高中物理 第二章 恒定电流 第二节 电动势示范教案 新人教版选修31.docx
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高中物理第二章恒定电流第二节电动势示范教案新人教版选修31
2019-2020年高中物理第二章恒定电流第二节电动势示范教案新人教版选修3-1
教学分析
电动势是本章的一个难点。
教科书明确提出了“非静电力”的概念，让学生从功和能的角度理解非静电力，知道非静电力在电路中所起的作用，并能从“非静电力”做功的角度去理解电动势的概念。
同时为了降低难度，教科书直接给出了电动势的定义式，但只是说“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”，没有用比值的方法严格定义。
电源的内阻在后面的闭合电路欧姆定律学习中很重要，本节作了一些铺垫。
我们常说要让学生经历科学过程，其形式是多种多样的。
学生可以通过讨论或实验认识新的规律，通过阅读来了解前人的工作过程，跟着教师的思路一环套一环地接受新的概念等，这都是经历科学过程的不同形式。
教学目标
1．知道电源是将其他形式的能转化成为电能的装置。
2．了解电路中（电源外部和内部）自由电荷定向移动过程中，静电力和非静电力做功与能量转化的关系。
3．了解电源电动势的基本含义，知道它的定义式。
4．理解电源内电阻。
教学重点难点
电动势概念的建立是重点也是难点。
此套书多处对“通过做功研究能量”的思想都有阐述和铺垫，此处再次运用这种功能关系的观点来学习电动势。
可以使学生对电源电动势有深刻的理解，同时也很好地培养了学生的理性思维习惯。
本节课从静电力做功和非静电力做功进行比较建立电动势的概念。
也为后面第7节闭合电路的欧姆定律学习作了铺垫。
教学方法与手段
实验演示、逻辑推理。
在电压和电动势这两个容易混淆的概念中通过静电力做功和非静电力做功进行比较教学，建立新的概念。
教学媒体
金属板、酸溶液、灵敏电流计、多种型号的干电池、学生电源、导线、电键、小灯泡、投影仪。
知识准备
1．课前复习：
电势差的定义式：
U＝
。
2．课前说明：
在金属导体中，能够自由移动的电荷是自由电子，由于它们带负电荷，电子向某一方向的定向移动相当于正电荷向相反方向的定向移动。
为了方便本节按照正电荷移动的说法进行讨论。
导入新课
[事件1]
教学任务：
承接上一节课的知识，导入新课。
师生活动：
由上一节“电源和电流”知道，电路中之所以能有持续的电流，是因为在电源两极聚集了大量的正负电荷，导线中存在着电场，导线中的电荷在电场力作用下从正极向负极运动。
同时一个新的问题提出，电源的两极聚集了大量的正负电荷，在电源内部也应该有电场。
那么，在电源内部电荷是如何运动到两极的呢？
对于电源我们能知道一些什么呢？
这一节就来研究电源。
（投影展示图1。
）
图1
提出问题，引发讨论。
学生讨论：
电源内部电荷是如何运动到两极的呢？
结论：
电源内部应该还有除了电场力之外的其他力。
推进新课
[事件2]
教学任务：
提出电源中“非静电力”的概念。
师生活动：
推理：
在导线中，电荷在电场力作用下由电源的正极移动到电源的负极，在电源内部就要不断地有电荷由负极移动到正极（假设移动的电荷是正电荷），而电源内部也有从正极指向负极的电场，所以就要有除静电场力之外的“非静电力”来搬运电荷。
【演示】利用化学电源进行演示实验，让学生观察到“金属板插入酸溶液中，板与溶液之间出现电势差，而且电源的极性与电场力移动电荷的方向相反”。
通过实验，学生不难得出“由化学反应提供非静电力”的结论。
学生讨论：
图2
发电机是通过什么作用提供“非静电力”的。
结论：
电源提供“非静电力”将电荷由负极搬运到正极，满足形成持续电流的需要。
（投影展示图2）
[事件3]
教学任务：
非静电力做功将其他形式的能转化成电势能。
师生活动：
在电源内部，“非静电力”克服电场力做功，使电源储存了电势能。
通过上面的铺垫让学生组织语言描述电源是一个什么样的装置。
