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2019-2020年高中物理 《閉合電路歐姆定律》教案2 魯科版選修3-1 【教學目的】 1、知道電源的電動勢和內(nèi)電阻。明確電動勢的物理意義，知道電動勢和電壓的區(qū)別 2、知道電源內(nèi)阻的意義，知道電動勢和內(nèi)阻是標志電源性能的兩個重要參數(shù)。 3、知道內(nèi)電路和外電路的概念。 4、理解閉合電路歐姆定律的內(nèi)容和表達式，并能進行有關閉合電路的簡單計算。 5、能夠區(qū)分路端電壓和內(nèi)電壓，結(jié)合實際問題理解路端電壓和外電路電阻的關系。 【教學重點】 掌握閉合電路歐姆定律及用定律討論外電壓隨外電阻變化的規(guī)律及原因 【教學難點】 電動勢的概念比較抽象。而應用閉合電路歐姆定律討論電路中的路端電壓、電流隨外電阻變化的關系也是比較難以掌握的 【教學媒體】 演示實驗——干電池（1號、5號、7號若干個），一節(jié)舊的9V電池（內(nèi)阻較大）小燈泡、導線若干，演示的電壓表一個，4節(jié)1號干電池，10Ω定值電阻一個，演示電流表（1.5A量程）一個，滑動變阻器（0～50Ω）一個。 【教學安排】 【新課導入】 復習回顧：為了使電路中有持續(xù)的電流，要具備什么條件？（要使電路兩端有持續(xù)的電壓，可以將電路接到電池兩端來得到） 板書： 1、電源：保持兩極間有一定電壓，把其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。 教師展示各種電池：這些各種各樣的電源兩極間的電壓都一樣嗎？電源有什么特性？我們該用什么物理量來描述電源的特性？ 【新課內(nèi)容】 1. 電動勢： 我們用內(nèi)阻很大的電壓表來測量電源兩極的電壓。可以發(fā)現(xiàn)盡管干電池的型號不同，但兩極電壓都是1.5V，而蓄電池的電壓則是2V。說明，這種情況下得到的電源兩端電壓是電源本身的性質(zhì)決定的。我們引入一個新的物理量來表征這種電源的特性——稱為電動勢。為什么不把它叫電壓而另叫一個名字呢？這是因為電動勢與電壓表示的意義不同。在電路中，電壓U=W/q。w表示正電荷在電場力作用下從一點移到另一點所消耗的電能，電壓表示移動單位正電荷消耗的電能。反映把電能轉(zhuǎn)化為其它形式能的本領。而電源則是用來將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為電能的。因此我們用的電動勢：ε=W//q。w/表示正電荷從負極移到正極所消耗的化學能（或其它形式能），ε表示轉(zhuǎn)移單位正電荷所消耗化學能（或其它形式能，反映電源把其它形式能轉(zhuǎn)化為電能的本領）。 板書： 2、電動勢： （1）電源的屬性，描述電源把其它形式能轉(zhuǎn)化為電能本領的物理量。電動勢由電源自身決定 （2）不同類型的電源電動勢不同，同種類型不同型號電源電動勢相同。 （3）定義為轉(zhuǎn)移單位電荷所產(chǎn)生的電能。 （4）用符號ε表示。 （5）ε=W//q單位：伏特，ν。 （6）標量。 （7）在數(shù)值上就等于電源沒有接入外電路時兩極間電壓。 那么對同一種類不同型號的電池來說，究竟是什么不同呢？這不同在于它們的儲能量，有很多充電電池上都標有1200mAh（或800mAh）。這表示它只能在1.5V的電動勢上轉(zhuǎn)移1200mAh的電量，即釋放出1200mAh1.5V=6480J=0.0018度。同種電池越大的型號，里面存儲的化學能就越多?？梢栽谙嗤瑮l件下工作更長的時間。 