运到正极。
电源通过非静电力将正电荷从负极搬运到正极，非静电力做功将其他形式的能量转化为电势能。
思考与讨论：不同电源非静电力本质不同，可能是化学作用（化学电源），也可能是电磁作用（发电机）。但非静电力均对电荷做功将其他形式的能转化为电势能。不同电源将电荷q从负极搬运到正极做功不同，电源做功本领不同。如何比较电源非静电力做功本领高低？
生1：非静电力对电荷做正功，做功W越多，能将更多的其他能量转化为电势能。可以用做的功表征电源能力高低。
师：其他同学的意见呢？
生2：非静电力做功W和移动的电荷量也有关。做功多，不一定说明非静电力做功能力强。
师：非静电力做功和移动的电荷量有关。为了比较不同电源做功本领高低，可以让电源搬运的电荷量q相同，比较做功多少。移动电荷量相同，非静电力对电荷做正功越多，说明电源能力越强大。
归纳总结：
电动势：非静电力做功W与所移动的电荷量的比值。
表达式：E= 单位：伏 V
物理意义：表征电源非静电力做功本领大小。在数值上等于将单位正电荷从电源负极移动到电源正极非静电力做的功。
特点：只由非静电力的特性决定，和电路无关。
2.闭合电路欧姆定律及其能量分析
电源不仅有电动势，电荷在电源内部运动，受到阻碍作用，电源的电阻称为电源的内阻，用符号r表示。电动势E和内阻r是表征电源性能的两个重要参数。
师：在电源内部，非静电力做功将其他形式的能量转化为电势能，而在外电路和内电路，负载和电源内阻消耗电能。电源提供的能量被外电路负载和内电路消耗。请同学们根据这几个问题自主推导闭合电路中的电流。
问题1：外电路在时间 t 内消耗多少电能？
问题2：内阻r产生多少焦耳热？
问题3：电源通过非静电力做功提供多少能量？
问题4：根据能量守恒定律，这些能量满足什么关系？试推导闭合电路中的电流I表达式。
归纳总结：
E=U+Ir
对于纯电阻，U=IR，有
I=
从电势角度理解闭合电路欧姆定律：
导线无电阻，导线上各点电势相等. 在外电路，沿电流方向电势降低.在内电路，沿电流方向电势升高.经过R，电势降落U=IR。在电源内阻r ，电势减少了U内=Ir。从负极到正极，电势升高E.对于闭合回路，电势降低量和电势升高量相等，有E=IR+Ir，或者I= 。
思考与讨论：根据闭合电路欧姆定律，你能解释为什么开关接2时电流较小吗？应满足什么条件？
例题1电路图
分析：当4.5V电源内阻较大时，电路中的电流较小。
教师活动：用仿真物理软件显示电源内阻和R电阻，根据闭合电路欧姆定律计算开关接1和2时电路中电流，解释本节课前演示实验现象。
例题1图示电路，R1=14Ω，R2=9Ω。开关S接1时，电流表示数I1=0.2A。开关S接位置2，电流表示数I2=0.3A。求电源电动势和内阻.
3.路端电压与负载的关系
问题1：闭合开关S,滑动触头向左滑动，电流表、电压表(均为理想电表)示数分别如何变化？
演示实验2
分析思路：
1.滑动片左移，负载电阻如何变化？
2.根据闭合电路欧姆定律，干路电流如何变化？
3.如何计算内电压？内电压如何变化？
4.路端电压U与内电压有何关系？路端电压U如何变化？
归纳总结：
问题2：
电路如图，小灯泡规格相同，电池相同.哪个图中的灯泡更亮？你是如何分析的？
学生活动：灯泡亮度取决于灯泡的电功率。四个灯泡并联后的阻值较小，路端电压较小，灯泡消耗的功率小，灯泡较暗。
教师活动：利用仿真物理实验室软件对电路进行模拟，显示模拟结果，和学生的分析结果对比。
断路：外电路断开，I=0，路端电压U=E，可用于测量电动势。
短路：负载R=0，用导线直接连接电源两端，I= .
问题3：如图所示电路，将滑动变阻器滑片从向左向右逐渐移动，记录下电压表和电流表的读数，获取多组(U,I)。将各组数据描绘在直角坐标系中，以电流为横轴，电压为纵轴。图像是什么形状？你打算如何解决这个问题？和同学交流你的想法。
电路图 模拟实验
表 模拟实验数据
U/V 2.495 2.341 2.1 1.579 0.3
I/A 0.09 0.122 0.1667 0.2632 0.5
师：观察U-I图像，路端电压与通过电源的电流，二者的变化有何关系？
生：电路中的电流越大，路端电压越小。图像是一条倾斜直线。
师：请同学们写出路端电压的数学表达式，解释图像为何是一条直线？图像的斜率截距分别代表什么？
归纳总结：
斜率表示电源内阻r；
纵截距表示电动势E；
横截距表示短路电流.
例题2 （见PPT）
课堂练习1（见PPT）
课堂小结
作业：“练习与应用”第2题、第4题 、“复习与提高”A组第5题（教材第100页）
板书设计
§ 12.2 闭合电路的欧姆定律
电动势
电源内部电场力阻碍电荷运动。
电源内部非静电力将正电荷从负极移动到正极，将其他形式能转化为电势能。
电动势E= 由非静电力特性决定
闭合电路欧姆定律及其能量分析
E=U+Ir I= 纯电阻
三、路端电压与负载的关系
U=E-Ir
断路：U=E
短路：I=E/r
教学反思
在学习本节内容前，学生认为在电路中电荷靠电场电荷发生定向移动形成电流，这种认识是片面的。在内电路中电荷不是靠电场力从负极运动到正极，教学中要让学生动手画电源内部电场线和电荷受到的电场力方向，分析电场力方向和电荷运动速度方向的关系。路端电压与外电阻的关系是本节的教学难点，在教学中要做好演示实验，使学生有明确的感性认识，然后用数学公式加以解释。路端电压与电流的关系图像，可以直观地显示路端电压与电流的关系。6
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