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2019-2020年人教版高中物理選修3-1 第二章 第1節(jié) 電源和電流 教案1 三維目標(biāo) 知識與技能 1．讓學(xué)生明確電源在直流電路中的作用，理解導(dǎo)線中的恒定電場的建立； 2．知道恒定電流的概念和描述電流強(qiáng)弱程度的物理量──電流； 3．從微觀意義上看電流的強(qiáng)弱與自由電子平均速率的關(guān)系。 過程與方法 1．通過類比和分析使學(xué)生對電源的的概念、導(dǎo)線中的電場和恒定電流等方面的理解。 2．在理解恒定電流的基礎(chǔ)上，會靈活運(yùn)用公式計(jì)算電流的大小。 情感態(tài)度與價(jià)值觀 通過對電源、電流的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生將物理知識應(yīng)用于生活生產(chǎn)實(shí)踐的意識，勇于探究與日常生活有關(guān)的物理學(xué)問題。 教學(xué)重點(diǎn) 1．理解電源的形成過程及電流的產(chǎn)生。 2．會靈活運(yùn)用公式計(jì)算電流的大小。 教學(xué)難點(diǎn) 電源作用的道理，區(qū)分電子定向移動的速率和在導(dǎo)線中建立電場的速率這兩個(gè)不同的概念。 教學(xué)方法 探究、講授、討論、練習(xí)。 教具準(zhǔn)備 多媒體課件及設(shè)備。 教學(xué)過程 ［新課導(dǎo)入］ 人類通過對靜電場的研究不僅獲得了許多關(guān)于電現(xiàn)象的知識，而且形成了若干重要的電學(xué)概念和研究方法，成為電學(xué)理論的重要基礎(chǔ)。 無論在自然界還是生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，更廣泛存在著的是電荷流動所引起的效應(yīng)。那么，電荷為什么會流動？電荷流動服從什么規(guī)律，產(chǎn)生哪些效應(yīng)？這些效應(yīng)對人類的生產(chǎn)、生活方式和社會進(jìn)步又起著怎樣的作用呢？ 這節(jié)課就來學(xué)習(xí)有關(guān)電源和電流的知識。（板書課題：電源和電流） ［新課教學(xué)］ 為什么雷鳴電閃時(shí)，強(qiáng)大的電流能使天空發(fā)出耀眼的強(qiáng)光，但它只能存在于一瞬間，而手電筒中的小燈泡卻能持續(xù)發(fā)光？ 通過現(xiàn)象對比，激發(fā)學(xué)生的求知欲。調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。 要回答這個(gè)問題，就要從電源的知識學(xué)起。 一、電源 如圖所示，有A、B兩個(gè)導(dǎo)體，分別帶正、負(fù)電荷。從上一章的內(nèi)容可以知道，它們的周圍存在著電場。如果在它們之間連接一條導(dǎo)線R，分析A、B周圍的電場、A、B之間的電勢差會發(fā)生什么變化？最后，A、B兩個(gè)導(dǎo)體球會達(dá)到什么狀態(tài)？R中出現(xiàn)了怎樣的電流？ 學(xué)生活動：在教師的引導(dǎo)下，分析A、B周圍的電場、A、B之間的電勢差的變化情況。認(rèn)識到，最終A、B兩個(gè)導(dǎo)體球會達(dá)到靜電平衡狀態(tài)。理解導(dǎo)線R中的電流只能是瞬時(shí)的。 如圖所示，如果在AB之間接上一個(gè)裝置P，它能把經(jīng)過R流到A的電子取走，補(bǔ)充給B，使AB始終保持一定數(shù)量的正、負(fù)電荷，情況會怎樣呢？ 引導(dǎo)學(xué)生討論、解釋可能會產(chǎn)生的現(xiàn)象。培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生的思維能力。通過學(xué)生回答，發(fā)表見解，培養(yǎng)學(xué)生語言表達(dá)能力。 師生互動，建立起電源的概念。 類比：（把電源的作用與抽水機(jī)進(jìn)行類比）如右圖，水池A、B的水面有一定的高度差，若在A、B之間用一細(xì)管連起來，則水在重力的作用下定向運(yùn)動，從水池A運(yùn)動到水池B。A、B之間的高度差很快消失，在這種情況下，水管中只可能有一個(gè)瞬時(shí)水流。 怎攔才能使水管中有源源不斷的電流呢？ 可在A、B之間連接一臺抽水機(jī)，將水池B中的水抽到水池A中，這樣可保持A、B之間的高度差，從而使水管中有源源不斷的水流。 