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欧姆定律
第二节　影响导体电阻大小的因素
方式一　【问题导入】
导体中能够通过电流,但同时对电流又有阻碍作用,在物理学中用“电阻”这个物理量来表示导体对电流阻碍作用的大小。不同导体,电阻一般不同,电阻是导体本身的一种性质。提出问题:导体的电阻既是导体本身的一种性质,你猜一猜它跟哪些因素有关 你能不能设计一组实验来证明你的猜想是否正确 引入新课。
方式二　【实验导入】
(1)出示一个调光灯,请大家注意观察,当转动旋转开关时,你看到什么发生了变化 (亮度发生变化)提问:灯泡亮度的变化是由什么引起的呢 (电流)可以用什么方法改变电路中的电流大小呢 引入新课。
(2)教师出示一个精美的小舞台,演示舞台上的灯光由暗变亮,再由亮变暗。接着引导学生运用学过的知识推出在电压不变的情况下,灯泡亮暗的变化是由于电路中的电阻发生改变,电阻是如何改变的呢 引入新课。
补充实验:探究石墨的电阻与温度的关系
器材:电源、导线、开关、灯泡、铅笔芯(分别选择2B、HB、2H等不同标号的铅笔芯,某一标号的铅笔芯有粗细不同的规格)、酒精灯。
步骤:1.使用如图12-2-1所示的电路图,取一支铅笔,剥去木质层,剥出铅笔芯,用导线夹夹住铅笔芯的两端,将其固定在支架上。如图所示,连好电路,让学生观察小灯泡的发光情况;再用酒精灯给铅笔芯均匀加热,让学生继续观察小灯泡的发光情况。加热前后可以清楚地观察到小灯泡由暗变亮。
图12-2-1
2.熄灭酒精灯,观察灯泡亮度变化。换用不同规格的铅笔芯,重做实验。
结论:导体电阻与温度有关(金属导体的电阻一般情况下温度越高,电阻越大)。石墨、碳等在温度越高时电阻越小。
[中考解读] 导体的电阻是导体本身的一种性质,其大小取决于导体的材料、长度和横截面积,此外还受温度的影响,而与导体两端的电压、通过它的电流无关,即导体两端有无电压、导体中有无电流,导体的电阻都是存在的。对于影响电阻大小的因素,必须理解并掌握如何运用控制变量法进行科学的实验探究。该部分知识多以选择题或实验探究题的形式呈现。
[考点对接] 影响电阻大小的因素
例1　(常德中考)有A、B、C三根完全相同的导线,将A导线剪去一半,电阻变为R1;将B导线均匀拉伸到原来长度的两倍,电阻变为R2;将C导线从中间对折,电阻变为R3。下列大小关系正确的是 (　　)
A.R1>R2>R3 B.R2>R1>R3
C.R2>R3>R1 D.R3>R1>R2
[答案] B
[解析] 有ABC三根完全相同的导线,将A导线剪去一半,电阻变为原来的一半,即R1比原来小;将B导线均匀地拉伸到原来长度的两倍,长度增加,横截面积减小,电阻变大,R2比原来的电阻大;将C导线从中间对折,长度变为原来的一半,电阻变小,但与剪去一半比,长度相同,横截面积更大,电阻更小,说明电阻R3小于R1,则三个电阻的关系为R2>R1>R3,故B正确。
例2　(徐州中考)如图12-2-2所示,小明用铅笔芯做滑动变阻器,设计并制作一个模拟的调光灯。器材有:电池(总电压为3 V)、小灯泡(2.5 V　0.3 A)、铅笔芯、金属回形针、开关、导线、电压表。
图12-2-2
(1)铅笔芯和小灯泡的连接方式是　　　　联。
(2)闭合开关,回形针向左移,小灯泡亮度变　　　　。
(3)把电压表和小灯泡并联,调节回形针的位置,当电压表的示数为　　　　V时,在铅笔芯上标记此时回形针的位置。为了安全使用调光灯,回形针向左调节不能超过此位置。
(4)甲、乙两根铅笔芯的长度都是17.5 cm,甲的电阻为20 Ω,乙的电阻为10 Ω。调节效果可以从两个方面评价:一是小灯泡亮度的变化范围;二是调节的精度,回形针移动一定距离时,电阻变化越小调节精度越高。则铅笔芯甲和乙相比　　　　。
A.调节范围大,调节精度高 B.调节范围大,调节精度低
C.调节范围小,调节精度高 D.调节范围小,调节精度低
[答案] (1)串　(2)亮　(3)2.5　(4)B
