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欧姆定律
章首语
欧姆定律作为一个重要的物理规律,反映了电流、电压、电阻这三个重要电学量之间的关系,是电学中最基本的定律,是分析解决电路问题的金钥匙,欧姆定律是本章教学的重点,也是初中物理电学中重点内容之一。是第十一章“电路、电流和电压”的延伸,又是第十三章“电功和电功率”的基础,具有一定的综合性和应用性,是培养学生分析和解决问题能力的良好载体。
本章教材以欧姆定律为主线,从学习物质的导电性开始,到欧姆定律在实际中的应用结束,教材从始至终在培养学生的科学素养角度安排教学内容。第一节,不同物质的导电性能,通过观察实验、阅读材料,比较导体、半导体和绝缘体的不同,初步了解半导体的一些特点,了解半导体材料的发展对社会的影响,知道电阻的意义及单位;第二节,影响导体电阻大小的因素,通过完整的探究过程让学生掌握探究问题的方法,学会研究问题,知道影响电阻大小的四个因素。通过阅读材料初步了解超导体的一些特点,了解超导体对人类生活和社会发展可能带来的影响。第三节,变阻器,从生活实际出发说明变阻器的作用,要求学生知道变阻器的原理和构造,会将其正确连入电路,知道它在电路中的作用。对于电阻箱,要求学生会把电阻箱正确接入电路并能正确读出其接入电路的电阻值。第四节,欧姆定律,通过探究电流与电压、电阻关系,引导学生明确实验目的,运用控制变量法制订探究方案,学会分析和处理实验数据,正确表述科学探究的过程和结果,提高科学探究能力;第五节,测量导体的电阻,本节以电阻测量为主线,欧姆定律应用为暗线设计教学内容,是欧姆定律的延续和延伸。学生在应用欧姆定律测导体电阻时,可加深对欧姆定律的理解。特殊方法测量电阻,围绕如何测量待测电阻两端的电压,如何测量通过待测电阻的电流,请学生讨论实际方案,培养学生的发散思维和创新意识,在学习过程中对欧姆定律的实际应用价值会有更深的体会,同时也加深了定律本身的理解。第六节,设计恒温电热杯,是本章的跨学科实践活动,使用了转化的方法,利用热敏电阻将“温度”这一非电学量转化为电学量,进而实现对电热杯温度的自动控制。发展学生跨学科运用知识的能力、分析和解决问题的综合能力、动手操作能力,培养学生积极认真的学习态度和乐于实践、敢于创新的精神。
学生已掌握了电流、电压这两个基本概念,知道电流是电荷的定向移动形成的,电压是使电荷定向移动形成电流的原因。但对概念的理解多停留在表面,尚未深入探究它们之间的内在联系。学生已学习了电流表和电压表的使用方法,能进行简单电路的连接和电表读数的操作,这为通过实验探究欧姆定律奠定了实验技能的基础,但在复杂电路中灵活应用这些仪器,准确读取数据并分析处理,仍存在一定困难。
初中生正处于从形象思维向抽象思维过渡阶段,对直观、生动的实验现象兴趣浓厚,通过实验探究能激发他们的学习积极性。在探究欧姆定律实验中学生对实验操作环节热情较高,对于根据实验数据归纳总结出物理规律,将具体实验现象上升为抽象理论知识,部分学生存在思维障碍。学生已具备一定的观察能力,但观察不够全面、细致。在实验中,可能仅关注到电流或电压变化的明显现象,忽略电阻变化对电路的细微影响,需要教师引导其有目的、有顺序地观察。
1.通过实验,了解物质的一些物理属性,如导电性等,能用语言、文字或图表描述物质的物理属性。
例1　通过实验,了解物质的导电性,比较导体、半导体、绝缘体导电性能的差异。
2.了解关于物质属性的研究对生产生活和科技进步的影响。
