高中物理 电动势教案 新人教版必修2.docx
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高中物理电动势教案新人教版必修2
2019-2020年高中物理电动势教案新人教版必修2
抛砖引玉
这一单元研究完整电路的规律以及电阻的测量，是部分电路知识的发展和延续，它连同部分电路知识，构成了直流电路完整的知识体系，这一单元是本章的重点。
对学生来说，这部分知识是学生初中没有接触过的全新内容，同前两个单元相比，是教学的难点。
在这部分知识的教学中，处理好电动势概念是很重要的。
限于学生的知识水平，较严谨的电动势概念，接受起来有困难，在教学中，对这个概念不宜作过多的探究，但要注意抓住两个基本点：
一是电源的电动势是由电源本身决定的，它表征电源的特性；二是电源的电动势等于电源没有接入电路中时两极间的电压。
教材中提出了电动势的概念，但没有给电动势下定义，只是说明它“等于”什么，因此在教学中增加简单的实验演示是必要的。
在教学的安排上，首先可演示把电压表接在不同的电源的两极上，让学生看到电压存在的真实性，确信电源的作用——产生正、负极，两极间保持着一定的电压；其次，测量大小不同的干电池的两极间的电压，测量蓄电池、钮扣电池等不同种类的电池两极间的开路电压，说明当电源不连接外电路时，电源两极间电压的大小是由电源本身（材料、工作方式等）决定，由此引入电动势；最后，构成闭合回路再测电源两端的电压，使学生亲眼目睹路端电压小于电源电动势并随着外电阻的变化而变化，由此引出ε=U'+U。
另外，为了帮助学生的理解，教学时对教材中测量内、外电压的实验装置、做法以及数据记录等给以解释。
闭合电路欧姆定律的教学是本单元的重点，它是在电动势教学的基础上进行的。
如果电动势的教学比较成功，那么得出定律就不难了。
在教学中可以让学生了解，公式、和都叫闭合电路的欧姆定律，但它们的含义不同；前两个公式表示电源产生的电压升高等于内、外电路的电压降落之和，后者表示完整电路中电流强度由哪些因素决定。
在闭合电路欧姆定律的教学中，一定要注意定律的应用，引导学生讨论清楚外电阻变化对路端电压，干路电流、电源的输出功率以及电源效率的影响，这些知识是定律教学中的重点，对学生以后灵活解决电路问题具有重要意义。
这部分知识中，电阻的测量是实用性很强的知识，也是本单元教学的又一难点。
教学中一定突出电阻测量的原理、产生误差的原因、电路的选择以及测量仪表的选择和数据处理方法等。
指点迷津
闭合电路欧姆定律的应用是本单元的重点和难点，它的应用体现在以下几个方面。
1．从定律出发，当外电路电阻增大时，路端电压升高，干路电流减小。
结合部分电路规律可确定某段电路两端电压及其中电流的变化情况。
2．从定律出发结合P=I2R可讨论，当外电阻R由零逐渐增大时，电源的效率不断增加，而电源的输出功率却是先增大（当R外=r时，电源输出功率最大）后减小。
另外，对电路的功率，要注意区分电源的功率（总功率P=εI）、电源的输出功率（P=UI，若外电路是纯电阻电路，还有P=I2R=I2/R）和电源内部损耗的功率（P内=I2r）。
一、学海导航
思维基础
1．电动势
（1）知识点
1电源是把其它形式的能转化为电能的装置；
2电源的电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压，其意义是表征电源把其它能转化为电能的本领；
3闭合电路中电源的电动势等于内外电压之和。
（2）疑问点
1电动势的意义及大小：
电动势是描述电源将其它能转化为电能的能力的物理量，
对任何一个完整的电路来说，从能的观点来看可分为三部分，一是产生电能部分，称为电源；二是输送电能部分，是导线；三是消耗电能部分，是用电器。
根据能量守恒定律，用电器消耗的电能和输电线上损失的电能都来源于电源产生的电能。