[解析] (1)由图可知,铅笔芯和小灯泡在一条路径上,即为串联。
(2)回形针向左移,铅笔芯接入电路长度变短,接入电路电阻变小,电路中电流变大,灯泡变亮。
(3)当小灯泡两端电压达到2.5 V时正常发光,其两端实际电压不能高于此电压,即电压表示数不能超过2.5 V。
(4)两铅笔芯长度相同,由于甲的电阻大,因此从一端调到另一端时,电阻变化量大,电流变化量大,调节范围更大。但移动相同距离时,由于甲的电阻变化更大,甲的调节精度低。
例3　(温州中考)小明利用一个废弃的白炽灯,用如图12-2-3甲所示的装置来探究灯丝电阻与温度的关系。
图12-2-3
(1)闭合开关,电流表的示数如图乙所示,其示数为　　　　A。
(2)点燃酒精灯给白炽灯的灯丝加热,发现电流表示数变小。由此可知:灯丝温度升高,其电阻大小变化情况是　　　　。
[答案] (1)0.3　(2)变大
[解析] (1)电流表选择0~0.6 A量程,分度值是0.02 A,示数为0.3 A。
(2)点燃酒精灯给白炽灯的灯丝加热,发现电流表示数变小,电压一定时,通过灯丝的电流变小,说明灯丝的电阻变大,由此可知:灯丝温度升高,其电阻变大。
材料一——超导的三个典型现象
1.完全导电性:超导体的电阻为零,这意味着电流可以在超导体中无损耗地流动。这种特性使得超导体在直流电路中表现出零电阻效应,在非直流情况下电阻也非常小。
2.完全抗磁性:超导体具有完全抗磁性,即当超导体处于磁场中时,体内的磁通量会完全排出,表现出迈斯纳效应。这种特性使得超导体在强磁场环境中表现出特殊的物理现象。
3.约瑟夫森效应:当两片超导体之间夹一层绝缘材料时,它们之间会产生约瑟夫森结,这种结构可以用于制作超导电子器件,如SQUID(超导量子干涉器件),这是一种非常灵敏的磁场探测器,广泛应用于医学和量子计算中。
超导现象是指在一定温度和磁场条件下,某些物质的电阻降为零,同时表现出完全抗磁性的状态。超导态具有一系列临界参量,如临界温度TC、临界磁场HC和临界电流密度JC。只有当材料的物理量同时低于这三个临界参量时,超导态才能维持,一旦超越这些参量时,超导态就会被破坏,恢复为有电阻的正常态。
　　材料二——温度升高时,金属导体电阻增大的原因
一般情况下,温度升高电阻增大,主要有以下原因:
1.金属导体
自由电子碰撞加剧,金属导体靠自由电子导电。温度升高,金属原子的热运动加剧,原子振动的幅度和频率增大。自由电子在导体中定向移动时,与原子碰撞的概率增加,碰撞次数增多,就像人在拥挤且不断晃动的人群中行走更困难一样,电子定向移动受到的阻碍增大,从而导致电阻增大。
2.晶格畸变增强
温度上升会使金属晶格的热振动增强,晶格的完整性受到一定破坏,产生更多的晶格畸变。这使得电子在晶格中传播时,散射概率增加,电子的运动路径变得更加曲折复杂,增加了电子传输的难度,电阻也就随之增大。
3.半导体
本征激发与杂质电离的综合影响:在一定温度范围内,杂质半导体中杂质电离占主导,温度升高,杂质电离更充分,载流子浓度增加,电阻有减小趋势。但当温度进一步升高,本征激发逐渐占主导,大量本征载流子产生的同时,晶格振动也加剧,载流子的迁移率因与晶格振动的散射作用增强而减小,且迁移率减小对电阻的影响超过了载流子浓度增加的影响,整体表现为电阻增大。
4.电解质溶液
离子运动阻力增大:温度升高,电解质溶液中的离子热运动加快,但同时溶剂分子的热运动也更剧烈。溶剂分子对离子的阻碍作用增强,离子在电场作用下定向移动时受到的阻力增大,就好像在湍急的水流中行走更困难一样,导致溶液的电阻增大。
对于一些特殊材料,如负温度系数热敏电阻等,温度升高电阻反而减小,这是由其特殊的材料特性和微观结构决定的。
　　
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欧姆定律
第二节　影响导体电阻大小的因素
