高中物理人教版选修33教案 恒定电流.docx

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高中物理人教版选修33教案恒定电流

恒定电流

全章内容

本章是在初中的基础上加以充实和提高．

初中主要有欧姆定律，串并联电路，电功和电热．

提高部分有电阻的测量，半导体和超导，电阻定律．

新加的内容闭合电路欧姆定律，电流表和电压表的原理．

新加的习题有含电容的电路，复杂的串并联电路，非纯电阻电路．

本章的各种实验较多，为此专门有一个实验教案，另外单独列出．

单元划分　

本章可分为六个单元:

第一单元：

第一节、第二节、第三节、第四节；

第二单元：

第五节；

第三单元：

第六节；

第四单元：

第七节、第八节．

全章教学要求

（一）欧姆定律

教学要求

●使学生了解电流形成的条件，掌握电流的概念．

●掌握电阻的概念．

●掌握欧姆定律．

●了解导体的伏安特性曲线．

教学重点

欧姆定律．

教学方式

自学和讨论相结合

教学过程

一、电流

１形成电流的条件

总结：

导体中存在持续电流的条件：

是保持导体两端的电势差．

电源的作用就是保持电路两端的电势差，使电路中有持续的电流．

２电流（I）

为了表征电流的强弱，引入一个物理量——电流（I）

定义：

通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用时间的比值叫做电流．

数学表达式：

说明：

电流的单位：

在国际单位制中，电流的单位是安培，简称安，符号是A．如果在1s内通过导体横截面的电量为1C，导体中的电流就是1A．

另外，电流的单位还有毫安（mA），微安（μA）

1mA=10-3A

1μA=10-6A

３电流的方向

电流可以由正电荷的定向移动形成，也可以是负电荷的定向移动形成，也可以是由正负电荷同时定向移动形成．

习惯上规定：

正电荷定向移动的方向为电流的方向．

说明：

（1）负电荷沿某一方向运动和等量的正电荷沿相反方向运动产生的效果相同．金属导体中电流的方向与自由电子定向移动方向相反．

（2）电流有方向但电流不是矢量．

（3）方向不随时间而改变的电流叫直流；方向和强度都不随时间改变的电流叫做恒定电流．通常所说的直流常常指的是恒定电流．

４

Ｉ＝nqvS

n:

导体内单位体积的自由电荷数；q：

一个自由电荷的电量；v：

电荷的定向移动速成度；S：

导体的横截面积．

二、欧姆定律

德国物理学家欧姆最先用实验研究了电流跟电压，电阻的关系，得出了如下的结论：

导体的电流强度跟它两端的电压成正比，跟它的电阻成反比——欧姆定律．

说明

（1）欧姆定律的数学表达式：

（2）电阻的单位是欧姆，简称欧，符号是Ω

三、导体的伏安特性曲线

线性和非线性

四、小练习：

作业布置

1.阅读课文；2.完成课后练习.

教后记

上课以学生自学为主，效果可以．

同时介绍电荷的流动速度：

一根铜导线，横截面积为1.0mm2,载有1.0安电流,已知铜导线内自由电子的密度n=8.5×1028个/m3,每个电子电量为1.6×10-19C,试求:

铜导线中自由电子定向移动的速度为多大?

（7.4×10-5m/s）

（二）电阻定律

教学要求

●掌握电阻定律

●掌握电阻率的物理意义

教学重点

掌握电阻定律．

教学方式

自学和讨论相结合

教学仪器

教学过程

引子

复习初中导体的电阻与导体本身的哪些属性有关．

1材料2长度3横截面积4温度

讲述电阻产生的原因,分析以上物理量可能对电阻的影响.

一、电阻定律

[实验]在如图所示的电路中，保持BC间的电压不变

1BC间接入同种材料制成的粗细相同，但长度不相同的导线．

现象：

导线越长，电路中电流越小．

计算表明：

对同种材料制成的横截面积相同的导线，电阻大小

跟导线的长度成正比．

2BC间接入同种材料制成的长度相同，但粗细不相同的导线．

现象：

导线越粗，电路中的电流越大

计算表明：

对同种材料制成的长度相同的导线，电阻大小跟导线的横截面种成反比．

即：

导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的横截面积成反比——这就是电阻定律．

………………

（1）

式中的ρ是个比例系数.当我们换用不同材料的导线重做上述实验时会发现:

不同材料的ρ值是不相同的,可见,ρ是个与材料本身有关的物理量,它直接反映了材料导电性的好坏,我们把它叫做材料的电阻率.