电源产生电能的能力强，用电器才有可能在较短的时间内消耗较多的电能。
为了描述电源的这种能力，物理学中引入了电动势的概念。
由于在电源内部非静电力移送电荷做功的过程，就是消耗其它能获得电能的过程，因此规定：
移送单位正电荷从电源负极经内电路到电源正极，非静电力做的功在数值上和电源的电动势相同。
正因为如此，电动势和电压才具有相同的单位。
②电源的电动势由什么决定？
一个电源一旦做功，它转化其它能为电能的能力也就随之确定，其电动势也就随之确定，与该电源是否接入电路以及接入什么样的电路无关。
简而言之，电源的电动势是由电源本身的性质决定的（干电池用久了，其电动势要变小，是因为其内部性质变化了）。
③完整电路中电流是由高电势流向低电势吗？
在外电路中，电荷是在电场产生的静电力作用下而定向移动形成电流的，结合电流方向的规定可知，电流由高电势流向低电势；在内电路，电荷不再是受静电力定向移动，而是在非静电力作用下（这种力由电源产生）由负极流到正极，即由低电势处流向高电势处。
2．闭合电路的欧姆定律
（1）知识点
①闭合电路欧姆定律：
闭合电路中的电流，与电源的电动势成正比，与整个电路的电阻成反比。
②公式：
（或ε=U'+U=IR+Ir）。
（2）重点
1外电阻变化对路端电压及干路电流的影响：
由及U=ε-Ir可知，当R=
0时（外电路短路），干路电路最大，，路端电压最小，Un=0，此时电流电源电动势全部消耗在内电路上；当R逐渐增大时，干路电流逐渐减小，路端电压逐渐升高（注意：
路端电压U和外电阻R不是正比关系）；当R=时（外电路断路），干路电流最小，In=0，路端电压最高Um=ε。
②路端电压和干路电流关系：
由U=ε-Ir知，U和I是线性函数关系，可由图2-47直观的反映出来。
图2-47
（3）难点
1完整电路中各种功率及其关系：
整个电路消耗的功率叫电源的总功率，P=εI；外
电路消耗的功率是电源的输出功率，P出=UI（或外电路是纯电阻电路，还有P出=I2R=U2/R）；电源内部消耗的功率是指内电路消耗功率，P内=I2r；从能量守恒得，P=P出+P内=UI+I2r。
②外电阻变化对电源输出功率及效率的影响；电源的效率是指电源的输出功率和总功率之比。
若外电路是纯电阻电路，有
。
所以，当R增大时，电源的效率随之增高；若外电路是纯电阻电路，有。
所以在外电阻R由零逐渐增大的过程中，电源的输出功率是先增大后减小的，这一点与电源效率随外电阻变化的情况不同。
③电路变化导致电路中仪表读数变化的一般分析方法。
先由电路变化判断外电阻变化，进一步判断路端电压和干路电流变化，然后结合部分电路欧姆定律判断某部分电路两端电压及其中电流变化情况（这一步中一定要注意电压，电流两方面结合判断），确定仪表读数变化情况。
3．电池组
（1）知识点
1串联电池组电动势等于各电池电动势之和，内阻等于各电池内阻之和，若是n
个电动势均为ε，内阻均为r的电池串联，有ε串=nε,r串=nr。
②n个电动势均为ε1、内阻均为r的电池并联，它的电动势等于一个电池的电动势，它的内阻等于一个电池内阻的n分之一，即
ε并=ε，r并=r/n
（2）难点
1串联电池组通过的电流跟单个电池相同，供电电压提高。
2并联电池组提供的电动势虽然跟单个电池一样，但能够提供的最大电流却是单个电池的n倍（n个电池并联）。
4．电阻的测量
（1）知识点
1伏安法测电阻的原理。
利用电压表测出电阻两端电压U1，用电流表测出流过电阻的
电流强度I，根据欧姆定律R=U/I，求出待测电阻的阻值。
②测量电路，根据电流表所接位置不同，测量电路有两种，即电流表内接（图2-48）和电流表外接（图2-49）。
图2-48图2-49
（2）重点
1伏安法测电阻的误差情况：
采用电流表内接测量时，测量的电流I为流过电阻RX
的电流真实值，所测的电压U等于电流表和电阻RX两端的总电压，大于RX两端的实际电压，此时
