《1電源和電流》教學(xué)設(shè)計(jì)(安徽省市級優(yōu)課)x-物理教案

第1節(jié)電流電阻電功率及焦耳定律考綱要求1、電流，歐姆定律，電阻和電阻定律Ⅱ2、電阻率與溫度的關(guān)系Ⅰ3、半導(dǎo)體及其應(yīng)用，超導(dǎo)及其應(yīng)用Ⅰ4、電阻的串，并聯(lián)，串聯(lián)電路的分壓作用，并聯(lián)電路的分流作用Ⅱ5、電功和電功率，串聯(lián)，并聯(lián)電路的功率分配Ⅱ6、電源的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻，閉合電路的歐姆定律，路端電壓Ⅱ7、電流、電壓和電阻的測量；電流表、電壓表和多用電表的使用、伏安法測電阻Ⅱ知識網(wǎng)絡(luò)：單元切塊：按照考綱的要求，本章內(nèi)容可以分成三部分，即：基本概念和定律；串并聯(lián)電路、電表的改裝；閉合電路歐姆定律。其中重點(diǎn)是對基本概念和定律的理解、熟練運(yùn)用歐姆定律和其他知識分析解決電路問題。難點(diǎn)是電路的分析和計(jì)算。第1節(jié)電流電阻電功率及焦耳定律教學(xué)目標(biāo)：1．掌握電流、電阻、電功、電熱、電功率等基本概念；2．掌握部分電路歐姆定律、電阻定律3．知道電阻率與溫度的關(guān)系，了解半導(dǎo)體及其應(yīng)用，超導(dǎo)及其應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)：部分電路歐姆定律、電阻定律教學(xué)難點(diǎn)：部分電路歐姆定律、電阻定律的應(yīng)用教學(xué)方法：講練結(jié)合，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)教學(xué)過程：一、基本概念和定律1.電流電流的定義式：，適用于任何電荷的定向移動(dòng)形成的電流。對于金屬導(dǎo)體有I=nqvS（n為單位體積內(nèi)的自由電子個(gè)數(shù)，S為導(dǎo)線的橫截面積，v為自由電子的定向移動(dòng)速率，約10-5m/s，遠(yuǎn)小于電子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率105m/s，更小于電場的傳播速率3×108m/s），這個(gè)公式只適用于金屬導(dǎo)體，千萬不要到處套用。注意：在電解液導(dǎo)電時(shí)，是正負(fù)離子向相反方向定向移動(dòng)形成電流，在用公式I＝q／t計(jì)算電流強(qiáng)度時(shí)應(yīng)引起注意。2.電阻定律導(dǎo)體的電阻R跟它的長度l成正比，跟它的橫截面積S成反比。（1）ρ是反映材料導(dǎo)電性能的物理量，叫材料的電阻率（反映該材料的性質(zhì)，不是每根具體的導(dǎo)線的性質(zhì)）。單位是Ωm。（2）純金屬的電阻率小，合金的電阻率大。⑶材料的電阻率與溫度有關(guān)系：①金屬的電阻率隨溫度的升高而增大（可以理解為溫度升高時(shí)金屬原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，對自由電子的定向移動(dòng)的阻礙增大。）鉑較明顯，可用于做溫度計(jì)；錳銅、鎳銅的電阻率幾乎不隨溫度而變，可用于做標(biāo)準(zhǔn)電阻。②半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而減?。梢岳斫鉃榘雽?dǎo)體靠自由電子和空穴導(dǎo)電，溫度升高時(shí)半導(dǎo)體中的自由電子和空穴的數(shù)量增大，導(dǎo)電能力提高）。③有些物質(zhì)當(dāng)溫度接近0K時(shí)，電阻率突然減小到零——這種現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象。能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物體叫超導(dǎo)體。材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度叫超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度TC。我國科學(xué)家在1989年把TC提高到130K。現(xiàn)在科學(xué)家們正努力做到室溫超導(dǎo)。