（培养学生用物理语言进行表述的能力）
结论：
电源是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电势能的装置。
[事件1]、[事件2]、[事件3]整体体现了探究性学习的学习过程——提出问题、提出假设、实验验证、得出结论。
[事件4]
教学任务：
分清内外电路，明确整个回路中能量转化的情况。
师生活动：
【演示】
连接如图3，闭合开关，灯泡亮。
图3
观察与描述：
学生观察实验，描述整个回路中的能量转化情况。
总结与归纳：
学生归纳实验结论，其他学生补充完善。
整个电路由内、外两部分组成，外电路指从电源正极经过导线、用电器再回到电源负极的那部分电路，在外电路中正电荷是从电源正极向负极运动，而内电路是指电源内部的那部分电路，正电荷在内电路中是从负极向正极运动。
在外电路中电能转化为其他形式的能；在内电路中其他形式的能转化为电能。
[事件5]
教学任务：
静电力做功和非静电力做功的比较。
（1）外电路要有持续的电流，就必须提供恒定的电压。
在这个恒定的电压的作用下，电场力做功将电能转化为其他形式的能。
电压U等于电场力做功W静电力与移动电荷q的比值。
U＝
即如果是静电力做功，电势能减少，移送单位正电荷减少的电势能就是电压。
（2）在内电路中（电源）“非静电力”做功搬运电荷，为外电路提供电压。
电源这种为外电路提供电压的本领我们就叫它电动势。
与电压U等于电场力做功W静电力与移动电荷q的比值相对应，电动势E等于非静电力做功W非静电力与移动电荷q的比值。
E＝
即如果是非静电力做功，电势能增加，将单位正电荷从电源的负极移动到正极所增加的电势能就是电动势。
[事件6]
教学任务：
建立电动势的概念。
根据[事件5]让学生总结电动势的定义，然后老师归纳如下：
电动势的定义：
电动势是一个表征电源特征的物理量，是电源将其他形式的能转化为电能的本领，在数值上，等于非静电力将单位正电荷从电源的负极通过电源内部移送到正极时所做的功。
用公式推导出电动势的单位。
单位：
从公式来看与电压的单位相同，是伏特（V）。
电动势的物理意义：
在电源内部，电动势等于非静电力把单位正电荷从负极移送到正极时所做的功。
电动势与电源中非静电力的特性有关，跟电源的体积无关，也跟外电路无关。
[事件5]和[事件6]的分析为第7节闭合电路的欧姆定律推导作了充分的铺垫。
观察并讨论：
展示不同型号的干电池，每节干电池都标记着1.5V的电动势。
结论：
电动势是电源特性，是一个不变的物理量。
[事件7]
教学任务：
电源的内阻。
电源内部（内电路）也是由导体组成，所以也有电阻，这个电阻叫做电源的内电阻。
内阻和电动势都是电源的重要参数。
[事件7]的讲授比较简单。
只要将结论给学生即可。
[事件8]
教学任务：
课堂巩固练习。
例1下面是对电源电动势概念的认识，你认为正确的是（ ）
A．同一电源接入不同的电路，电动势就会发生变化
B．1号干电池比7号干电池大，但电动势相同
C．电源电动势表征了电源把其他形式的能转化为电能的本领，电源把其他形式的能转化为电能越多，电动势就越大
D．电动势、电压和电势差虽名称不同，但物理意义相同，所以单位也相同
解析：
题目中A、B项考查了“电动势是表征电源特性的物理量”这个结论。
C项考查了用能量的观点对电动势的理解。
D项考查了电动势和电压的区别。
答案：
B
例2下图是两个电池外壳上的说明文字。
某型号进口电池
某型号国产电池
Cd
GNY0.6（KRAA）
1.2V 600mA·h
RECHARGEABLE
STANDARDCHARGE
15hat60mA
上述进口电池的电动势是______V。
上述国产电池最多可放出______mA·h的电荷量；若该电池平均工作电流为0.03A，则最多可使用______h。
解答：
（1）1.2 600 20
[事件9]
教学任务：
引导学生用已有的知识通过逻辑推理，建立新的概念。
本节课以电源作为我们的研究对象。