（RA为电流表内阻），测量值大于真实值；当采用电流表外接测量时，测量的电压U为加在RX两端的实际电压，但测量的电流I却等于流过电压表电流及电阻RX电流之和，大于通过电阻RX的实际电流，这是由于电压表的分流造成的，此时
（RU是电压表内阻），即测量值是电压表内阻与电阻RX的并联值，测量结果偏小。
②电路选择。
综合上述分析，电流表内接法测大电阻时误差较小（电流表内阻很小），电流表外接法测小电阻时误差较小（因为电压表内阻很大，其倒数很小）。
实际测量时可比较及的大小，若前者更小，应选择内接法测量，若后者更小，应选择电流表外接测量。
（3）难点实际测量时，若不知道被测电阻的大约值，无法比较大小时，可采用电压表跨接的办法来处理。
具体操作是接电路时先把电压表的一端不接入电路中，闭合电路，移动电压表的这个接线端使电流表内接改变外接，观察两表示数变化情况，若电流表示数变化明显，说明外接时电压表分流作用大，应采用内接法测量；若电压表示数变化明显，说明内接时电流表的分压作用大，应采用外接法测量。
学法指要
例1在一个闭合电路中，路端电压U=1.5V，内电压U'=0.5V，求电源在电路中移运2C电量时消耗的电能、电源内部产生的热量和外电路电场力做功分别为多少？
分析与解答
电源的电动势ε=U+U'=2.0V，移送2C电量时，电源消耗电能E=qε=2×2=4.0J，电源内部产生的势量，外电路电场力做功。
例2一台发电机用0.5A的电流向外输电，在1min内将180J的机械能转化为电能，则发电机的电动势为（）。
A．6VB.360VC.120VD.12V
分析与解答
发电机是电源，将机械能转化为电能，在1min内它消耗了180J的机械能，转化为大小可以表示为1εt的电能，所以有W=εIt，，A选项正确。
例3如图2-50所示电路，已知R1=8Ω，R2=R3=4Ω，电表为理想电表。
开始时R1、R2、R3中都有电流通过，电压表示数为2V，电流表示数为0.75A，后来三个电阻中一个发生断路，使电压表示数变为3.2V，电流表示数变为0.8A。
求
（1）哪个电阻断路？
（2）电源的电动势和内电阻各为多少？
图2-50
分析与解答
（1）由于一个电阻断开后，电流表、电压表的示数都不为零，所以R2与R3不会断路，断路电阻为R1。
（2）R1断开前，流过R1和R3的电流，由闭合电路欧姆定律得
，即ε=3.0+r……①；R1断开后，电压表读的是路端电压（此时流过R3的电流非常小，R3可视为等势体），电流表的读数为总电流，ε=3.2+0.8r……②，由①②解得ε=4V，r=1Ω。
说明：
求电源电动势和电源内阻这类问题很常见，其题目中一般要给出两个电路状态，解题时可针对这两个状态分别应用闭合电路欧姆定律列方程，然后组成方程组可达到解题目的。
图2-51
例4如图2-51所示，当滑动变阻器的滑片P向上端移动时，电路中的电压表、电流表示数如何变化？
分析与解答
先认请A测R3中的电流，V1测路端电压，V1测R2和R3并联的电压。
再利用闭合电路的欧姆定律判断主干上的一些物理量的变化：
P向上滑，R3接入电路中的电阻增大，外电阻R外增大，干路电流I减小，路端电压U增大，至此已判断出V1的读数增大。
再进行分支上的分析：
由I减小知内电压U'和R1两端电压UR1减小，由U外增大知R2和R3并联的电压U2增大——判断出V1示数增大。
由U2增大和R3接入电路中电阻增大，无法确定A示数变化，可从另一条途径分析：
由V1示数增大知通过R2的电流I2增大，而干路电流I减小，所以R3中的电流减小，即A的示数变小。
说明，当电路中任一部分发生变化时，将引起电路中各处的电流和电压变化，可谓“牵一发而动全身”，判断此类问题时，首先应由局部的变化推出总电流和路端电压的变化情况，再由此分析对其它各部分电路的影响。
图2-52