注意：公式R＝是電阻的定義式，而R=ρ是電阻的決定式R與U成正比或R與I成反比的說法是錯(cuò)誤的，導(dǎo)體的電阻大小由長度、截面積及材料決定，一旦導(dǎo)體給定，即使它兩端的電壓U＝0，它的電阻仍然照舊存在。3.歐姆定律IOUIOUOIU1212R1<R2R1>R2電阻的伏安特性曲線：注意I-U曲線和U-I曲線的區(qū)別。還要注意：當(dāng)考慮到電阻率隨溫度的變化時(shí)，電阻的伏安特性曲線不再是過原點(diǎn)的直線?！纠?】實(shí)驗(yàn)室用的小燈泡燈絲的I-U特性曲線可用以下哪個(gè)圖象來表示：A.B.C.D.A.B.C.D.IIIIoUoUoUoU解：燈絲在通電后一定會(huì)發(fā)熱，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)才會(huì)發(fā)出可見光，這時(shí)溫度能達(dá)到很高，因此必須考慮到燈絲的電阻將隨溫度的變化而變化。隨著電壓的升高，電流增大，燈絲的電功率將會(huì)增大，溫度升高，電阻率也將隨之增大，電阻增大，。U越大I-U曲線上對應(yīng)點(diǎn)于原點(diǎn)連線的斜率必然越小，選A?！纠?】PUPU2oPU2oPU2oPU2o4.電功和電熱電功就是電場力做的功，因此是W=UIt；由焦耳定律，電熱Q=I2Rt。其微觀解釋是：電流通過金屬導(dǎo)體時(shí)，自由電子在加速運(yùn)動(dòng)過程中頻繁與正離子相碰，使離子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，而電子速率減小，可以認(rèn)為自由電子只以某一速率定向移動(dòng)，電能沒有轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，只轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。（1）對純電阻而言，電功等于電熱：W=Q=UIt=I2Rt=（2）對非純電阻電路（如電動(dòng)機(jī)和電解槽），由于電能除了轉(zhuǎn)化為電熱以外還同時(shí)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或化學(xué)能等其它能，所以電功必然大于電熱：W>Q，這時(shí)電功只能用W=UIt計(jì)算，電熱只能用Q=I2Rt計(jì)算，兩式不能通用。為了更清楚地看出各概念之間區(qū)別與聯(lián)系，列表如下：注意：1、電功和電熱的區(qū)別：（1）純電阻用電器：電流通過用電器以發(fā)熱為目的，例如電爐、電熨斗、電飯鍋、電烙鐵、白熾燈泡等。（2）非純電阻用電器：電流通過用電器是以轉(zhuǎn)化為熱能以外的形式的能為目的，發(fā)熱不是目的，而是不可避免的熱能損失，例如電動(dòng)機(jī)、電解槽、給蓄電池充電、日光燈等。在純電阻電路中，電能全部轉(zhuǎn)化為熱能，電功等于電熱，即W=UIt=I2Rt=t是通用的，沒有區(qū)別，同理P=UI=I2R=也無區(qū)別，在非純電阻電路中，電路消耗的電能，即W=UIt分為兩部分，一大部分轉(zhuǎn)化為其它形式的能；另一小部分不可避免地轉(zhuǎn)化為電熱Q=I2Rt，這里W=UIt不再等于Q=I2Rt，應(yīng)該是W=E其它+Q，電功就只能用W=UIt計(jì)算，電熱就只能用Q=I2Rt計(jì)算。2、關(guān)于用電器的額定值問題額定電壓是指用電器在正常工作的條件下應(yīng)加的電壓，在這個(gè)條件下它消耗的功率就是額定功率，流經(jīng)它的電流就是它的額定電流。如果用電器在實(shí)際使用時(shí)，加在其上的實(shí)際電壓不等于額定電壓，它消耗的功率也不再是額定功率，在這種情況下，一般可以認(rèn)為用電器的電阻與額定狀態(tài)下的值是相同的，并據(jù)此來進(jìn)行計(jì)算。【例3】某一電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電壓U1=10V時(shí)帶不動(dòng)負(fù)載，因此不轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)電流為I1=2A。當(dāng)電壓為U2=36V時(shí)能帶動(dòng)負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)電流為I2=1A。求這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率是多大？