………………

（2）

二、电阻率

⑴电阻率ρ的单位由

（2）式可知为:

欧姆米（Ωm）各种材料的电阻率在数值上等于用该材料制成的长度为1m,横截面积为1m2的导体的电阻.但电阻率并不由RS和L决定.

⑵引导学生阅读课本上的表格

三、温度对电阻率的影响

各种材料的电阻率都随温度而变化.a,金属的电阻率随温度的升高而增大,用这一特点可制成电阻温度计（金属铂）.b,康铜,锰铜等合金的电阻率随温度变化很小,故常用来制成标准电阻.c,当温度降低到绝对零度附近时,某些材料的电阻率突然减小到零,这种现象叫做超导现象,处于这种状态的物体叫做超导体.

综上所述可知:

电阻率与材料种类和温度有关.（对某种材料而言,只有温度不变时ρ才是定值,故

（1）式成立的条件是温度不变）

在温度不变时,导线的电阻跟它的长度成正比,跟它的横截面积成反比——这就是电阻定律．

四、小练习

提出问题1：

改变导体的电阻可以通过哪些途径？

回答：

改变电阻可以通过改变导体的长度，改变导体横截面积或是更换导体材料等途径．最简单的方法是通过改变导体的长度来达到改变电阻的目的．（以P31（5）题为例介绍滑线变阻器的构造及工作原理）

提出问题2:

有一个长方体的铜块,边长分别为4米,2米,1米（如图所示）,求它的电阻是多大?

（铜的电阻率为1.7×10-8欧米）.

通过本例注意:

R=ρL/S中S和L及在长度L中,

导体的粗细应该是均匀的.

提出问题3:

一个标有“220V，60W”的白炽灯泡，加上的电压U是由0逐渐增大到220V，在此过程中，电压U和电流I的关系可用图线表示，在下图中的四个图线中，可能符合实际的是（Ｂ）

提出问题4：

一根粗细均匀的电阻丝，当加2V电压时，通过的电流强度为4A．现把此电阻丝均匀拉长，然后加1V的电压，这时电流强度为0.5A.求此时电阻丝拉长后的长度应原来长度的几倍?

（2倍）

提出问题5:

一立方体金属块,每边长2cm,具有5×10-6欧的电阻,现在将其拉伸为100米长的均匀导线,求它的电阻?

（125欧）

作业布置

1.阅读课文；2.完成课后练习.

教后记

（三）串并联电路

教学要求

●使学生理解串联电路的特点，掌握总电阻概念以及串联电路中电流，电压和电功率分配关系及应用

●能根据并联电路的基本特点分析并联电路总电阻的计算公式，电流强度和功率在各支路上的分配规律

●学会用电势分析简单的电路图

教学重点

串并联电路的基本特点．

用电势分析简单的电路图（贯穿全节）

教学方式

自学和讨论相结合

教学过程

一、串联电路：

把导体一个接一个地依次连接起来，所组成的电路就为串联电路．

串联电路的基本特点：

①电路中各处的电流相等；

②电路两端的总电压等于各部分电路两端的电压之和；

串联电路的几个重要性质：

根据串联电路的基本特点和欧姆定律来推导：

①串联电路的总电阻：

（即用一个电阻代替电路中的几个电阻，而效果相同）

故：

串联电路的总电阻等于各段电路中电阻之和．

请学生从电阻定律的角度思考这一结论的正确性．

②串联电路的电压分配：

故：

串联电路中各电阻两端的电压跟它的阻值成正比．

③串联电路的功率分配：

故：

串联电路中各电阻消耗的功率跟它们的阻值成正比．

例：

把阻值不同的灯泡串联接入照明电路中，会看到阻值大的灯泡亮，

表明它消耗的功率大；阻值小的灯泡暗，表明它消耗的功率小．

附：

电路中消耗的总功率等于各个用电器消耗的电功率之和（学生自已证明）

例题分析

例1：

有一盏弧光灯，额定电压为40V，正常工作时通过的电流为5.0A,应该怎样把它连入220V的照明电路中?

