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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 知識與技能 1．讓學生明確電源在直流電路中的作用，理解導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弱程度的物理量──電流； 3．從微觀意義上看電流的強弱與自由電子平均速率的關系。 過程與方法 1．通過類比和分析使學生對電源的的概念、導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上，會靈活運用公式計算電流的大小。 情感態(tài)度與價值觀 通過對電源、電流的學習培養(yǎng)學生將物理知識應用于生活生產(chǎn)實踐的意識，勇于探究與日常生活有關的物理學問題。 教學重點 1．理解電源的形成過程及電流的產(chǎn)生。 2．會靈活運用公式計算電流的大小。 教學難點 電源作用的道理，區(qū)分電子定向移動的速率和在導線中建立電場的速率這兩個不同的概念。 教學方法 探究、講授、討論、練習。 教具準備 多媒體課件及設備。 教學過程 ［新課導入］ 人類通過對靜電場的研究不僅獲得了許多關于電現(xiàn)象的知識，而且形成了若干重要的電學概念和研究方法，成為電學理論的重要基礎。 無論在自然界還是生產(chǎn)和生活領域，更廣泛存在著的是電荷流動所引起的效應。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？這些效應對人類的生產(chǎn)、生活方式和社會進步又起著怎樣的作用呢？ 這節(jié)課就來學習有關電源和電流的知識。（板書課題：電源和電流） ［新課教學］ 為什么雷鳴電閃時，強大的電流能使天空發(fā)出耀眼的強光，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)學生的求知欲。調(diào)動學生的學習積極性。 要回答這個問題，就要從電源的知識學起。 一、電源 如圖所示，有A、B兩個導體，分別帶正、負電荷。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兩個導體球會達到什么狀態(tài)？R中出現(xiàn)了怎樣的電流？ 學生活動：在教師的引導下，分析A、B周圍的電場、A、B之間的電勢差的變化情況。認識到，最終A、B兩個導體球會達到靜電平衡狀態(tài)。理解導線R中的電流只能是瞬時的。 如圖所示，如果在AB之間接上一個裝置P，它能把經(jīng)過R流到A的電子取走，補充給B，使AB始終保持一定數(shù)量的正、負電荷，情況會怎樣呢？ 引導學生討論、解釋可能會產(chǎn)生的現(xiàn)象。培養(yǎng)、鍛煉學生的思維能力。通過學生回答，發(fā)表見解，培養(yǎng)學生語言表達能力。 師生互動，建立起電源的概念。 類比：（把電源的作用與抽水機進行類比）如右圖，水池A、B的水面有一定的高度差，若在A、B之間用一細管連起來，則水在重力的作用下定向運動，從水池A運動到水池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瞬時水流。 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，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)過導線R流到A的電子取走，補充給B，使A、B始終保持一定數(shù)量的正、負電荷，這樣，A、B周圍的空間（包括導線之中）始終存在一定的電場，A、B之間便維持一定的電勢差。由于這個電場，導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，導線內(nèi)部的電場強度有何特點呢？ 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線及電場線放大后進行研究，如圖（右）所示。 引導學生討論導線中的電場將如何變化，最終又會達到怎樣的狀態(tài)。要把思維的過程展現(xiàn)給學生。 引導學生運用微元法和矢量疊加的方法，探究導線中電場的變化情況，分析出最終導線兩側(cè)積累的電荷將達到平衡狀態(tài)，垂直于導線方向上電場的分量將減為零，導線內(nèi)的電場線保持和導線平行。這里一定要強調(diào)，這是電源電場和導線兩側(cè)的電荷得電場共同疊加的結(jié)果。 導線內(nèi)的電場，是由電源、導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動，但有的流走了，另外的又來補充，所以電荷的分布是穩(wěn)定的，電場的分布也不會隨時間變化。 通過師生分析，建立起恒定電場的概念。引導學生理解電荷的“穩(wěn)定分布”是一個動態(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】 在靜電場中所學的電勢、電勢差及其與電場強度的關系等，在恒定電場中還是否適用呢？ 