例5在图2-52电路中，直流发电机ε=250V，r=3Ω，R1=R2=1Ω，电热器组中装有500只完全相同的电热器，每只电热器的额电压为220V，额定功率为100W，其它电阻不计。
问：
（1）当接通几只电热器时，实际使用的电热器都能正常工作？
（2）当接通几只电热器时，发电机输出功率最大？
（3）当接通几只电热器时，电热器组加热物体最快？
（4）当接通几只电热器时，电阻R1、R2上消耗的功率最大？
（5）当接通几只电热器时，实际使用的每只电热器中电流最大？
分析与解答
（1）要使电热器正常工作，必须使电热器两端的实际电压为220V，因此干路电流
。
而每只电热器的额电流，则接通电热器的只数只。
所以接13只电热器时，用电器基本上能正常工作（工作电压为220.4V）。
（2）要使电源输出功率最大，必须使外电阻等于内电阻，由此可得电热器总电阻为R=r-（R1+R2）=3-（1+1）=1Ω，故有只。
（3）要使电热器组加热物体最快，必须使电热组得到的电功率最大。
有的同学错误地认为电热器接的越多，总功率越大，这是没有考虑外电阻的变化会影响电源输出功率的变化。
这里要注意到，A、B两点间得到最大功率的条件，相当于R1、R2视为等效（电流）内阻，要使电热器总功率最大，必须使电热器总电阻R'=R1+R2+r=1+1+3=5Ω，所以只，所以接97只时电热器加热物体最快。
（4）要使R1、R2消耗的功率最大，必须使其电流为最大，由此电路中总电阻必须最小。
当n4=500只全部接通时，可满足要求。
（5）要使实际使用的每只电热器中电流最大，必须使UAB最大，这样，A、B间的电阻应为最大，所以n5=1只。
（6）如图2-53所示电路，电流ε=3V，r=1Ω，外电阻R1=3Ω，R2=6Ω，R3=2Ω，R4=6Ω。
试分别求出S断开和闭合时，a、b两点间的电压。
图2-53图2-54
分析与解答
首画出图2-53的等效电路，如图2-54所示。
S断开时，外电路
，总电流，a、b间的电压Uab=I·R12=0.6×2=1.2V。
当S闭合时，外电路总电阻
。
由得，
。
解决较复杂的电路问题，要画等效电路，先求总电阻，再求总电流和路端电压，然后求各部分电路的电流和电压。
例7现有电动势为1.5V，内阻为0.5Ω的干电池若干，允许通过的最大电流为0.5A。
要使一只“6V、1.8W”的灯泡正常发光，应如何连接电池及电路？
分析与解答
灯泡电阻，额定电流，灯泡额定电压为6V，电源的电动势必须大于6V，灯泡的额定电流小于电池允许通过的最大电流，所以只要几节电池串联就行了。
由得，取n=5，这时应在电路中串联分压电阻R。
由代入数据解得R=2.5Ω。
图2-55
例8如图2-55所示，电压表一和电流表的读数分别为10V和0.1A，电流表内阻为0.2Ω，求待测电阻RX的测量值和真实值。
分析与解答
设测量值为，则，设电阻的真实值为RX，则，。
例9一个待测电阻估计100Ω左右，提供电压表内阻RV=3kΩ，电流表内阻RA=0.2Ω。
用伏安法测该电阻，应采用何种接法误差较小？
分析与解答
，所以，应采用电流表内接法进行测量误差较小。
课外阅读
科学家发现太阳系第十大行星
英国天文学家约翰·默里博士可能发现了太阳系第十大行星。
这颗奇异的行星极为遥远，与目前已知太阳系最远的行星冥王星相比，它的公转轨道大约比冥王星远1000倍，这颗行星距太阳的距离是地球到达太阳距离的3万倍。
默里博士的这个发现源自彗星理论，每一颗彗星都是受外力驱动才进入太阳系的，才能被人们观察到。
默里博士研究了13颗彗星的运行轨道后，他认为存在着一个巨大物体的作用，将那些彗星送入了现在运行的轨道。
这颗行星可能是在别处诞生的一颗新星，在银河系漫游时被太阳系的行星系统捕捉到了，这颗肉眼观测不到的行星体积是已知太阳系中最大行星木星的几倍以上。
这颗行星绕太阳运行一周需要600万年的时间，这一速度可以解释人们以前为什么没有发现它的原因：
是它的移动速度极为缓慢。
思维体操