由于裝置P能源源不斷地把經(jīng)過導(dǎo)線R流到A的電子取走，補(bǔ)充給B，使A、B始終保持一定數(shù)量的正、負(fù)電荷，這樣，A、B周圍的空間（包括導(dǎo)線之中）始終存在一定的電場，A、B之間便維持一定的電勢差。由于這個(gè)電場，導(dǎo)線中的自由電子就能不斷地在靜電力作用下由B經(jīng)過R向A定向移動，使電路中保持持續(xù)的電流。 電源是能把電子經(jīng)內(nèi)部從正極搬遷到負(fù)極的裝置。 從形成電流的角度看，電源是提供并保持一定電勢差裝置。 【思考與討論】 電源P在把電子從A搬運(yùn)到B的過程中，電子的電勢能如何變化？電源發(fā)揮了怎樣的作用？ 二、恒定電場 在有電源的電路中，導(dǎo)線內(nèi)部的電場強(qiáng)度有何特點(diǎn)呢？ 如圖（左）所示，介紹圖中各部分的意義，取出圖中方框中的一小段導(dǎo)線及電場線放大后進(jìn)行研究，如圖（右）所示。 引導(dǎo)學(xué)生討論導(dǎo)線中的電場將如何變化，最終又會達(dá)到怎樣的狀態(tài)。要把思維的過程展現(xiàn)給學(xué)生。 引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用微元法和矢量疊加的方法，探究導(dǎo)線中電場的變化情況，分析出最終導(dǎo)線兩側(cè)積累的電荷將達(dá)到平衡狀態(tài)，垂直于導(dǎo)線方向上電場的分量將減為零，導(dǎo)線內(nèi)的電場線保持和導(dǎo)線平行。這里一定要強(qiáng)調(diào)，這是電源電場和導(dǎo)線兩側(cè)的電荷得電場共同疊加的結(jié)果。 導(dǎo)線內(nèi)的電場，是由電源、導(dǎo)線等電路元件所積累的電荷共同形成的。盡管這些電荷也在運(yùn)動，但有的流走了，另外的又來補(bǔ)充，所以電荷的分布是穩(wěn)定的，電場的分布也不會隨時(shí)間變化。 通過師生分析，建立起恒定電場的概念。引導(dǎo)學(xué)生理解電荷的“穩(wěn)定分布”是一個(gè)動態(tài)平衡的過程，不是靜止不變的。 1．恒定電場 由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場，稱為恒定電場。 2．恒定電場的性質(zhì)與靜電場相同 【思考與討論】 在靜電場中所學(xué)的電勢、電勢差及其與電場強(qiáng)度的關(guān)系等，在恒定電場中還是否適用呢？ 由于在恒定電場中，任何位置的電場強(qiáng)度都不隨時(shí)間變化，所以它的基本性質(zhì)與靜電場相同。在靜電場中所講的電勢、電勢差及其與電場強(qiáng)度的關(guān)系等，在恒定電場中同樣適用。 三、恒定電流 1．電流 【思考與討論】 ①同學(xué)們在初中學(xué)過，電流是如何形成的？ 自由電荷的定向移動形成電流。 ②形成電流的內(nèi)部條件是什么？ 形成電流的內(nèi)部條件是導(dǎo)體內(nèi)部存在能夠自由移動的電荷，即自由電荷。 ③金屬導(dǎo)體中的自由電荷是什么？電解質(zhì)溶液中的自由電荷是什么？這些自由電荷的定向移動是否都能形成電流？ 金屬導(dǎo)體中的自由電荷是自由電子，電解質(zhì)溶液中的自由電荷是正、負(fù)離子，這些自由電荷的定向移動都能形成電流。 ④導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的外部條件是什么？ 導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的外部條件是導(dǎo)體兩端有電壓。 為什么導(dǎo)體兩端有電壓，導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流呢？下面我們用電場的觀點(diǎn)加以分析。 （1）概念 電荷的定向移動形成電流。 （2）產(chǎn)生電流的條件 分析：在通常情況下，導(dǎo)體中沒有外加的電場，導(dǎo)體中大量的自由電荷就像氣體中的分子一樣，不停地做無規(guī)則的熱運(yùn)動，自由電荷向各個(gè)方向運(yùn)動的機(jī)會相等，因而對導(dǎo)體的任一橫截面，在一段時(shí)間內(nèi)從兩側(cè)穿過截面的自由電荷大致相等，從宏觀上看，導(dǎo)體中的自由電荷沒有定向移動，所以導(dǎo)體中沒有電流。 當(dāng)金屬導(dǎo)體兩端有電壓時(shí)，導(dǎo)體中就有電場存在。導(dǎo)體中的自由電子在電場力的作用下，逆著電場線的方向發(fā)生定向移動，形成電流。 當(dāng)電解質(zhì)溶液兩端有電壓時(shí)，溶液中就有電場存在，溶液中的正離子在電場力的作用下，由高電勢處向低電勢處定向移動；溶液中的負(fù)離子在電場力的作用下，由低電勢處向高電勢處定向移動，形成電流。 