3.知道电压、电流和电阻。探究电流与电压、电阻的关系,理解欧姆定律。
【物理观念】
清晰理解导电性概念,深入掌握电阻概念,能阐述电阻对电流的阻碍作用,理解变阻器原理,以及在电路中的作用,明确电阻与各因素的定量关系,了解变阻器在电路中改变电阻时,对电流、电压分配的影响规律,能运用这些规律分析简单电路变化;能阐述欧姆定律的内容,明确电流与电压成正比、与电阻成反比的定量关系,构建清晰的电学物理量认知体系。认识到欧姆定律是对电路中基本电学量关系的总结,可解释和预测简单电路中电流、电压、电阻的变化,将抽象规律与实际电路现象联系,深化对电路工作原理理解。
【科学思维】
通过对不同材料导电性实验现象分析,归纳出导体、半导体、绝缘体特性差异,基于实验数据和生活实例,推理电阻与各因素的关系,通过控制变量法探究欧姆定律,在实验数据基础上,运用数学工具(如函数图像、公式推导)分析归纳,得出电流、电压、电阻间定量关系,培养逻辑推理和科学论证能力;将导体抽象为具有一定电阻值的元件,把变阻器简化为可调节电阻大小的模型,运用该模型分析电路动态变化,提升抽象思维和建模能力。
【科学探究】
基于生活中用电现象,并依据所学知识作出合理假设,自主设计探究实验方案,设计电路连接方式,制订实验步骤,规范操作进行实验,收集数据,培养实验设计与操作能力;选择合适器材,规划实验步骤,规范操作完成实验,收集数据;对实验数据进行处理,绘制图表,判断假设是否成立,分析实验误差来源,提出改进措施,培养科学探究和批判性思维能力。
【科学态度与责任】
在实验探究中,尊重实验事实和数据,如实记录实验现象和结果,不篡改数据,面对与预期不符的结果,认真分析原因,培养严谨科学态度。认识物理知识对技术发展的重要性,认识物理知识对社会发展的重要作用,增强将物理知识应用于实际的意识,培养社会责任感。
1.“不同物质的导电性”讲解物体传导电流的能力及导电性,介绍导体、半导体、绝缘体的定义和典型材料,从微观角度说明导体因有大量自由移动电荷易导电,绝缘体被束缚难导电,半导体导电性介于两者之间且受杂质、温度等影响。
2.“影响电阻大小的因素”采用控制变量法,设计实验探究电阻与导体材料、长度、横截面积、温度的关系,让学生分组实验记录数据,分析得出结论。
3.“变阻器”从生活实际引出变阻器,以滑动变阻器为例,讲解其构造,通过改变接入电路电阻丝长度改变电阻,进而改变电流,强调使用滑动变阻器要“一上一下”接线,闭合开关前滑片移到阻值最大处,让学生动手操作练习。
4.“欧姆定律”主要采用学生自主学习、学生分组实验、分析讨论、讲授及多媒体演示等多种教学方法综合运用,让学生积极主动参与活动,在活动中动手、动脑,从而掌握知识、提高各种能力。
5.“测量导体的电阻”伏安法测导体电阻,采用学生分组实验的教学方法,让学生真正参与活动,而且在活动中得到认识和体验,培养学生将课堂教学和自己的行动结合起来;以讨论的形式逐步引导学生归纳出缺电流表情况下测电阻的方法,但该部分内容知识难度大、理解起来困难,教师要对学生加以鼓励和正确引导,让学生克服畏难情绪,顺利地打通欧姆定律的应用之路。
6.“设计恒温电热杯”将项目分解为四个子任务,分配给不同小组,充分利用学校实验室、图书馆、多媒体教室等资源,注重培养学生的跨学科技能,如团队协作、问题解决、批判性思维。组织学生小组合作活动,让学生在交流讨论中碰撞思维火花,共同攻克难题。
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欧姆定律