通过能量转化的概念建立了电动势的概念。
1．复习本节教材。
2．完成课本课后问题与练习。
2 电动势
一、非静电力：
电源内部搬运正电荷由负极到正极的力。
电源提供“非静电力”将电荷由负极搬运到正极，满足形成持续电流的需要。
二、非静电力做功将其他形式的能转化成电势能。
在外电路中电能转化为其他形式的能；在内电路中其他形式的能转化为电能。
电源是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电势能的装置。
三、电动势的概念。
电动势的定义：
电动势是一个表征电源特征的物理量，是电源将其他形式的能转化为电能的本领，在数值上，等于非静电力将单位正电荷从电源的负极通过电源内部移送到正极时所做的功。
公式：
E＝
单位：
伏特（V）
电动势的物理意义：
在电源内部，电动势等于非静电力把单位正电荷从负极移送到正极时所做的功。
四、电源的内阻
电源内部（内电路）也是由导体组成，所以也有电阻，这个电阻叫做电源的内电阻。
“电动势”的概念是教学中的一个难点，它难在概念的本身比较抽象，而且在讲述中又引入一个“非静电力”，学生学习时感到十分空洞。
所以从“化抽象为具体”的角度来突破难点，使学生认识电动势是表征电源特性的一个重要的物理量。
在教学中可以采用以下一些方法：
第一，利用化学电源进行演示实验，让学生观察到“金属板插入酸溶液中，板与溶液之间出现电势差，而且电源的极性与电场力移动电荷的方向相反”这一事实。
从而对化学电池中存在“其他形式的能（化学能）转化成电能”这一论断表示信服。
第二，从能量守恒定律分析以化学电池为电源构成的闭合电路中发生的能量转化过程，阐述电源内部存在静电力及非静电力做功的必然性。
在此基础上提出电源的电动势就是表明电源内部非静电力移动电荷做功，把其他形式的能转化为电能的本领的物理量。
第三，运用电动势的概念来分析一些具体问题，这样学生对电动势的概念就不会感到空洞难懂了。
化学电池的原理
在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。
负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。
正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。
电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。
当外电路断开时，两极之间虽然有电压，但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。
当外电路闭合时，在两电极电压的作用下即有电流流过外电路。
2019-2020年高中物理第二章恒定电流第五节焦耳定律示范教案新人教版选修3-1
教学分析
学生在初中已经接触过焦耳定律的内容，为本节课的学习打下了一定的基础，但高中阶段将从电场力做功及能量转化和守恒等角度来研究焦耳定律，这对学生的学习提出了更高的要求。
本节课所涉及的能量观点，是研究电学问题和其他物理问题的重要方法。
另外，这一节的内容在实际中有广泛而重要的运用，不但是学习后续知识的基础，而且是学习电工的基础。
所以，本节课不但是物理知识的传授课，更是物理方法和思想的渗透课。
在教学中应该充分联系实际，以便巩固和加深对基本知识的理解，掌握实际问题中的原理。
教学目标
1．理解电功的概念，知道电功是指电场力对自由电荷所做的功，理解电功的公式，能进行有关的计算。
2．理解电功率的概念和公式，能进行有关的计算。
3．知道电功率和热功率的区别和联系。
4．通过推导电功的计算公式和焦耳定律，培养分析、推理能力。
5．通过电能与其他形式能量的转化和守恒，进一步培养辩证唯物主义的观点。
教学重点难点
电功和电热的计算是本节课的教学重点，围绕这个教学重点，具体实施教学时，会出现这样几个教学难点：
电流做功的表达式的推导，纯电阻电路和非纯电阻电路在能量转化过程中的区别。