解：電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)可視為為純電阻，由歐姆定律得，，這個(gè)電阻可認(rèn)為是不變的。電動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸入的電功率為P電=U2I2=36W，內(nèi)部消耗的熱功率P熱==5W，所以機(jī)械功率P=31W由這道例題可知：電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)電流較大，容易被燒壞；正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流反而較小。【例4】某一直流電動(dòng)機(jī)提升重物的裝置，如圖所示，重物的質(zhì)量m=50kg，電源提供給電動(dòng)機(jī)的電壓為U=110V，不計(jì)各種摩擦，當(dāng)電動(dòng)機(jī)以v=0.9m/s的恒定速率向上提升重物時(shí)，電路中的電流強(qiáng)度I=5.0A，求電動(dòng)機(jī)的線圈電阻大小（取g=10m/s2）.解析：電動(dòng)機(jī)的輸入功率P＝UI，電動(dòng)機(jī)的輸出功率P1=mgv，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱功率P2=I2r而P2=P-P1，即I2r=UI－mgv代入數(shù)據(jù)解得電動(dòng)機(jī)的線圈電阻大小為r=4Ω【例5】來自質(zhì)子源的質(zhì)子（初速度為零），經(jīng)一加速電壓為800kV的直線加速器加速，形成電流強(qiáng)度為1mA的細(xì)柱形質(zhì)子流。已知質(zhì)子電荷e=1.60×10-19C。這束質(zhì)子流每秒打到靶上的質(zhì)子數(shù)為_________。假定分布在質(zhì)子源到靶之間的加速電場是均勻的，在質(zhì)子束中與質(zhì)子源相距L和4L的兩處，各取一段極短的相等長度的質(zhì)子流，其中的質(zhì)子數(shù)分別為n1和n2，則n1∶n2=_______。L4LL4L質(zhì)子源v1v2由于各處電流相同，設(shè)這段長度為l，其中的質(zhì)子數(shù)為n個(gè)，則由。而二、針對練習(xí)1.關(guān)于電阻率，下列說法中不正確的是A.電阻率是表征材料導(dǎo)電性能好壞的物理量，電阻率越大，其導(dǎo)電性能越好B.各種材料的電阻率都與溫度有關(guān)，金屬的電阻率隨溫度升高而增大C.所謂超導(dǎo)體，當(dāng)其溫度降低到接近絕對零度的某個(gè)臨界溫度時(shí)，它的電阻率突然變?yōu)榱鉊.某些合金的電阻率幾乎不受溫度變化的影響，通常都用它們制作標(biāo)準(zhǔn)電阻A.4A B.2AC.A D.A3.如圖所示，兩段材料相同、長度相等、但橫截面積不等的導(dǎo)體接在電路中，總電壓為U，則①通過兩段導(dǎo)體的電流相等②兩段導(dǎo)體內(nèi)的自由電子定向移動(dòng)的平均速率不同③細(xì)導(dǎo)體兩端的電壓U1大于粗導(dǎo)體兩端的電壓U2④細(xì)導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度大于粗導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度A.① B.①②C.①②③ D.①②③④4.如圖1—28—3所示，a、b、c、d是滑動(dòng)變阻器的4個(gè)接線柱，現(xiàn)把此變阻器串聯(lián)接入電路中并要求滑片P向接線柱c移動(dòng)時(shí)，電路中的電流減小，則接入電路的接線柱可能是A.a和b B.a和c C.b和c D.b和d5.一個(gè)標(biāo)有“220V、60W”的白熾燈泡，加上的電壓U由零逐漸增大到220V，在此過程中，電壓（U）和電流（I）的關(guān)系可用圖象表示，題中給出的四個(gè)圖線中，肯定不符合實(shí)際的是6.一根粗細(xì)均勻的導(dǎo)線，兩端加上電壓U時(shí)，通過導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度為I，導(dǎo)線中自由電子定向移動(dòng)的平均速度為v，若導(dǎo)線均勻拉長，使其半徑變?yōu)樵瓉淼?，再給它兩端加上電壓U，則A.通過導(dǎo)線的電流為B.通過導(dǎo)線的電流為C.自由電子定向移動(dòng)的平均速率為D.