相隔一定距离的A、B两球，质量相等，假定它们之间在恒定斥力作用，原来两球被按住，处于静止状态，现突然松开两球，同时给A球以速度v0，使之沿两球连线射向B球，B球初速度为零。
若两球间的距离从最小值（两球未接触）到刚恢复至原始值所经历的时间为t0，求B球在斥力作用下的加速度。
分析与解答
方法一：
以m表示每个球的质量，F表示恒定斥力，L表示两球间的原始距离，松开后，A球做初速度为v0的匀减运动，B球作初速为零的匀加速运动。
设在两球的距离由L变小，再恢复到L的过程中，A球的路程为L1，B球的路程为L2。
刚恢复到原始长度时，A球速度为v1，B球速度为v2，由动量守恒定律得mv0=mv1+mv2……①，由功能关系得
②，③，由于初态和末态两球之间的距离相等，故有L1=L2……④，由①②③④解得v2=v0……⑤，当两球速度相等时，距离最小。
设此时球的速度为u，由动量守恒定律得mv0=（m+m）u……⑥，设a为球B的加速度，则有v2=u+at0……⑦由⑤⑥⑦解得。
方示二：
A、B两球速度相等时距离最近，设相等速度为u有mv0=（m+m）u……①,由于A、B质量相等，受力大小相等，所以A、B运动中加速度大小相等，设为a，从A开始运动到A、B相距最近的过程中，A、B通过的位移分别为和。
设A、B最近距离为d，则A、B间原始距离为
……②。
从A、B相距最近到A、B间距恢复原始值过程中，A、B通过的位移分别为和，此时A、B间距仍为L，有……③，由①、②、③解得。
三、智能显示
心中有数
本单元在学习电动势概念的基础上进一步学习了完整电路的欧姆定律，应用欧姆定律讨论了外电阻变化对电流、电压、功率等的影响。
通过这个单元的学习，要求理解电动势概念；熟练掌握闭合电路欧姆定律及其应用；掌握伏安法测电阻的原理和方法。
历年高考对本单元知识的考查，命题多集中在闭合电路欧姆定律上，另外，该部分知识与学生实验结合紧密，因而通过实验考查该部分知识的运用情况，既具体又灵活。
这类题目每年高考试题都有所涉及，在学习中应给予充分的重视。
动手动脑
1．如图所示的电路中，电池的电动势为ε、内阻为r，R1、R2是两个阻值固定的电阻。
当可变电阻器R3的滑片向a端移动时，流过R1的电流I1和流过R2的电流I2将发生如下变化（）。
图2-56
A．I1变大、I2变小B.I1、I2均变大
C．I1变小、I2变大D.I1、I2均变小
分析与解答
滑片移向a端，R3接入电路中阻值变小，外电阻减小，干路电流I变大，路端电压U减小，I1减小，I2=I-I1变大。
C选项对。
2．在图2-57所示电路中，电键K1、K2、K3、K4均闭合，C是极板水平放置的平行极电容器，板间悬浮着一油滴P，断开哪个电键后，P会向下运动？
（）
图2-57
A．K1B.K2C.K3D.K4
分析与解答
P向下运动说明两板间电场强度减小，电压减小。
断开K1对C两端电压无影响；断开K2，C两端电压增大；断开K3，C通过R3放电，电压减小，P向下运动；断开K4，C两端电压不变，答案为B。
图2-58
3．如图2-58所示电路，电源的电动势恒定，要使灯泡变暗，可以（）。
A．增大R1B.减小R1C.增大R2D.减小R2
分析与解答
电容C断路，R与R2并联后与R1串联分压，增大R1或减小R2，都会使灯泡变暗，A，D选项正确。
4．某电炉在额定电压下的功率P0=400W，某电源在不接负载时的路端电压与电炉的额定电压相同。
当电炉接到该电源上时，电炉实际消耗的功率P1=324W。
若将两个这样的电炉并联到该电源上，求这两个电炉实际消耗的总功率P2为多少？
分析与解答
设电炉的电阻为R，且不随温度变化，额定电压为U，有；电炉接上电源后得到的电压为U1，有；电源内阻为r，；两电炉并接入电源上后，电炉得到的电压为U2，有
，两电炉消耗功率；联立以上各式，得。
创新园地