第一节　不同物质的导电性能
方式一　【故事导入】
小明家装修房子,电工师傅叫小明爸爸要多买点铜线,小明听到了,就对爸爸说:“爸爸,不要买铜线,铜线太贵了,铁也是导体,铁又便宜,我们买铁线吧。”电工师傅听了摇摇头,说:“你错了,哪有用铁线做电线的呀!你还要好好学物理。”小明皱着眉头说:“我错了吗 ”
师:同学们觉得小明错了吗
生:小明错了。
师:大多数导线都是用什么材料制成的
生:用铜或铝。
师:为什么不用铁来做导线呢 接下来,让我们通过本节课的学习来解开疑惑吧!引入新课。
方式二　【实验导入】
演示实验:如图12-1-1所示,分别把两根不同材料的导线(长度和粗细相同)接入电路中,观察到灯泡的亮度不同。
图12-1-1
导入语:小灯泡的亮度为什么不同呢 要想找到问题的答案,让我们进入今天的物理课堂——不同物质的导电性能。引入新课。
方式三　【问题导入】
多媒体展示图片:各种导线(图12-1-2)。
图12-1-2
导入语:导线多是用铜做的,特别重要的电器设备的导线是用昂贵的银做的。铁也是导体,既多又便宜,想想看,为什么不用铁来做导线呢 要明白其中的道理,我们要先学习——不同物质的导电性能。引入新课。
1.导电与带电是两个概念
“导体”导电过程是自由电荷定向移动的过程,导电体是导体;“带电体”带电过程是电子得失的过程,能带电的物体可以是导体也可以是绝缘体。导体和绝缘体之间没有绝对的界限,在一定条件下可相互转化。这里的一定条件包含湿度、纯度、温度等条件的改变。加热时绝缘体也可以变为导体,原因是加热使绝缘体中的一些电子挣脱原子的束缚变为自由电荷。
2.导体与绝缘体
(1)导体和绝缘体之间并没有绝对的界限,当条件改变时,很好的绝缘体也有可能变为导体。
(2)绝缘体内部并不是没有电荷,而是能自由移动的电荷很少。
[中考解读] 知道导体、绝缘体和半导体的定义,并正确区分导体和绝缘体,了解半导体在生活中的应用实例,该部分知识在中考中一般以选择题或填空题形式呈现。
[考点对接] 导体、绝缘体和半导体
例1　(湘潭中考)下列物品中,通常情况下属于导体的是 (　　)
A.木铲 B.铁锅 C.玻璃杯 D.陶瓷盘
[答案]　B　
[解析] 导体为容易导电的物体,例如:金属、水、大地、石墨等;绝缘体为不容易导电的物体,例如:塑料、玻璃、陶瓷、干木等,故B符合题意,ACD不符合题意。
例2　(广安中考)LED灯已广泛应用于展示台装饰、居家照明、城市夜景美化等,制作LED灯的材料是　　　　(选填“半导体”或“超导体”)。如图12-1-3所示为某学校电子屏中滚动播放的标语,其显示屏中的“增”字有一部分未显示,其他发光部分正常发光,由此可知,未发光部分与其他发光部分之间是　　　　联的。
图12-1-3
[答案]　半导体　并
[解析] 导电能力介于导体和绝缘体之间的材料叫半导体,半导体是制作二极管、三极管的材料,常用在电子元件上,LED灯中的发光二极管由半导体材料制成;其显示屏中的“增”字有一部分未显示,其他部分正常发光,因此可知,未发光部分与其他部分是独立工作,互不影响的,故未发光部分与其他发光部分是并联的。
材料一——导电塑料
19世纪70年代的一天,日本的一位科学家在实验室里用常规方法,获得一种具有金属光泽的银灰色薄膜。而按以往经验,用同样的方法得到的应当是聚乙炔黑色粉末。他觉得奇怪,于是就回过头来检查他的实验过程有没有出错,结果发现添加的催化剂比规定数量多出了1000多倍。就这样,导电塑料在这次意外的操作中诞生了!