自由電子定向移動(dòng)的平均速率為7.如圖所示，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑鍵從最左端向右滑過2R/3時(shí)，電壓表的讀數(shù)由U0增大到2U0，若電源內(nèi)阻不計(jì)，則下列說法中正確的是A.通過變阻器R的電流增大為原來的2倍B.變阻器兩端的電壓減小為原來的倍C.若R的阻值減小到零，則電壓表的示數(shù)為4U0D.以上說法都正確1.A2.A3.D利用I=neSv及R=ρ進(jìn)行分析.4.CD5.ACD6.BC7.ABCD實(shí)際中的電壓表接在電路中可以看成一個(gè)電阻，其表的示數(shù)則為這個(gè)電阻兩端的電壓，結(jié)合電源兩端電壓不變進(jìn)行分析.8.AD由圖知，常溫下其電阻較小，通入電流后，隨著溫度升高，其電阻率先變小，然后迅速增大，其功率先變大后變小，當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與放出的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1~t2之間的某一值不變，如果溫度再升高，電阻率變大，導(dǎo)致電流變小，那么溫度隨之會(huì)降低；如果溫度降低，電阻率變小，導(dǎo)致電流變大，溫度又會(huì)升上去.8.家用電熱滅蚊器電熱部分的主要器件是PCT元件，PCT元件是由鈦酸鋇等導(dǎo)體材料制成的電阻器，其電阻率ρ與溫度t的關(guān)系如圖所示.由于這種特性，PCT元件具有發(fā)熱、控溫雙重功能.對此，以下判斷中正確的是A.通電后，其電功率先增大后減小B.通電后，其電功率先減小后增大C.當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1或t2不變D.當(dāng)其產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量相等時(shí)，溫度保持在t1至t2間的某一值不變9.在電解槽中，1min內(nèi)通過橫截面的一價(jià)正離子和一價(jià)負(fù)離子的個(gè)數(shù)分別為1.125×1021和7.5×1020，則通過電解槽的電流為_______.10.若加在導(dǎo)體兩端的電壓變?yōu)樵瓉淼臅r(shí)，導(dǎo)體中的電流減小0.2A，如果所加電壓變?yōu)樵瓉淼?倍，則導(dǎo)體中的電流將變?yōu)開______.11.如圖所示，電源可提供U=6V的恒定電壓，R0為定值電阻，某同學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)誤將一電流表（內(nèi)阻忽略）并聯(lián)于Rx兩端，其示數(shù)為2A，當(dāng)將電流表換成電壓表（內(nèi)阻無限大）后，示數(shù)為3V，則Rx的阻值為_______Ω.12.將阻值為16Ω的均勻電阻絲變成一閉合圓環(huán)，在圓環(huán)上取Q為固定點(diǎn)，P為滑鍵，構(gòu)成一圓形滑動(dòng)變阻器，如圖1—28—8所示，要使Q、P間的電阻先后為4Ω和3Ω，則對應(yīng)的θ角應(yīng)分別是_______和_______.9.5A10.1.2A11.312.π;或π.圓形滑動(dòng)變阻器Q、P之間的電阻為兩段圓弧的電阻R1、R2并聯(lián)所得的總電阻，找出總電阻與θ關(guān)系即可求解.13.2.5km14.S≥（2）因CD間的電壓最大值為U/2，即Umax′=U/2，所以amax=g.13.甲、乙兩地相距6km，兩地間架設(shè)兩條電阻都是6Ω的導(dǎo)線.當(dāng)兩條導(dǎo)線在甲、乙兩地間的某處發(fā)生短路時(shí)，接在甲地的電壓表，如圖所示，讀數(shù)為6V，電流表的讀數(shù)為1.2A，則發(fā)生短路處距甲地多遠(yuǎn)？14.某用電器離電源Lm，線路上電流為IA，若要求線路上電壓不超過UV，輸電線電阻率為ρΩ·m，則該輸電線的橫截面積需滿足什么條件?15.如圖所示是一種懸球式加速度儀.它可以用來測定沿水平軌道做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的列車的加速度.m是一個(gè)金屬球，它系在細(xì)金屬絲的下端，金屬絲的上端懸掛在O點(diǎn)，AB是一根長為l的電阻絲，其阻值為R.金屬絲與電阻絲接觸良好，摩擦不計(jì).電阻絲的中點(diǎn)C焊接一根導(dǎo)線.從O點(diǎn)也引出一根導(dǎo)線，兩線之間