☆本例题说明：

串联电阻可以分担一部分电压，使额定电压低的用电器能连到电压高的线路上使用．串联电阻的这种作用叫分压作用，作这种用途的电阻又叫做分压电阻

二、并联电路：

把几个导体并列地连接起来，就组成了并联电路

并联电路的基本特点：

1电路中各支路两端电压相等；

2电路中的总电流等于各支路的电流之和．

并联电路的几个重要性质：

根据并联电路的基体特点和欧姆定律推导：

1并联电路的总电阻：

（即用一个电阻代替并联电路中的几个电阻，而效果相同）

故：

并联电路总电阻的倒数，等于各个导体的电阻的倒数之和．

说明：

如果n个阻值都是r的电阻并联，它的总电阻R=r/n

并联电路的总电阻要比其中最小的电阻还要小．

请学生利用电阻定律说明以上结论的正确性．

2并联电路的电流分配：

故：

并联电路中通过各个电阻的电流跟它的阻值成反比．

说明并联电路的分流作用．

3并联电路的功率分配：

故：

并联电路中各个电阻消耗的功率跟它的阻值成反比．

例：

把几个阻值不同的灯泡并联在照明电路里会发现电阻小的灯亮，表明它消耗的功率大；电阻大的灯泡暗，表明它消耗的功率小．

并联电路习题：

例1：

电阻R1和R2并联在电路中，通过R1的电流强度是通过R2的n倍；则当R1和R2串联在电路中时，R1两端的电压U1和R2两端的电压U2之比（1：

n）

例2：

如图所示，三个阻值相同的电阻接在电路中，已知三个电阻的额定功率均为10W，则AB间允许消耗的最大功率是（B）

A．10WB．15W

C．20WD．30W

作业布置

补充作业

1：

将分别标有“100欧，4W”和“12.5欧，8W”的两个电阻并联后,接入电路,则电路两端允许加的最高电压为（10V）,干路中允许通过的最大电流强度为（0.9A）,这一并联电路的额定功率为（9W）

2：

如图所示的电路中，三个电阻的阻值相等，电流表A1A2和A3的内阻均可不计，它们的读数分别为I1I2和I3，则I1:

I2:

I3=（3：

2：

2）

3：

如图所示中，已知Ｒ1＝Ｒ2＝Ｒ3＝Ｒ4＝Ｒ5＝Ｒ．求ＡB间的总电阻.

4：

一个盒子里装有由导线和几个阻值相同的电阻组成的电路，盒外有4个接线柱，如图所示，已知接线柱13间的电阻是34间电阻的3倍，是14间电阻的1.5倍，接线柱24间没有明显电阻．画出盒内的电路图（用最少的电阻）

教后记

（四）半导体、超导及其应用

教学要求

●知道半导体、超导及其应用

教学方式

自学为主

教学过程

一、简要介绍

利用图片等简要介绍有关半导体、超导的知识．

二、学生阅读

本节以学生阅读为主

作业布置

1.阅读课文；2.课外了解有关内容.

课后阅读

超导体

气体液化问题是19世纪物理的热点之一．1894年荷兰莱顿大学实验物理学教授卡麦林·昂内斯建立了著名的低温试验室．1908年昂内斯成功地液化了地球上最后一种“永久气体”──氦气，并且获得了接近绝对零度（零下273.2摄氏度，标为OK）的低温：

4.25K．──1.15K．（相当于零下摄氏度）．为此，朋友们风趣地称他为“绝对零度先生”．这样低的温度为超导现象的发现提供了有力保证．经过多次实验，1911年昂内斯发现：

汞的电阻在4.2K．左右的低温度时急剧下降，以致完全消失（即零电阻）．1913年他在一篇论文中首次以“超导电性”一词来表达这一现象．由于“对低温下物质性质的研究，并使氦气液化”方面的成就，昂内斯获1913年诺贝尔物理学奖．

