《第一节 导体的伏安特性曲线》教学设计

《第一节导体的伏安特性曲线》教学设计一、教学目标（一）物理观念1.理解电流的定义，进一步体会用比值定义物理量的方法；2.知道欧姆定律和导体的伏安特性曲线，知道线性元件和非线性元件。（二）科学思维1.学会用电流的定义式来推导电流的微观表达式，提高模型建构和科学推理能力；2.理解欧姆定律和导体电阻的物理意义。（三）科学探究1.经历探究导体电压与电流的关系，体会I-U图像来处理、分析实验数据，总结实验规律的方法；2.通过测绘小灯泡伏安特性曲线的实验，掌握利用分压电路改变电压的基本技能，并学会一般元件伏安特性曲线的测绘方法。（四）科学态度与责任1.了解电流发展的探索历程，体会科学家的研究思想；2.通过测绘小灯泡伏安特性曲线的实验，培养学生严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度。二、教材分析本节是高中电路学习的第一节，由于学生在初中阶段已经对电路有了一定的认识，故此，这节起到承前启后的作用。教材以初中阶段已学过的“欧姆定律”为引子，说明“欧姆定律反映的是导体的电流与导体两端的电压、导体的电阻之间的关系，由此进入新课。本节课分三个主题，即电流、欧姆定律、导体的伏安特性曲线，从电场的角度引入电流的概念，并得出电流的定义式，并用其推导电流的微观表达式，这是对初中物理的电流的深入了解与延伸，让学生从中体会经历建构模型过程和科学推理过程，提高知识与能力水平；从物理学史的角度指出欧姆定律的电学规律——欧姆定律，并由此定律让学生体会用比值定义物理量的方法，把欧姆定律表达式表式就得到了电阻的定义式，并指出伏安法测电阻的方法；从探究实验的角度探究导体电压与电流的关系，体会用图像来处理、分析数据并总结实验规律，深化学生对欧姆定律的认识。三、学情分析学生已经在初中阶段学习了电流的概念及其定义式、欧姆定律、用限流法测电阻的方法等，这些为推导电流的微观表达式、构建电阻的概念、描绘导体的伏安特性曲线做好了铺垫。但是，仪器选择、电流表内外接法、滑动变压器的分压式接法等对学生来讲是难点，本节课尽可能降低难度，先让学生了解分压式电路与限流式电路的区别，引导学生进一步理解实验电路的具体作用，为后面的学习与实验探究做好理论准备。教学重点与难点教学重点1.电流的定义；2.欧姆定律；3.导体的伏安特性曲线。教学难点1.电流的微观表达式及其应用；2.滑动变阻器的分压式接法。教学过程（一）情境导入十九世纪，发生了一场革命。历史上称它为“第二次工业革命”，这场革命以电力的广泛应用为标志，极大地改变了人们的生活方式和生产方式，打开了人类进入现代文明时代的大门。这场革命的爆发是因为一个人和一项发明。意大利科学家伏特发明了电池，人类第一次得到持续稳定的电流——恒定电流，从此，开创了人类认识和实际利用电能的新纪元，电力技术也迅速发展起来。那么，电流是怎么形成的？恒定电流有什么特点？接下来，我们一起来学习第一节——导体的伏安特性曲线。（二）新课学习1.电流（1）电流形成的条件教师：我们知道电流是由自由电荷定向移动形成的。电流的形成需要满足哪些条件呢？教师引导学生思考，学生回答。首先，需要有定向移动的自由电荷；再次，导体两端存在电压。教师：如何让电路中有持续的电流？哪些器材可以提供持续的电流？学生：需要有持续的电压，电源（蓄电池、干电池、发电机等）可提供持续的电压。教师：是的，电流的形成需要有定向移动的自由电荷和导体两端存在电压，电源（蓄电池、干电池、发电机等）可提供持续的电压。电流的方向是怎样呢？（2）电流的方向教师：自由电荷定向移动就形成电流，正电荷与负电荷运动的方向不同，那电流的方向怎么判断呢？19世纪初，人们认为电流是正电荷定向移动形成的，习惯延用至今。习惯上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向，与自由电子定向移动的方向相反。学生：观察与思考。教师：在电路中，电源外部，正电荷从电势高向电势低移动，自由电子则从电势低向电势高移动；即外电路中电流从电源正极流向负极，电源内部则从负极流向正极。物理上，我们把方向不随时间变化的电流称为直流电，方向和大小都不随时间变化的电流称为恒定电流。通常所说的直流电就是指恒定电流。