高中物理 闭合电路与部分电路特性对比分析教学设计

高中物理闭合电路与部分电路特性对比分析教学设计

一、课标依据与设计理念

本节课的设计严格遵循《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中关于“恒定电流”模块的要求。课标强调，学生应理解闭合电路欧姆定律，能分析电路中各物理量的变化关系。基于此，本节课的设计理念超越了传统教学中对部分电路欧姆定律和闭合电路欧姆定律的孤立讲解，转而采用“对比分析”为核心的高阶教学策略。我们认为，学生对于电路的认识障碍，往往源于未能将“部分电路”与“闭合电路”置于统一的能量观下进行审视。因此，本教学设计旨在通过精心设计的对比维度，引导学生从“研究对象”、“能量转化”、“物理量关系”及“图像表征”四个层面，构建一个系统化、网络化的知识结构。这不仅是知识的传授，更是科学思维方法，特别是比较与分类、归纳与演绎等核心素养的培养过程。我们致力于打造一个以学生为中心、以思维进阶为线索、以实际应用为落脚点的高效课堂。

二、教学内容分析

本章节内容处于高中物理电学部分的基础与核心地位。部分电路欧姆定律（I=U/R）是学生在初中阶段已经接触并深化理解的基础知识，它揭示了同一段导体上电流、电压、电阻三者的内在联系，是研究局部电路的【基础】工具。而闭合电路欧姆定律（I=E/(R+r)）则是在此基础上的重大拓展与深化，它将研究对象从“一段电路”扩展到“整个回路”，引入了电源电动势(E)和内阻(r)这两个关键概念，从而能够解释更为丰富的电路现象，如路端电压随外电阻的变化、电源的输出功率问题等。

【非常重要】这两部分知识的衔接与对比，是打通学生电学思维“任督二脉”的关键。如果不能深刻理解部分电路与闭合电路在研究视角、物理本质上的差异，学生将无法应对动态电路分析、含容电路计算以及后续的交流电路、电磁感应等复杂问题。因此，本课时的内容不仅是知识点的罗列，更是学生电学认知结构的一次重要重组与升级，具有承上启下的【枢纽】作用。

三、学情分析

本课时的授课对象为高中二年级学生。

知识储备方面：学生已经掌握了电流、电压、电阻、电动势等基本概念，能够熟练运用部分电路欧姆定律进行简单计算，对串并联电路的特点也有一定了解。这为学习闭合电路欧姆定律奠定了【基础】。

认知能力方面：高二学生的抽象逻辑思维已趋于成熟，具备了一定的模型建构和科学推理能力。他们能够理解“电源内部也有电阻”这一模型，但对于“内电路”和“外电路”中能量转化的本质区别，以及内外电压的动态依存关系，仍存在认知上的【难点】。学生常见的思维障碍在于：习惯于将部分电路的规律直接套用到整个闭合回路，混淆内外电压的概念，无法从能量守恒的高度理解闭合电路的规律。

学习心理方面：学生对电路实验抱有浓厚兴趣，渴望亲手验证物理规律。因此，本节课应充分利用实验探究的手段，激发学生的内在学习动机，引导他们在“观察—质疑—探究—建构”的过程中，自主完成知识的同化与顺应。

四、教学目标与核心素养

（一）物理观念

1.通过对比分析，进一步强化“能量观”。能够从非静电力做功的角度理解电动势的物理意义，明确电源在电路中的能量转化作用。

2.建立“内电路”与“外电路”的模型观念。能清晰区分内外电路上的能量转化类型：外电路中静电力做功，电能转化为其他形式的能；内电路中非静电力做功，其他形式的能转化为电能。

（二）科学思维

1.【非常重要】模型建构能力：引导学生基于实际电源（如干电池、蓄电池）的特点，主动建构“电源由电动势和内阻串联而成”的等效模型。

2.【重要】科学推理能力：通过理论推导（能量守恒或电势差关系），从部分电路欧姆定律和功能关系出发，严谨地推导出闭合电路欧姆定律。培养学生运用已有知识解决新问题的逻辑推理能力。

3.【高频考点】动态分析能力：运用“闭合电路欧姆定律”和“部分电路欧姆定律”，对滑动变阻器滑片移动引起的电路中各电表示数变化进行逻辑推理和判断，形成“局部—整体—局部”的分析思路。

