第二章、恒定电流

1 1 第二章 恒定电流第二章 恒定电流 第一节 导体中的电场和电流第一节 导体中的电场和电流 1 1 课时 课时 一 教学目标一 教学目标 一 知识与技能 一 知识与技能 1 让学生明确电源在直流电路中的作用 理解导线中的恒定电场的建立 2 知道恒定电流的概念和描述电流强弱程度的物理量 电流 3 从微观意义上看电流的强弱与自由电子平均速率的关系 二 过程与方法 二 过程与方法 通过类比和分析使学生对电源的的概念 导线中的电场和恒定电流等方面的 理解 三 情感态度与价值观 三 情感态度与价值观 通过对电源 电流的学习培养学生将物理知识应用于生活的生产实践的意识 勇于探究与日常生活有关的物理学问题 三 重点与难点 三 重点与难点 重点 重点 理解电源的形成过程及电流的产生 难点 难点 电源作用的道理 区分电子定向移动的速率和在导线中建立电场的速率这两 个不同的概念 四 教学过程 一 先对本章的知识体系及意图作简要的概述 二 新课讲述 第一节 导体中的电场和电流第一节 导体中的电场和电流 1 1 电源 电源 先分析课本图 2 1 1 说明该装置只能产生瞬间电流 从电势差入手 问题 如何使电路中有持续电流 让学生回答 电源 类比 类比 把电源的作用与抽水机进行类比 如图 2 1 水池 A B 的水面有一定的高度差 若在 A B 之间用一细管 连起来 则水在重力的作用下定向运动 从水池 A 运动到水 池 B A B 之间的高度差很快消失 在这种情况下 水管中 只可能有一个瞬时水流 教师提问 教师提问 怎拦才能使水管中有源源不断的电流呢 让学生回答 让学生回答 可在 A B 之间连接一台抽水机 将水池 B 中的水抽到水池 A 中 这样可保持 A B 之间的高度差 从而使水管中有源源不断的水 流 归纳 电源就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置 电源就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置 从能量的角度看 从能量的角度看 电源是一种 能够不断地把其他形式的能量转变为电能的装置 2 2 导线中的电场 导线中的电场 结合课本图 2 1 4 分析导线中的电场的分布情况 导线中的电场是两部分电荷分布共同作用产生的结果导线中的电场是两部分电荷分布共同作用产生的结果 其一是电源正 负极产生的 电场 可将该电场分解为两个方向 沿导线方向的分量使自由电子沿导线作定向移动 形成电流 垂直于导线方向的分量使自由电子向导线某一侧聚集 从而使导线的两侧出 2 2 现正 负净电荷分布 其二是这些电荷分布产生附加电场 该电场将削弱电源两极产生 的垂直导线方向的电场 直到使导线中该方向合场强为零 而达到动态平衡状态 此时 导线内的电场线保持与导线平行 自由电子只存在定向移动 因为电荷的分布是稳定的 故称恒定电场 通过 思考与讨论 让学生区分静电平衡和动态平衡 恒定电场 由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称恒定电场 恒定电场 由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称恒定电场 3 3 电流 电流 标量 1 1 概念 电荷的定向移动形成电流 概念 电荷的定向移动形成电流 2 2 电流的方向 规定为正电荷定向移动的方向 电流的方向 规定为正电荷定向移动的方向 3 3 定义 通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用的时间的比值 定义式 定义 通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用的时间的比值 定义式 t Q I 电流的微观表示 电流的微观表示 取一段粗细均匀的导体 两端加一定的电压 设导体中的自由电子沿导体定向移动 的速率为 v 设想在导体中取两个横截面 B 和 C 横截面积为 S 导体中每单位体积中 的自由电荷数为 n 每个自由电荷带的电量为 q 则 t 时间内通过横截面 C 的电量 Q 是 多少 电流 I 为多少 引导学生推导 老师归纳 老师归纳 Q nV nvtSqQ nV nvtSq I Q t nvqSI Q t nvqS 这就是电流的微观表示式 4 4 单位 安培 单位 安培 A