之后,科学家们对导电塑料进行了深入研究,制造出了可以实际应用的导电塑料产品。目前,美国已经用导电塑料代替半导体材料制造太阳能电池,并试验用导电塑料制作蓄电池的电极材料。如果把导电塑料作为电极材料应用到汽车蓄电池里,可以把蓄电池的质量由15 kg减小到2 kg,并且能够使其反复充电1000次以上,大大延长其使用寿命。瑞士还用导电塑料制成了印刷电路板,并已经应用到小型计算机中,使用效果良好,成本只有铜印刷电路板的40%。英国和加拿大则把导电塑料应用到了电子玩具、电子游戏机、电视机和其他普通电器上,都明显降低了产品的成本。
导电塑料兼具塑料和金属的优点,密度比金属小得多,不需要冶炼,也不需要在高温条件下加工,而制取导电塑料的资源也十分丰富,造价低廉。因此,导电塑料的出现会给未来的材料学带来新的生机。
　　材料二——石墨炸弹
如图12-1-4所示,石墨炸弹又名软炸弹,俗称“电力杀手”,因其不以杀伤敌方兵员为目的而得名,又因其对供电系统的强大破坏力而被称为断电炸弹。石墨炸弹的主要攻击对象是城市的电力输配系统,并令其瘫痪。
图12-1-4
石墨炸弹是选用经过特殊处理的高纯碳(化学式C,相对原子质量12.01,原子序数6,为非金属)石墨纤维丝制成的,每根石墨纤维丝的直径相当小,仅有几千分之一厘米,因此,可在高空中长时间飘浮。由于石墨纤维丝经过流体能量研磨加工制成,且又经过化学清洗,因此,极大地提高了传导性能。石墨纤维丝没有黏性,却能附着在一切物体表面。
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欧姆定律
第一节　不同物质的导电性能
教 材 解 读 　“不同物质的导电性能”是学生在了解基本的电现象,如摩擦起电、电荷间相互作用等基础知识后,对电学内容进一步深入探究。本节内容不仅为后续学习欧姆定律等核心电学知识奠定基础,还帮助学生从微观层面理解物质的电学性质,构建完整的电学知识体系,同时也与日常生活常见的电学应用紧密相连,有助于培养学生将物理知识应用于实际的能力。 　教材首先通过生活常识说明不同物质的导电性能是不同的,然后通过实验探究不同物质的导电性能,引入导体和绝缘体,通过交流讨论,让学生列举导体和绝缘体的例子。随后介绍半导体这一特殊物质,强调其导电性能介于导体和绝缘体之间,以及在现代技术中的重要应用;其次从微观角度深入剖析不同物质导电性能差异的原因,对于半导体,其内部的电子状态较为特殊,在一定条件下,会有部分电子挣脱束缚成为自由电荷,从而改变其导电性能,教材结合具体实例说明这些影响因素,帮助学生理解半导体导电性能的独特性;最后介绍电阻,电阻是继电流、电压之后又一个非常重要的电学物理量,本节课的主要内容是认识电阻的概念,知道电阻的单位换算。
学 习 目 标 物理观念 　1.了解我们周围的物体哪些属于导体,哪些属于绝缘体和半导体。了解导体和绝缘体是相对的,在一定条件下它们可以相互转化。 　2.理解其导电性能本质区别,构建“物质导电性能由微观结构决定”观念,能运用该观念解释生活中如金属输电、橡胶绝缘等电学现象,从能量角度认识电能与其他形式能的转化。 　3.知道电阻是表示导体对电流阻碍作用大小的物理量,掌握电阻的单位及其换算。
科学思维 　通过实验数据、现象,总结不同物质导电性能特点,培养逻辑思维。能将实际问题转化为物理模型,把复杂元件抽象为导体、半导体模型来分析导电性能。
科学探究 　引导学生提出关于导电性能可探究问题,如“温度如何影响半导体导电性能”自主设计实验,选择器材、规划步骤,在实验中准确操作、收集数据,对结果进行分析论证,培养质疑创新精神,提升科学探究能力。
科学态度 与责任 　在探究中培养严谨认真、实事求是的科学态度,尊重实验数据。认识到物质导电性能研究对科技发展的重要作用,了解其在电力、电子等领域的应用,增强对科学技术的热爱,树立利用科学知识服务社会的责任感。