（三）科学探究

1.实验设计能力：针对“路端电压与负载的关系”这一课题，引导学生设计实验方案，包括电路图设计、数据记录表格设计、以及实验步骤的规划。

2.证据意识与数据分析能力：通过小组合作进行实验，测量不同负载下的路端电压和电流，利用U-I图像处理数据，分析图像斜率和截距的物理意义，从而得出电源的电动势和内阻。培养基于实验证据得出结论的严谨态度。

（四）科学态度与责任

1.通过对比分析，使学生认识到物理规律的内在统一性与和谐美（如内外电压之和等于电动势）。

2.在实验探究中，培养实事求是的科学态度和严谨细致的操作习惯。通过小组合作，增强团队协作意识和沟通能力。

五、教学重难点

1.【教学重点】

（1）【基础】闭合电路欧姆定律的内容及其表达式的理解和掌握。

（2）【重要】路端电压U与负载R（或电流I）的关系及其分析。

（3）【核心】从研究对象、能量转化、物理量关系、图像表征四个维度对部分电路与闭合电路进行对比分析。

2.【教学难点】

（1）【难点】电源电动势、内电压、外电压概念的建立及其相互关系的理解。特别是对内电压（Ir）的抽象性及其与内阻关系的理解。

（2）【难点】【高频考点】运用闭合电路欧姆定律进行复杂的动态电路分析，尤其是当电路中包含多个支路变化时的逻辑链条的建立。

（3）【难点】对电源U-I图像的物理意义（斜率、截距）的深入理解，以及将其与部分电路U-I图像进行区分和应用。

六、教学方法与准备

教学方法：本节课采用“对比发现式”教学模式，融合问题驱动法、实验探究法、小组合作学习法以及多媒体辅助教学法。通过创设问题情境，激发认知冲突，引导学生在“比较”中“发现”规律，在“分析”中“建构”知识体系。

教学准备：

1.教师准备：多媒体课件（包含电路动画、对比表格）、干电池若干、电键、导线、滑动变阻器、电阻箱、电压表、电流表、演示用大型电表、DIS数字实验系统（电压、电流传感器及数据采集器）。

2.学生准备：预习教材内容，复习部分电路欧姆定律；分组实验器材（每组一套）。

七、教学实施过程（核心环节）

（一）创设情境，引出课题（约5分钟）

教师活动：演示一个简单的实验：取两节相同的干电池，分别对一个小灯泡和一段电阻丝供电。让学生观察小灯泡的亮度和通过电阻丝的电流。然后，将这两节电池串联起来，再次对同一个灯泡供电，观察亮度变化。提问：为什么电池多了，灯泡有时反而会变暗？（暗示电池用旧了，内阻变大的情形）。接着展示一个简单的闭合电路，在电路中串联一个电流表，并联一个电压表测量路端电压。当调节滑动变阻器使电阻减小时，学生观察到电流表示数增大，但电压表示数却在减小。这一现象与学生已有的“欧姆定律”认知（电阻减小，电压应减小或不变？）产生强烈冲突。

学生活动：观察实验现象，感到惊讶并产生疑问。在教师引导下，意识到以前学习的部分电路欧姆定律似乎不能直接解释整个电路的现象。

设计意图：【非常重要】通过认知冲突的实验引入，迅速抓住学生的注意力，激发探究欲望。明确提出问题：为什么部分电路中的规律不能直接解释整个闭合回路的现象？我们是否需要一套新的、适用于完整回路的理论？从而自然引出本节课的核心议题——对比“部分电路”与“闭合电路”，寻找其内在联系与本质区别。

（二）回顾梳理，确立参照系（约5分钟）

教师活动：引导学生快速回顾部分电路欧姆定律。板书并提问：

1.研究对象是谁？（一段不含电源的纯电阻电路）

2.能量转化关系是怎样的？（电场力做功，电能转化为内能或其他形式的能）

3.核心物理量关系是什么？（I=U/R，电压U是这段电路两端的电势差）

4.它的图像是什么样子的？（过原点的直线，斜率为电阻R的倒数或R本身，取决于坐标轴定义）

学生活动：积极回忆并回答问题，在教师的引导下，共同构建出“部分电路”的分析框架，为接下来的对比做好铺垫。

设计意图：【基础】巩固旧知，为学生提供一个清晰的“参照系”。只有明确了部分电路的特征，才能在下个环节与闭合电路进行有意义的对比，从而凸显出闭合电路的新特点和新规律。