　　“超导电性”现象被发现之后，引起了各国科学家的关注和研究，并寄于很大期望．通过研究，人们发现：

所有超导物质，如钛、锌、铊、铅、汞等，当温度降至临界温度（超导转变温度）时，皆显现出某些共同特征：

（1）电阻为零，一个超导体环移去电源之后，还能保持原有的电流．有人做过实验，发现超导环中的电流持续了二年半而无显著衰减；

（2）完全抗磁性．这一现象是1933年德国物理学家迈斯纳等人在实验中发现的，只要超导材料的温度低于临界温度而进入超导态以后，该超导材料便把磁力线排斥体外，因此其体内的磁感应强度总是零．这种现象称“迈斯纳效应”．

　　超导电性的本质究竟是什么．一开始人们便从实验和理论两个方面进行探索．不少著名科学家为此负出了巨大努力．然而直到50年人才获得了突破性的进展，“BCS”理论的提出标志着超导电性理论现代阶段的开始．“BCS”理论是由美国物理学家巴丁、库珀和施里弗于1957年首先提出的，并以三位科学家姓名第一个大写字母命名这一理论．这一理论的核心是计算出导体中存在电子相互吸引从而形成一种共振态，即存在“电子对”．

　　1962年英国剑桥大学研究生约瑟夫森根据“BCS”理论预言，在薄绝缘层隔开的两种超导材料之间有电流通过，即“电子对”能穿过薄绝缘层（隧道效应）；同时还产生一些特殊的现象，如电流通过薄绝缘层无需加电压，倘若加电压，电流反而停止而产生高频振荡．这一超导物理现象称为“约瑟夫森效应”．这一效应在美国的贝尔实验室得到证实．“约瑟夫森效应”有力的支持了“BCS理论”．因此．巴丁、库珀、施里弗荣获1972年诺贝尔物理奖．约瑟夫森则获得1973年度诺贝尔物理奖．

　　超导体的研究60年代以来，重心逐渐转向对超导新材料的开发方面．开发高临界温度的超导体材料将能为超导体的大规模应用创造条件．

　　德国物理学家柏诺兹和瑞士物理学家缪勒从1983年开始集中力量研究稀土元素氧化物的超导电性．1986年他们终于发现了一种氧化物材料，其超导转变温度比以往的超导材料高出12度．这一发现导致了超导研究的重大突破，美国、中国、日本等国的科学家纷纷研究，很快就发现了在液氮温度区获（-196C．以下）得超导电性的陶瓷材料，此后不断发现高临界温度的超导材料．这就为超导的应用提供了条件．柏诺兹和缪勒也因此获1987年诺贝尔物理奖．

超导电性现象被发现之后，不少人就想到了如何应用的问题．由于当时很多问题在技术上一时还难以解决，应用还只是可望不可及的事情．随着近年来研究工作的深入，超导体的某些特性已具有实用价值，例如超导磁浮列车已在某些国家进行试验，超导量子干涉器也研制成功，超导船、用约瑟夫森器件制成的超级计算机等正在研制过程中，超导体材料已经深入到科研、工业和人们的生活之中

（五）电功和电功率

教学要求

●使学生加深理解电功和电功率概念，并掌握各公式的运用条件及有关计算

●知道在有非纯电阻元件的电路中，电功大于电热的道理

教学重点

区别并掌握电功和电热的计算．

教学方式

自学和讨论相结合

教学过程

一、电功

初中学习电功概念是直接给出电功公式：

W=UIt……………………

（1）式

教师引导学生用电场理论再重新分析一下上述结论．

例：

如图所示．电场中AB两点间的电势差为UAB．现有带电量+q的电荷在电场力作用下自A搬动到B点．电场力做多少功？

W=Uq……………………

（2）式

如果在导体两端加上电压，导体内就建立了电场，电场力在推动自由电子定向移动时要做功，设导体两端的电压为U，通过导体横截面的电量为q．则电场力做的功为W=Uq，由q=It得

W=UIt……………………（3）

说明：

a．在一段电路上，电场力做的功常说成是电流做的功，简称电功．

b．电功公式的物理意义：

电流在一段电路上所做的功，跟这段电路两端的电压，电路中的电流强度和通电时间成正比．

C．（3）式中W，U，I，t的单位分别是焦耳，伏特，安培，秒．

二、电功率

为了描述电流做功的快慢，引入了一个物理量——电功率（P）．

定义：

电流所做的功跟完成这些功所用的时间的比值叫做电功率．

数学表达式：

P=W/t……………………（4）式

P=UI……………………（5）式

说明：

a．（5）式中PUI的单位分别是瓦，伏，安．

b.一段电路上的电功率,跟这段电路两端的电压和电路中的电流强度成正比.

c.用电器上一般标有电功率和电压——它们分别是用电器的额定功率和额定电压．

每个用电器正常工作时所需要的电压叫做额定电压，在这个电压下消耗的功率称为额定功率.