教学方法与手段
1．采用问题解决式，引导学生联系前面电场力的知识，推导电流做功的表达式。
2．密切联系实际，通过实例分析让学生明确各种电能与其他形式的能的转化情况。
3．进行演示实验，让学生明确纯电阻电路与非纯电阻电路在能量转化时的区别。
教学媒体
投影仪、多媒体课件、滑动变阻器、小电风扇、电压表、电流表、电源、电键、导线。
知识准备
电场力对运动电荷做功的求法、欧姆定律。
导入新课
[事件1]
教学任务：
创设情境，导入新课。
师生活动：
问题导入：
问题1：
用电器通电后，可以将电能转化为其他形式的能量，请同学们列举生活中常用的用电器，说明其能量的转化情况。
参考示例：
电灯把电能转化为内能和光能；电炉把电能转化为内能；电动机把电能转化为机械能；电解槽把电能转化为化学能。
用电器把电能转化为其他形式能的过程，就是电流做功的过程。
即电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程，在转化过程中，遵循能量守恒，即有多少电能减少，就有多少其他形式的能增加。
问题2：
电流做功的多少及电流做功的快慢与哪些因素有关呢？
本节课我们学习关于电功和电功率的知识。
推进新课
[事件2]
教学任务：
推导电流做功的表达式
师生活动：
思考并讨论：
（多媒体打出画面）一段导体长为L，横截面积为S，电阻为R，在导体两端加上电压U，通过导体的电流为I。
图2.5－1 推导电流做功的表达式
（1）结合此模型说出电流做功实质上是怎样的？
参考答案：
电流做功的实质是电路中电场力对定向移动的电荷做功。
（2）利用学过的知识，推导一下经过时间t，电流做的功。
可能出现的结果：
学生无从下手。
可通过问题引导学生思考并推导出公式来。
请同学们思考下列问题：
（1）电场力做功的定义式是什么？
（2）电流的定义式是什么？
参考答案：
（1）在第一章里我们学过电场力对电荷的功，若电荷q在电场力作用下从A搬至B，AB两点间电势差为UAB，则电场力做功W＝qUAB。
（2）电路中的自由电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成电流I，在时间t内，通过这段电路上任一横截面的电荷量q＝It。
这相当于在时间t内将这些电荷q由这段电路的一端移到另一端。
对于一段导体而言，两端电势差为U，把电荷q从一端搬至另一端，电场力的功W＝qU，在导体中形成电流，且q＝It（在时间间隔t内搬运的电荷量为q，则通过导体截面电荷量为q，I＝q/t），所以W＝qU＝IUt。
这就是电路中电场力做功即电功的表达式。
结论：
电功
（1）定义：
电路中电场力对定向移动的电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流的功。
（2）表达式：
W＝IUt。
①物理意义：
电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压U、电路中电流I和通电时间t成正比。
②适用条件：
I、U不随时间变化——恒定电流。
③单位：
焦耳（J） 1J＝1V·A·s。
【注意】功是能量转化的量度，电流做了多少功，就有多少电能减少而转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少，这是电路中能量转化与守恒的关键。
[事件3]
教学任务：
推导电功率的表达式。
师生活动：
问题引导：
在相同的时间里，电流通过不同用电器所做的功一般不同。
（例如，在相同时间里，电流通过电力机车的电动机所做的功要显著大于通过电风扇的电动机所做的功。
）电流做功不仅有多少，而且还有快慢，如何描述电流做功的快慢呢？
参考答案：
可以用单位时间内电流所做的功，即电功率表示做功的快慢。
结论：
电功率。
（1）定义：
单位时间内电流所做的功。
（2）表达式：
P＝
＝IU（对任何电路都适用）。
（3）单位：