（三）实验探究，建构新知（约20分钟）

1.【核心】建构闭合电路模型与规律

（1）模型建构与理论推导

教师活动：引导学生思考，一个完整的电路除了外部的用电器和导线，还应该包括什么？（电源）。教师介绍，任何实际电源（如电池、发电机）内部，电流通过时也同样受到阻碍作用，这个阻碍就是电源的“内阻”，用r表示。而电源之所以能维持电流，是因为其内部有一种“非静电力”能不断地将正电荷从负极搬运到正极，从而保持电势差，这个本领用电动势E来描述。

板书：一个实际的电源可以等效为一个没有内阻的理想电源（电动势E）和一个内阻r串联的组合。一个完整的闭合电路，就由这个“等效电源”和外部电路（外电阻R）串联而成。

学生活动：在教师引导下，建构电源的等效模型。理解电动势E和内阻r是描述电源本身特性的两个【重要】参数。

教师活动：提出问题：在这个闭合回路中，能量是如何转化的？电荷在整个回路中绕行一周，电势能的变化如何？

引导学生从能量守恒或电势差角度进行理论推导：

能量守恒角度：非静电力做的功=内外电路上产生的热量。即EIt=I²Rt+I²rt，化简得E=IR+Ir=U外+U内。

电势差角度：在外电路，电势降低U外；在内电路，电源把正电荷从负极搬到正极，电势升高E，但同时电荷通过内阻又降低U内，因此整体电势升高E-U内。绕行一周，电势降落等于电势升高，故U外=E-U内，即E=U外+U内。

进而得到闭合电路欧姆定律的常见表达式：I=E/(R+r)（适用于纯电阻电路）。

学生活动：跟随教师的引导，进行理论推导，理解公式的来龙去脉。认识到E=U外+U内是能量守恒在电路中的具体体现，具有普遍意义。

2.【高频考点】实验探究路端电压与负载的关系

教师活动：我们刚才通过理论推导得到了闭合电路的规律。现在，让我们通过实验来探究一个非常重要的关系——路端电压（U外）与负载（外电阻R）的关系。提出问题：当R增大时，U外如何变化？为什么？

学生活动：分组合作，按照教材或自己设计的电路图连接电路（注意电表的正负极和量程）。使用电阻箱作为外电阻R，电压表测路端电压，电流表测干路电流。

实验步骤：

[1]按电路图连接实物。

[2]将电阻箱阻值调至最大，闭合开关。

[3]逐渐减小电阻箱的阻值（即增大负载），观察并记录多组电压表和电流表的读数。

[4]将数据记录在预先设计好的表格中。

教师活动：巡回指导，纠正学生连接错误，提醒注意事项。引导学生思考：如何通过实验数据直观地看出U外和I的关系？

学生活动：根据记录的多组（I，U）数据，在坐标纸上描点作图，画出U-I图像。

教师活动：引导学生分析U-I图像。提问：

[1]这是一条什么形状的线？（向下倾斜的直线）

[2]延长这条线，它与纵轴（U轴）的交点代表什么物理意义？（当I=0时，即外电路断路，此时U外=E。所以纵截距表示电源的电动势E）

[3]这条直线与横轴（I轴）的交点代表什么物理意义？（当U=0时，即外电路短路，此时短路电流Im=E/r）

[4]这条直线的斜率代表什么？（根据U=E-Ir，可知斜率的大小等于电源的内阻r，斜率为负，表示U随I增大而减小。）

学生活动：在教师引导下，从图像中获取关键信息，深刻理解图像斜率、截距的物理意义。

设计意图：【非常重要】本环节是整节课的高潮和核心。通过“模型建构”赋予抽象概念以物理图景，通过“理论推导”锤炼学生的科学推理能力，再通过“实验探究”和“图像分析”培养学生的证据意识和数据处理能力。整个过程环环相扣，让学生在“做中学”、“研中悟”，自主建构起对闭合电路的系统认识。

（四）对比辨析，深化理解（约10分钟）

教师活动：现在，我们已经学习了部分电路和闭合电路两套规律。为了更清晰地把握它们的区别与联系，让我们从几个关键维度进行对比分析。

教师以板书或多媒体形式，引导学生从以下四个方面展开讨论和总结：

1.【研究对象】对比：

部分电路：研究一段不含电源的电路。

闭合电路：研究整个闭合回路（包含电源内、外两部分）。

2.【能量转化】对比：

部分电路：静电力做功，电能转化为其他形式的能。

闭合电路：在外电路，静电力做功，电能转化为其他形式的能；在内电路，非静电力做功，其他形式的能转化为电能。总能量守恒，电动势反映了非静电力做功的本领。

3.【物理量关系】对比：

部分电路：I=U/R（或U=IR）。U是这段电路两端的电势差，R是该段电路的电阻。

闭合电路：I=E/(R+r)（或E=U外+U内，U外=IR，U内=Ir）。电动势E和内阻r是描述电源特性的参数，与外电路无关。

4.【图像表征】对比：【高频考点】【难点】

部分电路U-I图像：对于线性元件，是一条过原点的直线。U和I同生共灭，斜率代表电阻R（R=U/I）。

闭合电路U-I图像：是一条向下倾斜的直线，纵截距为E，横截距为短路电流，斜率的绝对值代表内阻r（|k|=r=ΔU/ΔI）。它描述的是路端电压U随干路电流I的变化关系。