教 材 解 读 　本节教材是本章第一节内容的延续,也是第三节内容的铺垫,要求学生知道影响电阻大小的四个因素,重点是掌握探究问题的方法,学会研究问题。教材首先以不同规格的电线在输电时的差异,让学生意识到导体对电流的阻碍作用不同,进而思考影响电阻大小的因素。利用探究实验,通过控制变量法研究材料、长度、横截面积和温度对电阻的影响,引导学生交流讨论、设计实验方案,基于实验数据总结出规律,最后交流和评估研究结果,落实科学探究的全过程;其次设计了第二个探究实验,探究导体的电阻受温度的影响;最后通过拓展阅读介绍超导体以及超导体对人类生活和社会发展可能带来的影响。
学 习 目 标 物理观念 　1.认识电阻是导体本身的一种性质,知道影响电阻大小的因素有材料、长度、横截面积和温度。 　2.了解导体电阻受温度的影响、超导体的一些特点以及对人类生活和社会发展可能带来的影响。 　3.能运用电阻的概念和影响因素,解释生活中与电阻相关的物理现象,如电线的选用等。
科学思维 　1.通过实验探究培养学生运用控制变量法设计实验、分析实验数据、得出实验结论的能力,提升逻辑思维能力。 　2.引导学生将实验结果进行归纳总结,构建影响导体电阻大小的因素的知识体系,培养抽象概括能力。
科学探究 　1.通过实验探究,让学生自主地提出问题、制订计划、收集证据,经过分析总结结论,交流评估,落实科学探究的全过程。 　2.通过观察和实验,掌握“控制变量”的实验方法。
科学态度 与责任 　1.在实验探究中,学习科学家研究问题的方法,培养学生严谨的学习习惯和实事求是的科学态度。 　2.引导学生认识到科学研究对社会发展的重要性,了解物理知识对人类生活和社会发展的影响,增强学生对科学的热爱和对社会的责任感。 　3.通过小组合作探究,培养学生的团队协作精神和沟通交流能力,让学生在合作中共同进步。
(续表)
重点 难点 　重点:影响导体电阻大小的因素及探究过程。 　难点:控制变量法在实验中的运用,理解电阻是导体本身的属性。
实 验 探 究 　探究石墨的电阻与温度的关系 　器材:电源、导线、开关、灯泡、铅笔芯(石墨)、酒精灯。 　步骤:1.使用如图所示的电路图,将铅笔芯连入电路,然后用酒精灯慢慢给铅笔芯加热,加热过程中铅笔芯温度升高,灯泡慢慢变亮,说明电阻变小。 　2.熄灭酒精灯,观察灯泡亮度变化。灯泡慢慢变暗,说明电阻变大。 　结论:导体电阻与温度有关(金属导体的电阻一般情况下温度越高,电阻越大)。石墨、碳等在温度越高时电阻越小。
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】 复习电阻的概念,提出根据使用需求,我们会选用不同阻值的导体或用电器,比如不同规格的灯泡电阻就不同,那么什么因素会影响导体的电阻呢 思考回答 问题引发学生思考,直入主题。
【新课教学】 探究点一:探究影响导体电阻大小的因素 展示图片,提出下列问题: (1)生活中常见的导线多是铜芯或铝芯,为什么很少用铁芯 (2)为什么有的导线芯比较粗 (3)不同规格的灯泡,为什么有的灯丝长,有的灯丝短 有的灯丝粗些,有的灯丝细些 学生提出猜想:导体的电阻与导体材料、粗细和长度有关。 学生观察、思考、猜想 通过问题引导,利用学生熟悉的事物帮助学生理解,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
　　 制订方案: 问题引导学生进行设计:用什么办法来判断被测导体的电阻是相同或不同的 你的研究需要哪些器材呢 如何设计电路(请画出电路图) 设计方案中要注意什么(控制变量法) 收集证据 利用器材进行研究,数据记录在表格中。 接入电路的导体电流表示 数/A小灯泡 的亮暗接入导体 电阻的大小长度、粗细 相同1镍铬丝2锰铜丝材料、粗细 相同1镍铬丝4镍铬丝材料、长短 相同1镍铬丝3镍铬丝
　　分析与结论 导体的电阻与材料、长度、横截面积有关,长度越长,电阻越大,横截面积越大,电阻越小。 评估与交流 学生思考互动,进行实验探究,讨论回答 学生实验记录 学生在前面学习的基础上自主设计实验,可以激发兴趣,在实验和思考中提高思维和科学素养。