重 点 难 点 　重点:掌握导体、半导体和绝缘体的概念及常见实例;理解不同物质导电性能差异的微观本质;知道电阻是表示导体对电流阻碍作用大小的物理量,掌握电阻的单位及其换算。 　难点:从微观层面理解自由电荷移动与物质导电性能的关系;理解半导体导电性能随外界因素变化的原理及在实际应用中的作用。
备课 资料 　word版电子教案、匹配的课件见电子资源
教师活动 学生活动 设计意图
【导入新课】 观察导线,可看到外面的塑料外套和里面的铜丝或铝丝。 提出问题:为什么所有导线都是这样设计的 能不能换一下,用塑料或橡胶做内导线,金属做外套 这样会有什么问题产生 学生观察、思考、根据生活常识回答 从实际生活情景引入,激发学生兴趣。
【新课教学】 探究点一:导体、绝缘体和半导体 根据导入环节引出物体的导电性及用电安全。 1.实验探究:不同物质的导电性 提出问题:哪些物体容易导电,哪些物体不易导电。 猜想假设:教师将准备的各类导体和绝缘体展示给学生看,并建议学生拿出自己希望鉴别的物体。学生根据自己的原有认知动手划分导体和绝缘体,猜想并分类哪些物质容易导电,哪些物质不容易导电。 学生观察、根据生活常识划分 学生根据生活经验对熟悉的事物按照导电性进行分类,帮助学生实现知识的迁移。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
设计实验,验证猜想: 环节1:引导学生注意思考以下问题: (1)什么物理量可以反映物体导电性的不同 (2)用什么电路元件反映电流大小 (3)都需要哪些器材组成电路 (4)电路中只接电流表而不接小灯泡是否可以 对于问题(4)引导学生知道,当被测物体是导电性能良好的导体时,电路中会因为电流过大超过电流表最大测量值而导致电流表被损坏。强调设计电路时既关注实验效果又关注电路安全。 环节2:学生动手设计电路。 教师可以将学生设计的电路抽样展示如图所示。 进行实验,收集数据。 学生连接如图所示电路,将课前准备的物体分别接入导线夹之间,将数据或现象记录在书上。教师巡视指导。 (待鉴别材料:铅笔芯、钢尺、硬币、塑料尺、玻璃管、陶瓷片、碳棒、蒸馏水、自来水、食盐水、学生渴望鉴别导电性的物体) 分析论证: 根据数据和现象,学生验证猜想,比较哪些物质更容易导电。 展示常温下一些物质的导电性能如图所示。 学生思考互动,讨论回答 实验、记录 学生观察、讨论、交流 问题引导学生设计,培养科学探究的能力 实验激发兴趣,问题引导思考,在实验和思考中提高思维和科学素养。 通过同学互动和实验研究,培养合作能力和研究问题的能力。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
师生归纳总结: 导体:容易导电的物质。如金属、人体、大地、电解质溶液等。 绝缘体:不容易导电的物质。如橡胶、玻璃、瓷、塑料、干木头。 半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。如硅、锗。 请同学们阅读课本“拓展阅读”,了解半导体的应用。 2.导电性不同的微观解释 请同学们自学课本,交流一下导体、绝缘体导电性不同的原因。 教师在学生交流的基础上用课件解释为什么导体容易导电,绝缘体不易导电。 导体(导电的物质)中有大量自由移动的电荷,金属导体中自由移动的电荷是自由电子,液体中自由移动的电荷是正、负离子。导体内有大量自由移动的电荷是导电的必要条件。绝缘体中,电荷几乎都被束缚在原子的范围内而不能自由移动,可自由移动的电荷很少,因此不容易导电。 3.导电性能是一成不变的吗 让学生两只手分别握住导线夹子,观察电流表示数;让同一学生把手弄湿后再次握住导线夹子,观察电流表示数,湿手握住导线夹子,电流表示数变大,引出一定条件下导电性是会变化的,同时引导学生注意用电安全。 阅读材料,半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间 学生阅读课本,交流 学生合作实验 阅读课本提高获取信息的能力,拓宽视野,对物质按导电性分类形成完整的知识结构。 通过人体导电性变化实验,引导学生理解导电性能会变化,并提高学生兴趣。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