A 1 1 A A 10 103 3mAmA 10106 6 A A 5 5 电流的种类 电流的种类 直流电 方向不随时间而改变的电流 直流电分为恒定电流和脉动直流电两类 直流电 方向不随时间而改变的电流 直流电分为恒定电流和脉动直流电两类 其中大小和方向都不随时间而改变的电流叫恒定电流 方向不随时间改变而大小随时间其中大小和方向都不随时间而改变的电流叫恒定电流 方向不随时间改变而大小随时间 改变的电流叫脉动直流电 改变的电流叫脉动直流电 交流电 方向和大小都随时间做周期变化的电流 交流电 方向和大小都随时间做周期变化的电流 问题 如何用图象表示直流电和交流电 分析课本例题 详见课本 这里略 分析课本例题 详见课本 这里略 通过例题分析让学生把电流与导线内自由电子的定向移动的速率联系起来 同时说 明定向移动的速率和在导线中建立电场的速率是两个不同的概念 三 小结 对本节内容做简要小结 四 巩固新课 1 复习课本内容 2 完成 P43 问题与练习 作业 1 2 练习 3 3 3 第二节 电动势 第二节 电动势 1 1 课时 课时 一 教学目标一 教学目标 一 知识与技能 一 知识与技能 1 理解电动势的的概念及定义式 知道电动势是表征电源特性的物理量 2 从能量转化的角度理解电动势的物理意义 二 过程与方法 二 过程与方法 通过类比的方法使学生加深对电源及电动势概念的理解 三 情感态度与价值观 三 情感态度与价值观 了解生活中电池 感受现代科技的不断进步 二 重点与难点 二 重点与难点 重点 重点 电动势的的概念 难点 难点 对电源内部非静电力做功的理解 三 教学过程 三 教学过程 一 复习上课时内容 要点 电源 恒定电流的概念 二 新课讲解 第二节 电动势第二节 电动势 问题 1 在金属导体中电流的形成是什么 自由电子 2 在外电路中电流的方向 从电源的正极流向负极 3 电源是靠什么能力把负极的正电荷不断的搬运到正极以维持外电路中恒定的 电流 结合课本图 2 2 1 讲述 非静电力 利用右图来类比 以帮助学生理解电路中的能量问题 当 水由 A 池流入 B 池时 由于重力做功 水的重力势能减少 转 化为其他式的能 而又由于 A B 之间存在高度差 故欲使水能 流回到 A 池 应克服重力做功 即需要提供一个外力来实现该即需要提供一个外力来实现该 过程过程 抽水机就是提供该外力的装置 使水克服重力做功 将 其他形式的能转化为水的重力势能 重力做功 克服重力做功以及重力势能与其他形式 的能之间的相互转化 学生易于理解和接受 在做此铺垫后 电源中的非静电力的存在 及其作用也就易于理解了 两者相比 重力相当于电场力 重力做功相当于电场力做功 重力势能相当于电势 能 抽水机相当于电源 从而引出 1 1 电源 电源 更深层的含义 1 1 电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置 电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置 2 非静电力在电源中所起的作用 是把正电荷由负极搬运到正极 同时在该过程中非静电力在电源中所起的作用 是把正电荷由负极搬运到正极 同时在该过程中 非静电力做功 将其他形式的能转化为电势能 非静电力做功 将其他形式的能转化为电势能 注意 在不同的电源中 是不同形式的能量转化为电能 再与抽水机类比说明 在不同的电源中非静电力做功的本领不同 引出 4 4 2 2 电动势电动势 1 1 定义 在电源内部 非静电力所做的功 定义 在电源内部 非静电力所做的功 W W 与被移送的电荷与被移送的电荷 q q 的比值叫电源的的比值叫电源的电动电动 势 势 2 2 定义式 定义式 E W qE W q 3 3 单位 伏 单位 伏 V V 4 4 物理意义 表示电源把其它形式的能 物理意义 表示电源把其它形式的能 非静电力做功非静电力做功 转化为电能的本领大小 转化为电能的本领大小 电动势越大 电路中每通过电动势越大 电路中每通过 1C1C 电量时 电源将其它形式的能转化成电能的数值就越多 电量时 电源将其它形式的能转化成电能的数值就越多 注意 电动势的大小由电源中非静电力的特性 电源本身 决定 跟电源的体 积 外电路无关 电动势在数值上等于电源没有接入电路时 电源两极间的电压 电动势在数值上等于非静电力把 1C 电量的正电荷在电源内从负极移送到正 极所做的功 