如图2-59所示的电路，电源电动势为ε，内阻与定值电阻的阻值R相同，滑动变阻器的总电阻为2R。
在滑动变阻器的滑片P从上a滑到下端b的过程中，aP间的电阻从小到大，求：
（1）通过电流表的电流强度IA随aP间电阻RX变化的关系式；
（2）IA的最大值和最小值。
图2-59
分析与解答
（1）aP间电阻为RX，bP间电阻为2R-RX，bP间电压为U，现有
，通过电流表的电流
。
（2）由
知，时，IA最小，。
当P在a端时，电源的输出电压
，流过电流表的电流。
当P在b端时，电源输出电压
，流过电流表的电流，为最大值。
流过电流表的最大电流为。
四、同步题库
1．关于电源的电动势，下列说法正确的是（）。
A．电源电动势等于电源正负极间的电压
B．因为ε=U+U'，外电路电压U改变时，ε也改变
C．闭合电路中，电流增大时，内电压增大，外电压也增大，所以电动势增大
D．电动势数值等于电源移送IC电量时，电源提供的电能
2．一节干电池的电动势为1.5V，其物理意义可表达为（）。
A．外电路断开时，路端电压是1.5V
B．外电路闭合时，1秒内它能使1.5C的电量通过导线的某一截面
C．外电路闭合时，1秒内它能向整个电路提供1.5J的能量
D．外电路闭合时，导线某一截面每通过1C电量，整个电路就获得1.5J的电能
3．一个闭合电路中，已知电源每移动1库仑电量就有6J的化学能转变为电能，测得外电压为5.5V，求电源内电压。
移动5C电量时，电源输出的电能是多少？
电源内部发热消耗的电能是多少？
4．由电动势一定的电源和一个固定外电路（外电阻一定）组成的闭合电路中（）。
A．电源的电动势大于路端电压
B．电源电动势等于路端电压
C．电源的内阻越大，路端电压越高
D．电源的总电流越大，路端电压越小
5．如图2-60所示电路，当把K闭合时，（）。
A．V示数变小B.A示数变小
C．V示数变大D.A示数变大
图2-60图2-61
6．如图2-61所示电路，r是电源内阻，R1、R2是外电阻。
如果Pr、P1、P2分别表示电阻r、R1、R2上消耗的功率，当r=R1=时，则Pr:
P1:
P2为（）。
A．2:
1:
1B.4:
1:
2C.9:
4:
2D.18:
8:
1
7．如图2-62所示电路，电源电动势为ε、内阻为r，R2为固定阻值电阻。
当改变R1的阻值时V1的读数减小，则V2的读数将（）。
图2-62
A．减小B.增大C.不变D.不能确定
8．电动势3V的电池，在电路上输出3A的电流，由此可知（）。
A．内外电阻相差1ΩB.内外电阻之和为1Ω
C．外电阻为1ΩD.内电阻为1Ω
9．某一电源分别单独接入R1和R2时，在相等的时间内，外电阻产生的热量相等，则电源内阻为（）。
A．B.1/2（R1+R2）C.R1R2/（R1+R2）D.R1R2
图2-63图2-64
10．如图2-63所示电路，电阻R1=10Ω，R2=20Ω，滑动变阻器的总阻值为50Ω。
当滑动变阻器的触头P由a逐渐滑向b的过程中，电流表A的示数变化情况是（）。
A．逐渐增大B.逐渐减小
C．先增大后减小D.先减小后增大
11．如图2-64所示电路，电键K闭合后与K闭合前相比较，A、B两点的电势变化情况是（）。
图2-65图2-66
A．都升高B.都降低
C．A点升高、B点降低D.A点降低，B点升高
12．如图2-65所示，直线a为某电阻R的U-I图线，直线b为电源的U-I图线。
用该电和该电阻组成闭合电路时，电源的输出功率和电源的内阻分别为（）。
A．4W、0.5ΩB.6W、1Ω
C．4W、1ΩD.2W、0.5Ω
图2-67图2-68
13．如图2-66所示的电路中，电源的电动势为ε，当电路接通后，L1和L2两个灯都不亮，用电压表检查，得UAB=0、UBC=0，UCD=UAD=ε。
由此可知断路的元件是（）
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