瓦特（W），1W＝1J/s。
【说明】电流做功的“快慢”与电流做功的“多少”不同。
电流做功快，但做功不一定多；电流做功慢，但做功不一定少。
（4）额定功率和实际功率
额定功率：
用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下消耗的功率称额定功率。
实际功率：
用电器在实际电压下的功率。
实际功率P实＝IU，U、I分别为用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。
【说明】最后应强调：
推导过程中没用到任何特殊电路或用电器的性质，电功和电功率的表达式对任何电压、电流不随时间变化的电路都适用。
再者，这里W＝IUt是电场力做功，是消耗的总电能，也是电能所转化的其他形式能量的总和。
[事件4]
教学任务：
焦耳定律
师生活动：
思考并讨论：
电流在通过导体时，导体要发热，电能转化为内能。
这就是电流的热效应，那么，电流通过导体时产生的热量与哪些因素有关呢？
结论：
英国物理学家焦耳，经过长期实验研究后提出焦耳定律。
（1）焦耳定律：
电流通过导体产生的热量，跟电流的平方、导体电阻和通电时间成正比。
表达式：
Q＝I2Rt。
（2）热功率：
单位时间内的发热量，即P＝Q/t＝I2R。
思考并讨论：
电路中电流对导体做的功是否等于导体内产生的热量呢？
可能出现的结果：
学生一般认为，W＝IUt，又由欧姆定律，U＝IR，所以得出W＝I2Rt，电流做这么多功，所以，放出热量Q＝W＝I2Rt。
这里有一个错误：
Q＝W，可通过问题引导学生思考并找出来：
●何以见得电流做功全部转化为内能增量？
有无可能同时转化为其他形式能？
●什么电路中Q＝W？
什么电路中W≠Q？
（W＞Q）？
为什么？
举实例
●欧姆定律I＝
及变形公式适用条件是什么？
为什么？
参考答案：
（1）电流有可能转化为其他形式的能。
如：
电吹风、电解槽、电池。
（2）对纯电阻电路（只含白炽灯、电炉等电热器的电路）中电流做功完全用于产生热，电能转化为内能，故电功W＝Q，这时W＝Q＝UIt＝I2Rt；关于非纯电阻电路中的能量转化，电能除了转化为内能外，还转化为机械能、化学能等，这时W＞Q，即W＝Q＋E其他或P＝P热＋P其他、UI＝I2R＋P其他。
（3）欧姆定律I＝
及变形公式适用条件是纯电阻电路。
【实验】如何用玩具小风扇验证电功率和热功率不相等？
参考答案：
（用投影仪投影出电路图，引导学生按图接好电路，并提醒学生注意电表的正负极，以及滑动变阻器滑动片的初始位置。
）
先用夹子夹住电动机M转轴使其不能转动，闭合电键，移动变阻器滑片，记下伏特表读数U1＝0.3V，电流表的读数I1＝0.3A，松开夹子，使电动机转轴转动，移动变阻器滑片，使伏特表读数U2＝2.0V，电流表的读数I2＝0.8A，分别记入下表，请同学们计算两种情况下电功率P1和热功率P2。
工作状态
U/V
I/A
P1/W
P2/W
不转动
0.3
0.3
0.09
0.09
转动
2.0
0.8
1.6
0.64
由上述数据得出：
在第一种情况下电功率的值等于热功率的值。
这证明在纯电阻电路中，电能只转化为内能，这个转化过程是通过电流做功来实现的，所以电功率等于热功率。
第二种情况下电功率大于热功率，这证明在非纯电阻电路中，即电路中有电动机（或电解槽）时，电能不仅要转化为内能，而且还有一部分要转化为机械能（或化学能），所以，电能要大于内能，即电功率大于热功率，但是，电能总等于电动机（或电解槽）的机械能（或化学能）和电阻增加的内能之和。
【强调总结】
（1）对纯电阻电路（只含白炽灯、电炉等电热器的电路）中电流做功完全用于产生热，电能转化为内能，故电功W等于电热Q；这时W＝Q＝UIt＝I2Rt。
（2）P＝IU和P＝I2R都是电流的功率的表达式，但物理意义不同。
P＝IU对所有的电路都适用，而P＝I2R只适用于纯电阻电路，对非纯电阻电路（含有电动机、电解槽的电路）不适用。