三、焦耳定律

英国物理学家焦耳（1818～1889）经过长期的实验研究后指出：

电流通过导体产生的热量，跟电流的二次方，导体的电阻和通电时间成正比——焦耳定律．

Q=I2Rt

说明：

a.上式表明电流通过导体时要发热,焦耳定律就是研究电流热效应定量规律的．

b.式中各量的单位.

四、电功和电热的关系

设问:

电流通过电路时要做功,同时,一般电路都是有电阻的,因此电流通过电路时也要生热.那么,电流做的功跟它产生的热之间,又有什么关系呢?

1.纯电阻电路.

如图所示,电阻R,电路两端电压U,通过的电流强度I.

电功即电流所做的功:

W=UIt.

电热即电流通过电阻所产生的热量:

Q=I2Rt

由部分电路欧姆定律:

U=IR

W=UIt=I2Rt=Q

表明:

在纯电阻电路中,电功等于电热.也就是说电流做功将电能全部转化为电路的内能（热能）.

电功表达式:

W=UIt=I2Rt=（U2/R）/t

电功率的表达式:

P=UI=I2R=U2/R

2.非纯电阻电路.

如图所示,电灯L和电动机M的串联电路中,电能各转化成什么能?

电流通过电灯L时,电能转化为内能再转化为光能.电流通过电动机时,电能转化为机械能和内能.

电流通过电动机M时

电功即电流所做的功（电动消耗的电能）:

W=UIt

电热即电流通过电动机电阻时所产生的热量:

Q=I2Rt

W（=UIt）=机械能+Q（=I2Rt）

表明:

在包含有电动机,电解槽等非纯电阻电路中,电功仍等于UIt,

电热仍等于I2Rt.但电功不再等于电热而是大于电热了.UIt＞I2Rt

电功表达式:

W=UIt≠Q=I2Rt

电功率表达式:

P=UI≠I2R

发热功率表达式:

P=I2R≠UI

五、练习

例1：

一台电动机，额定电压是110V,电阻是0.40欧,正常工作时通过电流为50安.求每秒钟电流所做的功.每秒钟产生的热量.

例2：

维修电炉时，将电阻丝的长度缩短十分之一，则修理后的电炉的功率和维修前的功率之比是（B）

A．9：

10B．10：

9C．10：

11D．11：

10

例3：

如果不考虑温度对电阻的影响，一个“220V，40W”的白炽泡（BD）

A．接在110V的线路上它的功率为20W

B．接在110V的线路上它的功率为10W

C．接在55V的线路上它的功率为10W

D．接在55V的线路上它的功率为2.5W

例4:

有一个直流电动机,把它接入0.2V电压的电路时,电机不转,测得流过电动机的电流是0.4A,若把电动机接入2.0V电压的电路中,电动机正常工作,工作电流是1.0A,求电动机正常工作时的输出功率多大?

如果在电动机正常工作时,转子突然被卡住，电动机的发热功率是多大？

（1.5W8W）

例5:

一台小型电动机,电枢电阻为20欧,接在电压为120V的电源上,求:

当输入电动机的电强度为多大时,电动机可得到最大的输出功率?

最大输出功率为多少?

解:

电动机为非纯电阻电路故:

IU=I2R+P出

P出=-I2R+IU

当I=－U/2（－R）＝3（A）时电动机有最大的输出功率

电动机有最大的输出功率P出＝-32×20﹢3×120＝180（W）

作业布置

1.阅读课文；2.完成课后练习.