3 3 电源 池 的几个重要参数 电源 池 的几个重要参数 电动势 它取决于电池的正负极材料及电解液的化学性质 与电池的大小无关 电动势 它取决于电池的正负极材料及电解液的化学性质 与电池的大小无关 内阻 内阻 r r 电源内部的电阻 电源内部的电阻 容量 电池放电时能输出的总电荷量 其单位是 容量 电池放电时能输出的总电荷量 其单位是 A hA h mA h mA h 注意 对同一种电池来说 体积越大 容量越大 内阻越小 三 小结 对本节内容做简要小结 四 巩固新课 1 复习课本内容 2 完成 P46 问题与练习 练习 1 3 3 调查常用可充电电池 建议全班分成若干个小组 对可充电电池进行调查 写出调 查报告 然后在全班交流和评比 5 5 第三节 欧姆定律 第三节 欧姆定律 2 2 课时 课时 一 教学目标一 教学目标 一 知识与技能 一 知识与技能 1 理解电阻的概念 明确导体的电阻是由导体本身的特性所决定 2 要求学生理解欧姆定律 并能用来解决有关电路的问题 3 知道导体的伏安特性曲线 知道什么是线性元件和非线性元件 二 过程与方法 二 过程与方法 教学中应适当地向学生渗透一些研究物理的科学方法和分析的正确思路如通 过探索性实验去认识物理量之问的制约关系 用图象和图表的方法来处理数据 总结规律 以及利用比值来定义物理量的方法等 三 情感态度与价值观 三 情感态度与价值观 本节知识在实际中有广泛的应用 通过本节的学习培养学生联系实际的能力 二 重点 二 重点 正确理解欧姆定律及其适应条件 三 难点 三 难点 对电阻的定义的理解 对 I U 图象的理解 四 教具四 教具 电流表 电压表 滑动变阻器 开关 电阻 导线 电池组 小灯 泡等 五 教学过程 五 教学过程 一 复习上课时内容 要点 电动势概念 电源的三个重要参数 二 新课讲解 第三节 欧姆定律第三节 欧姆定律 问题 电流强度与电压究竟有什么关系 这可利用实验来研究 1 欧姆定律 演示 如图 方法按 P46 演示方案进行 闭合 S 后 移动滑动变阻器触头 记下触头在不同位置时 电压表和电流表读数 电压表测得的是导体 R 两端电压 电流 表测得的是通过导体 R 的电流 记录在下面表格中 U V I A 把所得数据描绘在 U I 直角坐标系中 确定 U 和 I 之间的函 数关系 6 6 分析 这些点所在的图线包不包括原点 包括 因为当 U 0 时 I 0 这些点所在 图线是一条什么图线 过原点的斜直线 即同一金属导体的 U I 图象是一条过原点的直 线 把 R 换成与之不同的 R 重复前面步骤 可得另一条不同的但过原点的斜直线 结论 同一导体 不管电流 电压怎么样变化 电压跟电流的比值是一个常数 这个比 值的物理意义就是导体的电阻 引出 1 导体的电阻 定义 导体两端电压与通过导体电流的比值 叫做这段导体的电阻 公式 R U I 定义式 说明 A 对于给定导体 R 一定 不存在 R 与 U 成正比 与 I 成反比的关系 R 只跟导体本身的性质有关 B 这个式子 定义 给出了测量电阻的方法 伏安法 C 电阻反映导体对电流的阻碍作用 单位 欧姆 符号 且 1 1V A 常用单位 k M 换算关系 1k 103 1M 103K 2 欧姆定律 定律内容 导体中电流强度跟它两端电压成正比 跟它的电阻成反比 公式 I U R 适应范围 一是部分电路 二是金属导体 电解质溶液 2 导体的伏安特性曲线 1 伏安特性曲线 用纵坐标表示电流 I 横坐标表示电压 U 这样画出的 I U 图象 叫做导体的伏安特性曲线 2 线性元件和非线性元件 线性元件 伏安特性曲线是通过原点的直线的电学元件 非线性元件 伏安特性曲线是曲线 即电流与电压不成正比的电学元件 3 分组实验 测绘小灯泡的伏安特性曲线 第 2 课时 按 P48 实验要求进行 电路改为分压电路 分发方格纸 让学生把实验数据列表 并在坐标纸中建立坐标系后做出图象 要求至少测 6 个点以上 说一说 P48 三 小结 对本节内容做简要小结 7 7 四 巩固新课 1 复习课本内容 2 完成 P48 问题与练习 作业 1 3 练习 2 第四节 串联电路和并联电路 第四节 串联电路和并联电路 2 2 课时 课时 一 教学目标一 教学目标 一 知识与技能 一 知识与技能 1 进一步学习电路的串联和并联 理解串 并联电路的电压关系 电流关系和电 阻关系 并能运用其解决有关关问题 2 进而利用电路的串 