关于非纯电阻电路中的能量转化，电能除了转化为内能外，还转化为机械能、化学能等。
这时W＞Q。
即W＝Q＋E其他或P＝P热＋P其他、UI＝I2R＋P其他。
例1一直流电动机线圈内阻一定，用手握住转轴使其不能转动，在线圈两端加电压为0.3V，电流为0.3A。
松开转轴，在线圈两端加电压为2V时，电流为0.8A，电动机正常工作。
求该电动机正常工作时，输入的电功率是多少？
电动机的机械功率是多少？
参考答案：
电动机不转动时，其消耗的电功全部转化为内能，故可视为纯电阻电路，由欧姆定律得电动机线圈内阻：
r＝U/I＝0.3/0.3Ω＝1Ω。
电动机转动时，消耗的电能转化为内能和机械能，其输入的电功率为P入＝I1U1＝0.8×2W＝1.6W，电动机的机械功率P机＝P入－I
r＝1.6W－0.82×1W＝0.96W。
说明：
在非纯电阻电路里，要注意区别电功和电热，注意应用能量守恒定律。
①电热Q＝I2Rt。
②电动机消耗的电能也就是电流的功W＝IUt。
③由能量守恒得W＝Q＋E，E为其他形式的能，这里是机械能。
④对电动机来说，输入的功率P入＝IU；发热的功率P热＝I2R；输出的功率，即机械功率P机＝P入－P热＝UI－I2R。
1．规格为“220V1000W”的电炉，求：
（1）电炉正常工作时，通过电阻丝的电流；
（2）电炉的电阻。
2．加在某台电动机上的电压是U，电动机消耗的电功率为P，电动机线圈的电阻为r，则电动机线圈上消耗的热功率为（ ）
A．P B．U2/r C．P2r/U2 D．P－P2r/U2
答案：
1.
（1）4.5A
（2）48.4Ω 2.C
[事件5]
教学任务：
电功率和热功率的综合运用与理解。
师生活动：
【探究实验】
案例：
给你玩具电风扇1台、干电池2节、电压表和电流表各1只、导线若干。
请你设法测出电风扇的直流电阻，以及电风扇工作时总功率（电功率）和输出的机械功率。
参考做法：
1．先卡住电风扇，将其接入电路，将电流表与其串联，电压表与其并联，测出相应的电流值I和电压值U，则R＝U/I。
（电风扇不转时所加电压要尽量小，为什么？
）
2．让电风扇正常运转，将电流表与其串联，电压表与其并联，测出相应的电流值I和电压值U，则P总＝UI，P出＝UI－I2R。
学生分组讨论上述实验结果，总结电功率与热功率的区别和联系。
再次强调以下结论：
（1）电功率与热功率的区别：
电功率是指输入某段电路的全部功率或在这段电路上消耗的全部电功率，决定于这段电路两端电压U和通过的电流I的乘积。
热功率是在某段电路上因发热而消耗的功率，决定于通过这段电路的电流的平方I2和电阻R的乘积。
（2）电功率与热功率的联系：
若在电路中只有电阻元件时，电功率与热功率数值相等，即P热＝P电。
教师指出：
上述实验中，电机不转时，小电机就相当于纯电阻。
若电路中有电动机或电解槽时，电路消耗的电功率绝大部分转化为机械能或化学能，只有一少部分转化为内能，这时电功率大于热功率，即P电＞P热。
教师指出：
上述实验中，电机转动时，电机消耗的电功率，其中有一部分转化为机械能，有一部分转化为内能，故P电＞P热。
课堂巩固与反馈
[事件6]
教学任务：
形成性测试：
学生独立完成。
时间：
5分钟。
1．关于电功，下列说法中正确的有（ ）
A．电功的实质是电场力所做的功
B．电功是电能转化为内能
C．电场力做功是电能转化为其他形式能量的量度
D．电流通过电动机时的电功率和热功率相等
2．A、B、C三个灯泡如图所示的方式连接时，各自消耗的实际功率相同，则RA∶RB∶RC为（ ）
A．1∶1∶1 B．1∶2∶2
C．2∶1∶1 D．1∶4∶4
3．理发用的电吹风机中有电动机和电热丝，电动机带动风叶转动，电热丝给空气加热，得到热风将头发吹干。
设电动机线圈电阻为R1，它与电热丝电阻值R2串联后接到直流电源上，吹风机两端电压为U，电流为I，消耗的功率为P，则有（ ）
A．P＝UIB．P
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