由于在恒定電場中，任何位置的電場強度都不隨時間變化，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度的關系等，在恒定電場中同樣適用。 三、恒定電流 1．電流 【思考與討論】 ①同學們在初中學過，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)部條件是導體內(nèi)部存在能夠自由移動的電荷，即自由電荷。 ③金屬導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、負離子，這些自由電荷的定向移動都能形成電流。 ④導體中產(chǎn)生電流的外部條件是什么？ 導體中產(chǎn)生電流的外部條件是導體兩端有電壓。 為什么導體兩端有電壓，導體中就會產(chǎn)生電流呢？下面我們用電場的觀點加以分析。 （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，導體中沒有外加的電場，導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)則的熱運動，自由電荷向各個方向運動的機會相等，因而對導體的任一橫截面，在一段時間內(nèi)從兩側(cè)穿過截面的自由電荷大致相等，從宏觀上看，導體中的自由電荷沒有定向移動，所以導體中沒有電流。 當金屬導體兩端有電壓時，導體中就有電場存在。導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。 當電解質(zhì)溶液兩端有電壓時，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)：導體中產(chǎn)生電流的外部條件是導體兩端有電壓（或者是導體中有電場）。 ①內(nèi)因：要有能夠自由移動的電荷──自由電荷。 ②外因：導體兩端存在電壓──在導體內(nèi)建立電場。 干電池、蓄電池、發(fā)電機等都是電源，它們的作用是提供并保持導體的兩端的電壓，使導體中有持續(xù)的電流。 （3）電流的方向 導體中的電流可以是正電荷的定向移動，也可以是負電荷的定向移動，還可以是正、負電荷沿相反方向的運動。 正電荷的定向移動方向為電流方向。 在金屬導體中，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，而且有強弱，電流的強弱用電流這個物理量來表示。 ①定義 電流越大，單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷量就越多。 通過導體橫截面的電荷量q跟通過這些電荷量所用的時間t的比值稱為電流。 ②公式 用I表示電流，則有 I＝(量度式) 在時間t內(nèi)通過導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線，通以等量的恒定電流，若兩導線相距1m，導線間相互作用力在每米長度上為210－7 N，則每條導線中的電流為1A。 如果在1s內(nèi)通過導體橫截面的電荷量是1C，導體中的電流就是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），它們之間的關系是： 1 mA＝10－3A 1μA＝10－6A ④測量儀器 在實際中，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，導體中自由電荷定向運動的速度增加；而運動過程中會與導體內(nèi)不動的粒子碰撞從而減速，因此自由電荷定向運動的平均速率不隨時間變化。如果我們在這個電路中串聯(lián)一個電流表，電流表的讀數(shù)將保持恒定。 （1）直流 方向不隨時間而改變的電流叫做直流。 （2）恒定電流 大小、方向都不隨時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．電流的微觀表達式 一條粗細均勻，橫截面積為S的導體中，每個自由電荷的電荷量為q，定向移動速率的平均速率為v，導體材料中單位體積內(nèi)所含的自由電荷數(shù)為n。則t時間內(nèi)能通過導體截面S的自由電荷分布在以S為底，vt為長的這部分導體中，這部分導體的體積為 V＝Svt 這部分導體中的自由電荷數(shù)為 N＝nV 因此，t時間內(nèi)能通過截面S的電荷量為 Q＝qN 根據(jù)電流的定義，導體中的電流為 I＝＝qnvS 故電流的微觀表達式為 I＝qnvS 引導學生分析例題，構建物理模型，培養(yǎng)學生分析問題解決問題的能力。 ［小結(jié)］ 通過本節(jié)課的學習，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。在初中學習的基礎上，進一步學習了電流的概念、形成條件、方向規(guī)定、定義公式和微觀表達式等，明確了直流和恒定電流的概念等，為進一步學習電路知識做準備。 ［布置作業(yè)］ 教材第43頁“問題與練習”。