演示如图所示实验:加热玻璃棒至炽红,观察二极管有什么变化 撤去酒精灯再观察二极管有什么变化 你能得出什么结论 学生观察分析,归纳得出:导体和绝缘体并不是绝对的,有些绝缘体在外界条件改变时会变成导体。 4.导体和绝缘体都是理想的电工材料 展示钳子、改锥等生活中常见的物品,让学生辨识哪部分是导体,哪部分是绝缘体。 探究点二:电阻 在上面学生探究实验过程中,有些物体虽然都是导体,但把它们接入同一电路中,我们观察到电流表的示数是不同的,即不同物体对电流的阻碍作用不同。引出电阻概念。 电阻是表示导体对电流的阻碍作用大小的物理量。理解电阻是导体本身的一种性质。 电路图符号:。 单位:欧姆,简称欧,符号为 Ω。 单位换算:1 MΩ=103 kΩ=106 Ω。 演示常用的电阻器,可发到学生手里,引导学生关注生活。 学生观察、回答问题 分类、辨别导体和绝缘体 通过问题引导学生进行研究,探究总结结论。 体会导体和绝缘体都是理想的电工材料,同时提高学生安全用电意识。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
课堂小结 1.你学到了哪些物理知识 2.你学会了哪些研究问题的方法 学生从知识、方法、情感各方面对本节课进行总结 引导学生学会总结。
学点1　导体、绝缘体和半导体
观察如图12-1-5所示的导线,思考并回答下列问题。
图12-1-5
问题1:导线的内部是　铜或铝的金属线　,而外部是　橡胶或塑料　,电工用品的头部是　金属　,而手柄处是　橡胶　。这是因为　它们的导电能力是不同的　。
用如图12-1-6所示实验装置及物品探究不同物质的导电能力,A、B之间是断开的。在A、B之间分别接入钢片、木棍、橡皮、玻璃和盐水等。闭合开关,观察电流表的示数及小灯泡的明暗情况。实验并回答下列问题。
图12-1-6
问题2:将　钢片、盐水　接入电路,电路中有电流,小灯泡发光,表明这些物体容易导电,我们把它们叫作导体。
问题3:将　木棍、橡皮、玻璃　接入电路,电路中几乎没有电流,小灯泡不发光,表明这些物体不容易导电,我们把它们叫作绝缘体。
阅读教材P75内容,回答以下问题:
问题4:导体容易导电的原因是　其内部存在大量自由移动的电荷　,在金属导体中存在大量自由移动的　电子　,酸、碱、盐溶液中存在大量能够自由移动的　正、负离子　。
问题5:绝缘体不容易导电是因为　几乎没有自由电荷　。
图12-1-7展示了常温下一些物质的导电性能,从左到右导电性能越来越强,绝缘性能越来越差。
图12-1-7
问题6:有一类物质,其导电性能介于导体和绝缘体之间,这类物质叫作　半导体　,如:　锗　、　硅　、　砷化镓　等。半导体的导电性能受　压力　、　温度　、　光照　、　杂质　等外部因素影响。
如图12-1-8所示,闭合开关,发光二极管不亮,用酒精灯加热玻璃棒,在玻璃棒变得炽热而发红的过程中,发光二极管亮了,撤去酒精灯,在玻璃棒温度降低的过程中,发光二极管不亮。
图12-1-8
问题7:日常生活中,我们有这样的经验:干木材不导电,但湿木材却可以导电;常温下玻璃不导电,高温下的玻璃却可以导电;纯净水不导电,但含杂质的水却可以导电。这些现象说明:同一物质的导电性能并不是一成不变的,　在一定条件下,导体和绝缘体可以相互转化　。
问题8:观察如图12-1-9所示的电工用品,说明　良好的导体和绝缘体都是理想的电工材料　。
图12-1-9
学点2　电阻
阅读教材P76~P77内容,回答下列问题:
问题1:把不同的导体接入电路时,电流表的示数不同,这表明导体对电流的阻碍作用是不同的。　电阻　是表示导体对电流阻碍作用大小的物理量,用符号　R　表示。
问题2:国际单位制中,电阻的单位是　欧姆　,简称　欧　,用符号　Ω　表示。常用的单位还有　千欧(kΩ)　、　兆欧(MΩ)　等。在电路图中,电阻器的符号是 　。
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