并联规律分析电表改装的原理 二 过程与方法 二 过程与方法 通过复习 归纳 小结把知识系统化 三 情感态度与价值观 三 情感态度与价值观 通过学习 学会在学习中灵活变通和运用 三 重点与难点 三 重点与难点 重点 重点 教学重点是串 并联电路的规律 难点 难点 难点是电表的改装 四 教学过程 四 教学过程 一 复习上课时内容 要点 欧姆定律 电阻概念 导体的伏安特性曲线 二 新课讲解 第四节 串联电路和并联电路第四节 串联电路和并联电路 1 1 串联电路和并联电路 串联电路和并联电路 先让学生回忆初中有关这方面 串 并联电路的规律 的问题 然后让学生自学 在此基础上 让学生将串联和并联加以对比 学生容易理解和记忆 老师点拨 老师点拨 一是要从理论上认识串 并联电路的规律 二是过程分析的不同 引入 电势来分析 从而让学生体会到高中和初中的区别 也能让学生易于理解和接受 学生自己先推导有关结论 老师最后归纳小结得出结论 并适当拓展 1 串联电路 电路中各处的电流强度相等 I I1 I2 I3 电路两端的总电压等于各部分电路两端电压之和U U1 U2 U3 串联电路的总电阻 等于各个电阻之和 R R1 R2 R3 电压分配 U U1 1 R R1 1 U U2 2 R R2 2 U U1 1 R R1 1 U R U R n 个相同电池 E r 串联 En nE rn nr 2 并联电路 并联电路中各支路两端的电压相等 U U1 U2 U3 电路中的总电流强度等于各支路电流强度之和 I I1 I2 I3 并联电路总电阻的倒数 等于各个电阻的倒数之和 1 R 1 R1 1 R2 1 R3 对两个电阻并联有 R R1R2 R1 R2 电流分配 I1 I2 R1 R2 I1 I R1 R n 个相同电池 E r 并联 En E rn r n 8 8 再由学生讨论下列问题 几个相同的电阻并联 总电阻为一个电阻的几分之一 若不同的电阻并联 总电阻小于其中最小的电阻 若某一支路的电阻增大 则总电阻也随之增大 若并联的支路增多时 总电阻将减小 当一个大电阻与一个小电阻并联时 总电阻接近小电阻 另外应让学生明确另外应让学生明确 串联和并联的总电阻是串联和并联的等效电阻 电阻 R 的作用 效果与 R1 R2串联使用或并联使用时对电路的效果相同 如教材图 2 4 3 和 2 4 4 所示 分析电路时要学会等效 引导学生分析问题与练习 引导学生分析问题与练习 1 1 题题 第第 1 1 课时课时 2 2 电压表和电流表 电压表和电流表 串 并联规律的应用 常用的电压表和电流表都是由小量程的电流表 G 表头 改装而成 1 表头 G 构造 从电路的角度看 表头就是一个电阻 同样遵从欧姆定律 与其他电阻的 不同仅在于通过表头的电流是可以从刻度盘上读出来的 原理 磁场对通电导线的作用 P98 为后续知识做准备 2 描述表头的三个特征量 三个重要参数 内阻 Rg 表头的内阻 满偏电流 Ig 电表指针偏转至最大角度时的电流 另介绍半偏电流 满偏电压 Ug 电表指针偏转至最大角度时的电压 与满偏电流 Ig 的关系 Ug IgRg 因而若已知电表的内阻 Rg 则根据欧姆定律可把相应各点的电流值改写成 电压值 即电流表也是电压表 本质上并无差别 只是刻度盘的刻度不同而已 通过对 P52 的 思考与讨论 加深这方面的认识 3 表头的改装和扩程 综合运用串 并联电路的规律和欧姆定律 关于电表的改装要抓住问题的症结所在 即表头内线圈容许通过的最大电流要抓住问题的症结所在 即表头内线圈容许通过的最大电流 Ig Ig 或或 允许加的最大电压允许加的最大电压 Ug Ug 是有限制的 是有限制的 让学生讨论 推导出有关的公式让学生讨论 推导出有关的公式 要测量较大的电压 或电流 怎么办 通过分析 学生能提出利用电阻来分压 或分流 然后提出 分压 或分流 电阻的阻值如何确定 通过例 1 2 的分析 讲解使学生掌握计算分压电阻和分流电阻的方法 最后引导 学生自己归纳总结得出一般公式 三 小结 对本节内容做简要小结 四 巩固新课 1 复习课本内容 2 完成 P48 问题与练习 作业 4 5 练习 2 3 9 9 第五节 焦耳定律 第五节 焦耳定律 1 1 课时 课时 一 教学目标一 教学目标 一 知识与技能 一 知识与技能 1 理解电功 电功率的概念 公式的物理意义 了解实际功率和额定功率 2 了解电功和电热的关系 了解公式 Q I2Rt P I2R Q