12.2 闭合电路的欧姆定律 教学设计-2022-2023学年物理高二上学期（人教版2019必修第三册）

闭合电路的欧姆定律教学目标：（1）知道电源是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电能的装置，通过与电容器的比较，类比水在水管中的循环流动，分析电荷在电路中循环运动时的力、做功、能量转化、电势升降、深入理解电源的微观机制S-1，体会非静电力的重要作用G-2。（2）知道电动势的定义式。体会比值定义物理量是物理学中常用的方法S-3。（3）经历闭合电路欧姆定律的理论推导过程S-2，理解内、外电路的能量转化，体验能量转化和守恒定律在电路中的具体应用，培养能量观G-3。2．针对教学重难点，深度学习教学策略（1）重难点：理解电荷在闭合电路中循环运动的微观机制，理解非静电力之所以是教学重难点是因为：学生要尝试从宏观现象推测微观图景，从力、功、能、势的角度进行推理，对学生模型建构能力和科学推理能力要求较高。“非静电力”的概念很抽象，是代表电源内搬运电荷的动力的统称，电磁作用还未学习，光作用与化学作用也不了解。通过策略B联想与结构，类比与电源内部作用形式相类似的水泵抽水的情景及理论分析，及策略A活动与体验，拆开或观察电源内部构造来突破难点。教学重难点：建立电动势的概念之所以是教学重难点是因为：第一，电动势是电磁学重要的基本概念之一，这一概念的掌握将影响到学生对动生电动势和感生电动势的理解；比值定义新的物理量是物理学中的一种重要方法。通过策略D迁移与创造，回顾定义速度、电场强度的方法，类比得到比较电源供电能力的方法。第二，电动势概念容易与电压概念混淆。通过策略C本质与变式，讨论干电池铭牌上的1.5V与小灯泡铭牌上的1.5V，从功能角度分析两者的本质区别。教学过程设计及实施本节课从以下几个方面进行展开：核心任务：理解电源的机制任务1：通过与电容器的比较，体会电源的作用活动1：理论分析结合实验活动问题：（1）分析将充电后的电容器连接小灯泡，将会看到什么现象，从力、功、能量角度说说你的依据。（为方便看成正电荷定向运动）【生】：小灯泡闪亮一下后熄灭。极板上的正电荷在静电力的推动下沿着导线运动至另一极板与负电荷中和，静电力做正功，电容器里储存的电场能转化成了内能，两极板间的电势差降为0。（2）为什么电源可以使小灯泡一直发光，电源不同于电容器的特点是什么。学生演示各类电源使小灯泡发光（干电池、化学原电池、太阳能电池、手动发电机等），并分析出电源不同于电容器的特点，电容器不能维持持续的电流，电源能维持电路中持续的电流，因为它有能力把到达负极的正电荷经过电源内部不断的搬运到正极，这种搬运能力来源于一种什么“力”呢？电源能提供持续的电能，是利用什么“力”做功将其他形式的能转化为电能的呢？学生在动手操作中思考体会电源内部的力、做功、能量转化。任务2：探究电源的微观机制，引入非静电力活动2：观察实验，完成表格，分析电荷在电路中循环运动时的力、做功、能量转化、电势升降通过类比与电源内部作用形式相类似的水泵抽水的情境，引导学生通过交流讨论建立电源内部正电荷运动的微观模型，体会“非静电力”的重要作用及能量转化过程。问题：（1）如图，类比水在水管中的循环流动过程，完成表格；（2）分析正电荷在电源外部和内部受静电力的方向？静电力做功情况？能量如何转化？电势如何变化？电源中是什么力把正电荷从负极搬运到正极的？做功情况？水正电荷外部水管重力做正功外电路静电力做正功重力势能转化为其它形式的能电势能转化为其它形式的能高处到低处电势降低水泵非重力克服重力做功电源内部“非静电力”克服静电力做功其它形式的能转化为重力势能其它形式的能转化为电势能低处到高处电势升高【生】：在电源外部（外电路中），恒定电场由正级指向负极，正电荷受到静电力作用由电源正极运动到负极，静电力做正功，电势能（电能）减少，减少的电势能转化为其它形式的能。同样的，在电源内部电场由正级指向负极，正电荷受静电力，但静电力阻碍正电荷向正级移动，因此，电源内部一定存在与静电力方向相反的力来搬运正电荷，我们称为“非静电力”。非静电力做正功，增加电势能，电源实现将其他形式的能转化成电势能。【师】：看来电源能持续供电，电容器却不能，本质原因是电源内有“非静电力”。