2. 路端電壓與電動勢： 提問——那么電池兩端的電壓就一定等于電源的電動勢嗎？ 下面我們來看這一節(jié)干電池，我們將它接成一個串聯(lián)電路，如右圖所示。 用伏特表來測量它電源兩端的電壓，看還是剛才的示數(shù)嗎？ 實驗結(jié)果表明電源兩端的電壓是會隨著外電阻的改變而改變的。而且外電阻越大，這電壓也越大。所以這個電壓并不等于電源的電動勢，而是略小于電動勢。我們把這個電壓叫做外電壓，又叫做路端電壓。再摸摸電池，有什么發(fā)現(xiàn)？ 電池在發(fā)熱！電流經(jīng)過電阻時會發(fā)熱。這是電流的熱效應。大家對此又做何解釋呢？ （討論）這體現(xiàn)了電源內(nèi)部還有電阻，我們稱為內(nèi)電阻，內(nèi)電阻和外電阻都會消耗電路中的電能。所以電源產(chǎn)生的電能分配到了電源內(nèi)部電阻發(fā)熱和外部用電器工作上。即內(nèi)電阻上也要有電壓，稱為內(nèi)電壓。電流在內(nèi)電路的消耗功率為IU內(nèi)；在外電路的消耗稱為IU外；他們都來自于電源將其他能轉(zhuǎn)化成的電能IE。；所以有。也就是電動勢被內(nèi)外電路所瓜分了，因此我們用電壓表測得的外電壓比電動勢要小一些。 那為什么一上課時我們用伏特表直接測的電壓可以認為就是電源的電動勢呢？ V （版畫電路如右圖） 這是因為干電池的內(nèi)阻通常不是很大，尤其是新電池，其內(nèi)阻只有零點幾歐姆，在電源直接接大電阻的伏特表時，通過電源內(nèi)部的電流極小，所以內(nèi)電壓接近于零，外電壓就約等于電動勢了。可見，對內(nèi)電阻是可以使用歐姆定律的，它與外電阻也在分壓。 但用舊了的干電池電動勢雖然不會改變，內(nèi)電阻卻會越來越大。同樣的連接下，內(nèi)電壓越大，外電壓就相應減小了。因此我們經(jīng)常可以使用電壓表測外電壓的方法來檢測電池的新舊程度。如果一節(jié)干電池的接伏特表時顯示1.0V的電壓，就說明它已經(jīng)舊的不能用了。 不過在一般電路的使用中，可以認為電路中的電源有固定的電動勢和內(nèi)電阻。 3. 閉合電路歐姆定律： 在前面我們已經(jīng)看到電源的電動勢總是等于內(nèi)外電壓之和：E=U外＋U內(nèi)。如果外電路也是純電阻電路。也符合歐姆定律。設這個電路的電流為I，我們就可以推出： 由于U外=IR，U內(nèi)=Ir，那么 E=IR＋Ir，電流I=E/（R＋r），這就是閉合電路的歐姆定律。 板書：3、閉合電路的歐姆定律的內(nèi)容：閉合電路中的電流和電源電動勢成正比，和電路的內(nèi)外電阻之和成反比。表達式為 I=E/（R＋r）。（閉合電路歐姆定律只適用于外電路也是純電阻的情況。） 從這個表達式可以看出，在電源恒定時，電路中的電流隨電路的外電阻變化而變化；當外電路中的電阻是定值電阻時，電路中的電流和電源有關。 教師：一般電源的電動勢和內(nèi)電阻在短時間內(nèi)可以認為是不變的。那么外電阻R的變化，就會引起電路中電流的變化，繼而引起路端電壓U、輸出功率P、電源效率η等的變化。我們就可以通過對這些變化量比如路端電壓U、干路電流I的測量來測量出恒定不變的電動勢和內(nèi)電阻。 例題：書P71/例 鞏固練習手冊P76/1、2，書P72/2 4. 幾個重要推論 （1）路端電壓U隨外電阻R變化的規(guī)律 板書：2.幾個重要推論 （1）路端電壓U隨外電阻R變化的規(guī)律演示實驗：如圖所示電路中，移動滑動變阻器的滑動片，觀察電流表和電壓表的示數(shù)是如何隨R變化？ 教師：從實驗出發(fā)，隨著電阻R的增大，電流I逐漸減小，路端電壓U逐漸增大。