(续表)
教师活动 学生活动 设计意图
影响导体电阻大小的因素只有导体的材料、长度和横截面积吗 视频演示如图所示实验。观察到当给金属丝加热时,电流表示数变小、灯泡变暗,表明金属丝电阻随温度增加而变大。 所有导体温度升高电阻都变大吗 教师演示如图所示实验。观察到当给热敏电阻加热时,电流表示数变大、灯泡变亮,表明热敏电阻阻值随温度增加而变小。 因此,导体电阻随温度变化,但有的电阻随温度升高而变大,有的电阻随温度升高而变小。 探究点二:超导体 学生查阅有关超导体的相关资料,课堂上进行交流展示。 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 学生观察、讨论、交流 学生调查,整理,展示交流 学生从知识、方法、情感各方面对本节课进行总结 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。 通过资料查阅整理培养学生检索信息、整理信息的能力。通过展示交流环节锻炼学生语言表达能力。
学点1　探究影响导体电阻大小的因素
阅读教材P79内容,观察如图12-2-4所示图片,思考并回答下列问题:
图12-2-4
问题:会选用不同种类的导体制成导线和电器元件。那么导体的电阻大小究竟与哪些因素有关呢
猜想:常见的导线都是铜芯或铝芯,很少用铁芯;同种材料的导线也有粗有细;同种材料制成的电阻丝在不同应用条件下有长短、粗细的差别,这些现象说明导体的电阻可能与导体的　材料　、　横截面积　和　长度　有关。
制订方案、设计实验:
合理选择实验桌上所提供的器材(如图12-2-5所示),设计实验,在实验中将导体电阻的大小“显示”出来;画出实验电路图。
图12-2-5
编号 材料 长度/m 横截面积/mm2
A 锰铜合金 0.5 0.8
B 镍铬合金 0.5 0.8
C 镍铬合金 0.5 0.4
D 镍铬合金 1.0 0.4
[答案]如图所示
实验方法:由于影响电阻大小的因素有多个,为此实验过程要采用　控制变量法　(填一种研究方法)。在电压一定时,用灯泡亮度或电流表示数变化反映电阻大小变化,采用了　转换法　。
分析与论证:
(1)同种材料做成的横截面积相同而长度不同的导体(　C与D　),其阻碍电流的能力不同,导体越长,阻碍电流的能力越　强　。
(2)同种材料做成的长度相同而横截面积不同的导体(　B与C　),其阻碍电流的能力不同,横截面积越大,阻碍电流的能力越　弱　。
(3)不同种材料制成的横截面积和长度都相同的导体(　A与B　),其阻碍电流的能力也不同,故导体的电阻还和　导体材料　有关。
实验结论:影响导体电阻的因素有　材料　、　长度　和　横截面积　。
评估与交流:
(1)在实验中如果缺少了电阻丝B,可以用电阻丝　D对折　代替。
(2)将长度、横截面积、材料都不同的两根电阻丝接入电路后电流表示数相同,说明两根电阻丝的电阻　相等　,　不能　(选填“能”或“不能”)据此归纳影响电阻大小的因素。
(3)实验中使用电流表比使用灯泡效果更好,原因是　电流表可以检测微小电流的变化而灯泡的亮暗不易区分　。
(4)电路中串联灯泡的原因是　当导体电阻过小时,电路中电流很大,可能烧毁器材,灯泡可以保护电路　。
学点2　导体的电阻受温度的影响
观察图12-2-6所示实验,探究导体电阻和温度的关系。
图12-2-6
问题1:闭合开关,观察电流表的示数,对电阻丝加热后,发现电流表的示数变小,灯泡的亮度变暗,说明导体的电阻和温度　有关　(选填“有关”或“无关”),温度越高,电阻　越大　。
问题2:当温度降低到某一温度时,物质的电阻变为　零　,这种现象叫作超导现象,发生超导现象的导体称为　超导体　。
问题3:如图12-2-7所示的超导磁悬浮说明超导体除了具有零电阻特性外还具有　完全抗磁性　。
图12-2-7
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