教后记

用电器就是将电能转化成其他形式能的设备．

例:

电动机工作是将电能转化为机械能

电热器工作是将电能转化为内能

电解槽工作是将电能转化为化学能

用电器将电能转化为其他形式能的过程，就是电流做功的过程．

（六）闭合电路欧姆定律

教学要求

●懂得电动势是为了表征电源的特性而引入的概念,它在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压

●导出闭合电路的欧姆定律I=ε/（R+r）

●研究路端电压的变化规律,掌握闭合电路中的U-R关系,U-I关系.

●学会运用闭合电路的欧姆定律解决简单电路的问题.

教学重点

研究路端电压的变化规律,掌握闭合电路中的U-R关系,U-I关系.

教学方式

讲授和讨论相结合

教学过程

一、电动势

同种电源两极间的电压相同,不同种类的电源两极间电压不同.这说明电源两极间的电压是由电源本身的性质决定的.为了表征电源的这种特性,物理学中引入了电动势的概念.

电源电动势在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压.用符号ε表示,单位是伏特.

电动势的物理意义：

表征了电源把其它形式的能转化为电能的本领．故ε在数值上等于电路中通过1库仑电量时电源所提供的能量.

二、闭合电路的欧姆定律

１学生推导

推导闭合电路的欧姆定律的数学表达式,并说明其物理意义.

给出条件:

闭合电路中,电源电动势为ε,内电阻为r,外电阻为R,电路中的电流强度为I.

提出要求:

寻找IεRr的关系.

２得出结论

闭合电路里的电流强度，跟电源的电动势成正比，跟整个电路的电阻成反比.这就是闭合电路的欧姆定律.

三、路端电压随外电阻的变化规律

如果把外电路电阻的数值改变了，可以肯定路端电压是会变化的。

在ε和r不变的情况下，路端电压随外电阻变化的规律究竟是怎样的呢？

ε＝U+Ir（电压形式）

Ir表示内电阻U’；U表示路端电压

U随着R的增大而增大

路端电路随外部电阻的变化而发生变化的原因是电源有内阻r；

外电路断开时，R--∞U=ε即路端电压等于电源电动势。

这正是表明可以用伏特表直接测量电源电动势的道理。

外电路短路时，R=0U=0I=ε/r由于r一般很小，所以短路电流很大.电流太大不但会烧坏电源,还可能引起火灾,要注意避免发生.

四、U-I关系

U＝ε-Ir（U＝-Ir+ε）

讲解图象的物理意义

ε表示电动势

ε/r表示短路电流

斜率的绝对值表示电源内阻

五、电源的功率

εI＝UI+I2r（功率形式）

式中P总=εIP出=UIP内=I2r

电源的效率：

讲电源的最大输出功率（见教后记）

六、例题和练习

例1：

如图所法,当滑线变阻器的滑动触点向上端移动时（A）

A.

伏特表V的读数增大,安培表A的读数减小

B.伏特表V和安培表A的读数都增大

C.伏特表V和安培表A的读数都减小

D.伏特表V的读数减小,安培表A的读数增大

思考：

如图所示电路中，电源电动势和内电阻为定值，固定电阻的阻值Ｒ２小于变阻器ａｂ两端之间的总阻值Ｒ３，Ｒ1≠０。

当变阻器的滑片Ｐ从ａ向ｂ移动过程中，两电压表Ｖ１和Ｖ２的示数变化是（D）

A.V1变大,V2变大

B.V1变大,V2变小

C.V1先变大后变小,V2先变大后变小

D.V1先变大后变小,V2总增大

例2:

如图,A灯与B灯电阻相同,当滑动变阻器滑动片向下滑动时,两灯的变化是（C）

A.A灯变亮,B灯变亮

B.A灯变暗,B灯变亮

C.A灯变暗,B灯变暗

D.A灯变亮,B灯变暗

思考:

如图,当滑动变阻器的滑动片P向左端滑动时（B）

A.安培表的示数减小,伏特表的示数增大

B.安培表的示数增大,伏特表的示数减小

C.安培表和伏特表示数都减小

D.安培表和伏特表示数都增大

例3:

如图所示,R1=14欧,R2=9欧,只闭合电键S1时,电流表的读数为0.2A;只闭合电键S2时,电流表的读数为0.3A.当S1和S2同时闭合时,电流表的读数为多少?

（0.46A）

思考:

电源电动势ε=6V,内电阻r=0.5欧,当它和一只外电阻连接时电源输出功率为10