大家能用閉合電路的歐姆定律來解釋這個實驗現(xiàn)象嗎？ 學生：因為R變大，閉合電路的總電阻增大，根據(jù)閉合電路的歐姆定律，I=E/（R＋r），電路中的總電流減小，又因為U=E—Ir，則路端電壓增大。 教師：正確。我們得出結(jié)論，路端電壓隨外電阻增大而增大，隨外電阻減小而減小。一般認為電動勢和內(nèi)電阻在短時間內(nèi)是不變的，初中我們認為電路兩端電壓是不變的，應該是有條件的，當 R→無窮大時， r/R→0，外電路可視為開路， I→0，根據(jù) U=E—Ir，則 U=E，即當外電路斷開時，用電壓表直接測量電源兩極電壓，數(shù)值等于電源的電動勢；當R減小為0時，電路可視為短路，I=E/r為短路電流，路端電壓U=0。 板書：4、路端電壓隨外電阻增大而增大，隨外電阻減小而減小。開路時，R＞＞r，r/R=0，U=E；短路時，R=0，U=0。 例：手冊P74/例1 （2）電源的輸出功率P隨外電阻R變化的規(guī)律。 教師：在純電阻電路中，當用一個固定的電源（即E、r是定值）向變化的外電阻供電時，輸出的功率P=IU=I2R，又因為I=E/（R＋r），所以P=[E/（R＋r）]2R=E2R/（R2+2Rr+r2）=E2R/[（R—r）2＋4Rr]=E2/[（R—r）2/R＋4r]，當R=r時，電源有最大的輸出功率Pm=E2/4r。我們可以畫出輸出功率隨外電阻變化的圖線，如圖4所示。 板書：5、在純電阻電路中，當用一個固定的電源（即E、r是定值）向變化的外電阻供電時，輸出的功率有最大值。 下面我們看一道例題。 例：如圖5所示電路，電源電動勢為E，內(nèi)電阻為r，R0是定值電阻?，F(xiàn)調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑動片，（1）使定值電阻R0上消耗的功率最大，則滑動變阻器的阻值R是多少？（2）使滑動變阻器上消耗的功率最大，則滑動變阻器的阻值R是多少？ 本題需要注意的是第（1）問中，求定值電阻的輸出功率的最大值時，應用公式P=I2R0，當I最大時，P最大，根據(jù)閉合電路的歐姆定律，只有滑動變阻器的阻值最小時，I有最大值。即R=0時，R0上消耗的功率最大。第（2）問中，可以把R0等效為電源的內(nèi)電阻，利用剛才的推論，如果R＞R0+r，當R=R0+r時滑動變阻器上消耗的功率最大；如果R＜R0+r，滑動變阻器的阻值取最大時，滑動變阻器上消耗的功率最大。 教師：當輸出功率最大時，電源的效率是否也最大呢？ 教師：有電路中電源的總功率為IE，輸出的功率為IU，內(nèi)電路損耗的功率為I2R，則電源的效率為η=IU/IE=U/E=R/（R＋r），當 R變大， η也變大。而當 R=r時，即輸出功率最大時，電源的效率是50%。 板書：6、電源的效率η隨外電阻R的增大而增大。 5. 課堂小結(jié) （1）在使用閉合電路的歐姆定律時，要注意它的適用條件是外電路是純電阻電路。（2）對閉合電路中，路端電壓、輸出功率等隨外電阻變化的規(guī)律，要學會用公式法和圖線法去分析和討論。 6. 鞏固提高： 如圖6所示的電路中，電源的電動勢E和內(nèi)阻r恒定，當負載R變化時，電路中的電流發(fā)生變化，于是電路中的三個功率：電源的總功率P總、電源內(nèi)部消耗功率P內(nèi)和電源的輸出功率P外隨電流變化的圖線可分別用圖乙中三條圖線表示，其中圖線Ⅰ的函數(shù)表達式是______；圖線Ⅱ的函數(shù)表達式是______；圖線Ⅲ的函數(shù)表達式是______。 【課后作業(yè)】 第一課時：教材全練P47-48 第一課時：教材全練P49-50 【課后反思】