總結(jié)：導(dǎo)體中產(chǎn)生電流的外部條件是導(dǎo)體兩端有電壓（或者是導(dǎo)體中有電場）。 ①內(nèi)因：要有能夠自由移動的電荷──自由電荷。 ②外因：導(dǎo)體兩端存在電壓──在導(dǎo)體內(nèi)建立電場。 干電池、蓄電池、發(fā)電機(jī)等都是電源，它們的作用是提供并保持導(dǎo)體的兩端的電壓，使導(dǎo)體中有持續(xù)的電流。 （3）電流的方向 導(dǎo)體中的電流可以是正電荷的定向移動，也可以是負(fù)電荷的定向移動，還可以是正、負(fù)電荷沿相反方向的運(yùn)動。 正電荷的定向移動方向?yàn)殡娏鞣较颉? 在金屬導(dǎo)體中，電流的方向與自由電子定向移動的方向相反。在電解質(zhì)溶液中，電流的方向與正離子定向移動的方向相同，與負(fù)離子定向移動的方向相反。 （4）電流 電流不僅有方向，而且有強(qiáng)弱，電流的強(qiáng)弱用電流這個(gè)物理量來表示。 ①定義 電流越大，單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量就越多。 通過導(dǎo)體橫截面的電荷量q跟通過這些電荷量所用的時(shí)間t的比值稱為電流。 ②公式 用I表示電流，則有 I＝(量度式) 在時(shí)間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量為 q＝It ③單位 在國際單位制中，電流的單位是安培，簡稱安，符號是A。 在國際單位制中，電流的單位安培是基本單位，它是這樣定義的：放在真空中的兩條無限長平行直導(dǎo)線，通以等量的恒定電流，若兩導(dǎo)線相距1m，導(dǎo)線間相互作用力在每米長度上為210－7 N，則每條導(dǎo)線中的電流為1A。 如果在1s內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量是1C，導(dǎo)體中的電流就是1A。即 1A＝1C/s 在國際單位制中，電荷量的單位是導(dǎo)出單位。它是根據(jù)公式q＝It確定的：1C＝1As 電流的常用單位還有毫安（mA）和微安（μA），它們之間的關(guān)系是： 1 mA＝10－3A 1μA＝10－6A ④測量儀器 在實(shí)際中，測量電流的儀器是電流表。 2．直流與恒定電流 由于恒定電場的作用，導(dǎo)體中自由電荷定向運(yùn)動的速度增加；而運(yùn)動過程中會與導(dǎo)體內(nèi)不動的粒子碰撞從而減速，因此自由電荷定向運(yùn)動的平均速率不隨時(shí)間變化。如果我們在這個(gè)電路中串聯(lián)一個(gè)電流表，電流表的讀數(shù)將保持恒定。 （1）直流 方向不隨時(shí)間而改變的電流叫做直流。 （2）恒定電流 大小、方向都不隨時(shí)間變化的電流稱為恒定電流。 通常所說的直流常常是指恒定電流。這一章我們研究恒定電流。 3．電流的微觀表達(dá)式 一條粗細(xì)均勻，橫截面積為S的導(dǎo)體中，每個(gè)自由電荷的電荷量為q，定向移動速率的平均速率為v，導(dǎo)體材料中單位體積內(nèi)所含的自由電荷數(shù)為n。則t時(shí)間內(nèi)能通過導(dǎo)體截面S的自由電荷分布在以S為底，vt為長的這部分導(dǎo)體中，這部分導(dǎo)體的體積為 V＝Svt 這部分導(dǎo)體中的自由電荷數(shù)為 N＝nV 因此，t時(shí)間內(nèi)能通過截面S的電荷量為 Q＝qN 根據(jù)電流的定義，導(dǎo)體中的電流為 I＝＝qnvS 故電流的微觀表達(dá)式為 I＝qnvS 引導(dǎo)學(xué)生分析例題，構(gòu)建物理模型，培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力。 ［小結(jié)］ 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，了解了電源及其在電路中的作用。了解了恒定電場及其特點(diǎn)。在初中學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步學(xué)習(xí)了電流的概念、形成條件、方向規(guī)定、定義公式和微觀表達(dá)式等，明確了直流和恒定電流的概念等，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)電路知識做準(zhǔn)備。 ［布置作業(yè)］ 教材第43頁“問題與練習(xí)”。