不同的电源，搬运电荷的非静电力来源不同，比如干电池（化学原电池）为化学作用（拆开一个干电池观察），它使化学能转化为电能。太阳能电池为光作用，它使太阳能转化为电能。发电机为电磁作用（展示线圈和磁铁），它使机械能转化为电能，那么不同的电源将其它形式的能转化为电势能的本领相同吗？任务3：建立电动势的概念，描述电源将其它形式的能转化为电势能的本领活动3：寻找比较电源非静电力做功本领的方法本部分体会比值定义法中统一比较标准的核心思想。问题：（1）不同的抽水机将其它形式的能转化为重力势能的本领不同，如何比较不同抽水机的这种能力呢？【生讨论1】：A抽水机使质量为10kg的水升高5m；B抽水机使质量为8kg的水升高6m，A、B抽水机使水获得的重力势能分别为500J和480J。A抽水机抽水能力强，非重力做功更多。【师】：回想一下，我们将电荷量q不同的试探电荷放入电场中两个位置，如何比较电场中两点的电场强度大小？【生】：我们统一成比较1C电荷在两点所受静电力的大小。（2）类似的，我们如何更好的比较不同抽水机将其它形式的能转化为重力势能的本领？如何比较不同电源将其它形式的能转化为电势能的本领呢？【生】：对于抽水机，比较非重力搬运1Kg水所做的功，提升水的重力势能；对于电源，比较非静电力搬运1C正电荷从负极到正极所做的功，增加电荷的电势能。【师】：在电源内部，电源移动电荷，增加电荷的电势能。在物理学中，我们用非静电力所做的功与所移动的电荷量之比来表示电源的这种特性，叫作电动势。电动势在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。如果移动电荷量q时非静电力所做的功为W，则电动势E表示为：，其单位与电势、电压相同，为伏特（V）。任务4：辨析电动势与电压活动4：讨论干电池上的电动势与小灯泡铭牌上电压的区别通过电源电动势与用电器铭牌上电压的比较，进一步体会内外电路中能量转化的过程和方向不同，深刻理解电动势的同时，为后面利用能量守恒定律推导闭合电路欧姆定律做铺垫。问题：（1）干电池铭牌上的1.5V和小灯泡铭牌上的1.5V各自的含义。【生】：干电池上的1.5V，为电源的电动势，基本是不变的，由电源中非静电力的性质决定，与外电路无关。小灯泡上的1.5V是指额定电压，即灯泡正常工作时两端的电压。（2）从做功与能量转化的角度说说两者的区别。【生】：电源产生电能，1.5V电动势反映了搬运1C正电荷从电源负极到正极非静电力做功为1.5J，反映电源将其它形式的能转化为电能的多少。小灯泡消耗电能，当小灯泡两端电压为1.5V时，反映在静电力作用下1C正电荷经过灯泡时，静电力做功1.5J，反映小灯泡消耗电能转化为其他形式能量的多少。【师】：两者都反映了能量的转化，但转化的过程和方向不同。任务5：实验探究电源的另一特性——内阻活动5：通过实验、感知发现电源内阻的存在学生实验：用导线直接连接内阻较大的干电池两极，一段时间后用手摸感受到电池发热。问题：电池用一段时间后为什么会发热？【生分析】由焦耳定律可知，电池内应该存在电阻，会消耗电能生热，而生活的体验用电池一段时间用手摸会发热，这些都说明了电源内部有电阻。【师】：我们称电源内部的电阻为电源的内阻，电源内部电路可等效为一个没有电阻的理想电源与电阻串联。任务6：从能量角度分析整个电路，推导闭合电路欧姆定律活动6：分析能量，演绎推导得出结论学生初中知道电能的宏观计算式是UIt，但并不知道其机理，通过问题引导梳理本章上一节所学知识，结合本节所学，学生对做功引起电能与其它形式的能相互转化有了更为清晰的理解，进一步强化学生的能量观。问题：（1）能量守恒定律是自然界的一条普遍规律，不仅适用于力学，同样适用于电学，请分析下列电路中内外电路静电力和非静电力做功的情况、能量转化的情况。用电源、导线和用电器（纯电阻元件，电阻为R）组成闭合电路，电源电动势为E，内阻为r，电路中电流为I，电阻R两端电压为U。【生】：电源通过非静电力做功将其他形式的能转化为电能，通过静电力做功内、外电阻消耗电能转化为内能，根据能量守恒，电源产生的电能等于内外电阻生成的内能。（2）尝试利用以上的分析进行演绎推导，你能得到怎样的关系式呢？【生】：在内电路