（3）电流的大小教师：自由电荷的定向移动就产生电流，可能自由电荷有正负，它们的运动方向不相同，怎么计算电流的大小呢？学生：思考。教师：物理学中把某段导体横截面的电量Q与所用时间t之比成为通过这段导体的电流，用I表示电流，其定义式为。例如：假设在t=2s的时间内有2个电子通过导线的截面，则导线中的电流为。国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号是A，1A=1C/s。常用的单位还有毫安（mA）和微安（），1A＝103mA；1A=106μA。学生：倾听并做笔记。教师：下面我们一起来进行讨论与交流。如图所示，一段均匀导体长度为，横截面积为。设导体中单位体积内所含自由电荷数为，每个自由电荷的电量为，自由电荷定向移动平均速率为。试推导出导体中电流的表达式。学生：思考与练习。教师：如图所示，在时间t内，自由电子移动的距离为vt，通过横截面S的电子个数是以S为底，vt为高的圆柱体体积（V=Svt）内的电子总数N，总电荷量为Nq。因此可根据电流定义式I=Q/t求得电流I=nqSv。2.欧姆定律教师：同学们，我们初中学过欧姆定律，还记得欧姆定律的内容吗？学生：回忆并回答。教师：不错。德国物理学家欧姆通过实验研究发现：导体的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比，这就是欧姆定律，其数学表达式为。表达式表明，在导体的电阻不变的情况下，电压越大，通过的电流越大；电压越小，通过的电流越小。同样，在相同电压作用下，导体的电阻越小，通过导体的电流越大；导体的电阻越大，通过导体的电流越小。我们要注意，欧姆定律适用于金属导电和电解液导电，公式中的I、U、R必须对应同一时刻（或同一状态）时的同一导体（或同一段电路），即欧姆定律的“同体性”和“同时性”。同学们，如果我们知道了导体的电流与导体两端的电压，能否求出导体的电阻？学生：思考并回答。教师：如果把表达式稍作变形，可以得到计算电阻的表达式。物理学中，电阻用导体两端的电压跟通过的电流之比来定义。、和三个表达式有何区别？学生：思考并回答。教师：讲解三式的区别，见下表。表达式含义意义适用条件I=U欧姆定律的数学表达式常用于计算一段电路加上一定电压时产生的电流金属或电解液导电(纯电阻电路)R=U电阻的定义式比值表示导体对电流的阻碍作用电阻由导体本身决定U=IR电势降落的计算式用来表示电流经过一电阻时的电势降落金属或电解液导电(纯电阻电路)在实验室中，我们通过用电压表测量导体两端的电压、用电流表测量通过导体的电流的方法来计算导体的电阻，这样的方法叫作伏安法。请同学们思考以下例题。例题：对于欧姆定律的理解，判断下列说法是否正确，并说明理由。（1）由，通过电阻的电流跟它两端的电压成正比，跟它的电阻成反比。（2）由，对一定的导体，通过它的电流越大，它两端的电压也越大。（3）由，导体的电阻跟它两端的电压成正比，跟通过它的电流成反比。（4）对一定的导体，它两端的电压与通过它的电流的比值保持不变。学生：思考并回答。教师：本题学生明确导体的电阻是它本身的一种属性，有助于加深对欧姆定律的理解。（1）说法正确，对一定的导体，导体的阻值不变，由欧姆定律可知，通过电阻的电流强度跟它两端的电压成正比，跟它的电阻成反比；（2）说法正确，由U=IR，对一定的导体，导体的阻值不变，所以通过它的电流强度越大，它两端的电压也越大；（3）说法错误，是电阻的定义式，电阻与电压和电流无关，由导体本身决定；（4）说法正确，对一定的导体，其阻值不变，所以它两端的电压与通过它的电流强度的比值保持不变。3.导体的伏安特性曲线教师：如何直观地反映导体中的电流I、电压U和电阻R之间的关系呢？我们可以用图像来描述它们之间的关系。下面我们开展实验探究，同学们想想需要哪些器材？各有何功能或作用？学生：思考并分析。教师：本实验利用伏安法测电阻，需要的实验器材有干电池、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、导线等。如果要求金属导体两端的电压从零开始逐渐增大，那么我们应该选用下列哪个电路进行实验？为什么选用这一电路？学生：思考并分析。