U2t R P U2 R 的适 应条件 3 知道非纯电阻电路中电能与其他形式能转化关系 电功大于电热 4 能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题 二 过程与方法 二 过程与方法 通过有关实例 让学生理解电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过 程 三 情感态度与价值观 三 情感态度与价值观 通过学习进一步体会能量守恒定律的普遍性 三 重点与难点 三 重点与难点 重点 重点 区别并掌握电功和电热的计算 难点 难点 主要在学生对电路中的能量转化关系缺乏感性认识 接受起来比较困难 四 教学过程 四 教学过程 一 复习上课时内容 要点 串 并联电路的规律和欧姆定律及综合运用 提出问题 引入新课 1 通过前面的学习 可知导体内自由电荷在电场力作用下发生定向移动 电场力 对定向移动的电荷做功吗 做功 而且做正功 2 电场力做功将引起能量的转化 电能转化为其他形式能 举出一些大家熟悉的 例子 电能 机械能 如电动机 电能 内能 如电热器 电能 化学能 如电解槽 本节课将重点研究电路中的能量问题 二 新课讲解 第五节 焦耳定律第五节 焦耳定律 1 1 电功和电功率 电功和电功率 1 1 电功 电功 定义 电路中电场力对定向移动的电荷所做的功 简称电功 通常也说成是电流的定义 电路中电场力对定向移动的电荷所做的功 简称电功 通常也说成是电流的 功 用功 用 W 表示 表示 实质 是能量守恒定律在电路中的体现 即实质 是能量守恒定律在电路中的体现 即电流做功的过程就是电能转化为其他形电流做功的过程就是电能转化为其他形 式能的过程 在转化过程中 能量守恒 即有多少电能减少 就有多少其他形式的能增式能的过程 在转化过程中 能量守恒 即有多少电能减少 就有多少其他形式的能增 加 加 注意 功是能量转化的量度 电流做了多少功 就有多少电能减少而转化为其他形 式的能 即电功等于电路中电能的减少 这是电路中能量转化与守恒的关键 电功等于电路中电能的减少 这是电路中能量转化与守恒的关键 10 10 在第一章里我们学过电场力对电荷的功 若电荷 q 在电场力作用下从 A 搬至 B AB 两点间电势差为 UAB 则电场力做功 W qUAB 对于一段导体而言 两端电势差为 U 把电荷 q 从一端搬至另一端 电场力的功 W qU 在导体中形成电流 且 q It 在时间间隔 t 内搬运的电量为 q 则通过导体截 面电量为 q I q t 所以 W qU IUt 这就是电路中电场力做功即电功的表达式 表达式 表达式 W W IutIut 说明 表达式的物理意义 电流在一段电路上的功 跟这段电路两端电压 电路 中电流强度和通电时间成正比 适用条件 I U不随时间变化 恒定电流 单位 焦耳 单位 焦耳 J J 1J 1V A s 2 2 电功率 电功率 定义 单位时间内电流所做的功定义 单位时间内电流所做的功 表达式 表达式 P W t UI 对任何电路都适用 上式表明 电流在一段电路上做功的功率上式表明 电流在一段电路上做功的功率 P 和等于电流 和等于电流 I 跟这段电路两端电压跟这段电路两端电压 U 的乘积 的乘积 单位 为瓦特 单位 为瓦特 W W 1W 1J s1W 1J s 额定功率和实际功率额定功率和实际功率 额定功率额定功率 用电器正常工作时所需电压叫额定电压 在这个电压下消耗的功率称 额定功率 实际功率实际功率 用电器在实际电压下的功率 实际功率P实 IU U I分别为用电器两 端实际电压和通过用电器的实际电流 这里应强调说明这里应强调说明 推导过程中没用到任何特殊电路或用电器的性质 电功和电功 率的表达式对任何电压 电流不随时间变化的电路都适用 再者 这里 W IUt 是电场力 做功 是消耗的总电能 也是电能所转化的其他形式能量的总和 电流在通过导体时 导体要发热 电能转化为内能 这就是电流的热效应 描述 它的定量规律是焦耳定律 学生一般认为 W IUt 又由欧姆定律 U IR 所以得出 W I2Rt 电流做这么多功 放出热量 Q W I2Rt 这里有一个错误 可让学生思考并找出来 错在 Q W 何以见得电流做功全部转化为内能增量 有无可能同时转化为其他形式 能 英国物理学家焦耳 经过长期实验研究后提出焦耳定律 2 2 焦耳定律 焦耳定律 电流热效应电流热效应 1 1 焦