学生活动：在教师的引导下，积极参与讨论，比较两个规律的异同，修正和完善自己的认知结构。在笔记本上形成清晰的对比记录。

设计意图：【核心】对比分析法是本节课的点睛之笔。通过系统、多维度的对比，帮助学生将零散的知识点串联成线，编织成网，实现知识的结构化。这不仅解决了本节课的核心教学重点，也为学生提供了一种重要的科学思维方法。

（五）应用迁移，直击考点（约10分钟）

教师活动：设置典型例题，引导学生运用所学知识解决问题，特别是针对【高频考点】和【难点】进行专项训练。

例题1（动态电路分析）：【非常重要】【高频考点】如图所示的电路中，电源电动势为E，内阻为r。当滑动变阻器R3的滑片P向右移动时，各电表（A1、A2、V1、V2）的示数如何变化？

引导思路：局部电阻变化（R3变大）→整体总电阻变化（R总变大）→根据闭合电路欧姆定律判断总电流变化（I总=E/R总，变小）→根据U外=E-I总r判断路端电压变化（U外变大，即V1示数变大）→回到局部，根据串并联规律分析各支路电流和电压。

学生活动：分组讨论，按照“局部→整体→局部”的分析思路进行逻辑推理。小组代表上台展示分析过程。

例题2（含容电路分析）：【高频考点】【难点】在上图电路中，若在R2两端并联一个电容器C。当滑动变阻器R3滑片移动时，电容器C的电压如何变化？是充电还是放电？

学生活动：在教师引导下，认识到电容器在稳定时视为断路，其两端电压等于与之并联的电阻两端的电压。因此，分析电容器电压的变化，本质上就是分析该并联电阻两端电压的变化。将问题转化为动态电路分析问题。

例题3（U-I图像应用）：【重要】给出两条U-I图线，一条是某定值电阻的U-I图，一条是某电源的U-I图，求该电阻与该电源组成闭合电路时，电阻两端的电压和通过电阻的电流。

学生活动：分析图像，找到两条图线的交点，该交点即表示电阻接在该电源上时的工作点。深刻理解“电源图线”与“元件图线”的交点含义。

设计意图：通过精选的、有梯度的例题，将理论知识转化为解决实际问题的能力。动态电路分析是高考的【高频考点】，通过反复训练，让学生掌握“部分—整体—部分”的分析程序，形成思维定式。含容电路和图像题则是对知识的综合应用，旨在突破【难点】，提升学生的高阶思维。

（六）课堂小结，升华认识（约3分钟）

教师活动：引导学生回顾本节课的学习历程。今天我们通过对比分析，从一个引发认知冲突的实验开始，逐步建构了闭合电路的模型，推导并验证了它的规律，最后将它与熟悉的“部分电路”进行对比，并应用于实际问题中。请大家再次回顾，通过今天的对比学习，你对电路的理解有了哪些新的提升？

学生活动：自由发言，总结本节课的知识收获和方法收获。可能包括：明白了路端电压变化的原因、掌握了新的解题方法、学会了用对比的眼光看问题等。

设计意图：让学生成为小结的主体，有助于他们内化所学知识，提升元认知能力。教师的最后总结，将本节课的知识脉络和思维方法再次点明，使主题得到升华。

（七）布置作业，拓展延伸（约2分钟）

1.基础巩固（必做）：完成课后练习题中关于闭合电路欧姆定律基本计算和动态分析的相关题目。

2.探究深化（选做）：查阅资料，了解“欧姆表”的构造和原理。尝试用今天所学的闭合电路知识解释欧姆表是如何实现测量电阻功能的？其刻度为什么是不均匀的？

3.实践拓展（小组项目）：测量一个废旧干电池的电动势和内阻。可以利用今天实验课的方法，也可以自行设计新的方案（如伏阻法、安阻法等）。下节课分享你们的测量结果和体会。

八、板书设