教师：图a是我们初中所学的滑动变阻器限流式接法，接线时接一上一下两个接线柱，请问同学们金属导体两端的电压能否从零开始变化？是的，由于电源两端的电压除以总电阻就得到电流，无论滑动变阻器的滑片置于何位置，总电阻始终不为零，干路上的电流不能从零开始变化，所以金属导体的电压也不能从零开始变化。同学们为什么图b可以呢？图b中，滑动变阻器接线时接两下一上三个接线柱，如果将滑动变阻器的滑片置于最左端，闭合开关后，电流从电源的正极出发，经过开关后从滑动变阻器的右端流入滑动变阻器，当电流到达滑动变阻器的最左端时，本来电流应该兵分两路向左与向上流动，但是，由于上面支路有电阻，下面支路电阻为零，于是电流就只流上面不流下面，电流表、电压表的示数都为零！这种接法，我们称为滑动变阻器分压式接法。滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比较，见下表。两种接法的电路图R0R0负载R上电压的调节范围eq\f(RE,R＋R0)≤U≤E0≤U≤E负载R上电流的调节范围eq\f(E,R＋R0)≤I≤eq\f(E,R)0≤I≤eq\f(E,R)用伏安法来测量电流与电压，通过调节滑动变阻器的滑片，分别得到金属导体a和b的几组I和U的值，记录实验数据，并在同一坐标系中作出a和b的I-U图像。下面我们观看实验视频。实验步骤如下：（1）选择合适的仪器按如图所示的电路图连接好。（2）将滑动变阻器滑片移到最左端后，闭合开关。（3）逐渐向右移动变阻器的滑片，增加小灯泡两端的电压，在灯泡额定电压范围内读取几组不同的电压值和电流值，并制表记录。改变电阻a、b两端的电压，每改变一次，读出相应的电压值和电流值，如下表所示；测量物理量实验次数123456U（V）I（A）（4）断开开关，拆下导线，将仪器恢复原状。（5）以I为纵轴，U为横轴，画出I­U图线并进行分析。学生：观察与思考。教师：根据实验测出的数据，以纵坐标表示电流I、横坐标表示电压，作出I-U图像，我们称为导体的伏安特性曲线。伏安特性曲线是研究导体电流和电压关系的重要工具。由实验可知，在温度不太高时，同一金属导体的I-U图像是一条通过原点的直线，这表明，同一导体的电阻与电压和电流无关，而是由导体本身的性质决定的。请同学们思考，如图所示的直线a、b的斜率有什么物理意义？哪一条表示的金属导体的电阻较大？学生：思考并回答。教师：直线的斜率代表导体电阻的倒数，斜率越小，导体电阻越大。金属导体b的电阻较大。将电阻换成小灯泡，改变小灯泡两端的电压，每改变一次，读出电压值和相应的电流值。记录实验数据，并在坐标系中做出的I-U图像。测量物理量实验次数123456U（V）I（A）由实验可知，小灯泡的I-U图像为一条曲线，说明小灯泡的电阻随电路电压、电流的变化而变化。我们把当导体的伏安特性曲线为过原点的直线，即电流与电压成正比，具有这种特点的电学元件称为线性元件，如金属导体、电解液等。伏安特性曲线不是直线的，即电流与电压不成正比关系的电学元件，称为非线性元件，如气体导体、二极管等。同学们，请看图（a），这是半导体二极管，二极管有正负极，符号如图（b）所示。图a图a图b如果我们把金属导体换成半导体二极管，分别按照图a和图b两种方法把半导体二极管接入电路，描绘半导体二极管的伏安特性曲线，可以发现什么规律？并将其与定值电阻、小灯泡的I-U特性曲线对比，说出它们的导电性能特点。图a图a图b图c教师：当二极管的正极与电源的正极相连，二极管的负极与电源的负极相连，改变滑片的位置，将滑片从a端向b端移动，观察电压表与电流表的示数，我们发现二极管两端的电压与其电流逐渐增大，后来发现电流迅速增大，电压几乎不变；当二极管的正极与电源的正极相连，二极管的负极与电源的负极相连，同样改变滑片的位置，我们发现二极管两端电压逐渐增大，电流几乎为零。我们作出如图c所示的伏安特性曲线，当二极管两端加上正向电压（如图a），电路导通，即电流不为零；当二极管两端加上反向电压（如图b），电路截止，即电流为零。这就是半导体二极管的单向导电性。请同学们思考，如图所示，小灯泡的I-U图像不是直线，请根据图像分析哪部分曲线斜率大，曲线的斜率有什么物理意义？学生：思考并回答。教师：虽然欧姆定律不适用于非线性元件，但是计算电阻的公式仍然适用，以此判