《恒定电流》教案.docx
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《恒定电流》教案
恒定电流
第一节、电流、欧姆定律、电阻定律
一、教学目标
1.了解电流形成的条件。
2.掌握电流的概念，并能处理简单问题。
3.巩固掌握欧姆定律，理解电阻概念。
4.理解电阻伏安特性曲线，并能运用。
5.掌握电阻定律，认识电阻率的物理意义。
二、重点、难点分析
1.电流的概念、电阻定律、欧姆定律是教学重点。
2.电流概念、电阻的伏安特性曲线、电阻率对学生来说比较抽象，是教学中的难点。
三、教具
1.欧姆定律（伏安特性曲线）
直流电源（稳压），电压表，电流表，滑动变阻器，导线若干，开关，待测电阻。
2.电阻定律：
电压表，电流表，直流电源，滑动变阻器，酒精灯，电阻丝（一根），自制电阻丝示教板。
说明：
电阻丝示教板上，有电阻丝A，电阻丝B，其中B对折，其长度是A的两倍，电阻丝C是与A相同且等长的两根电阻丝并联而成。
四、主要教学过程
（一）引入新课
前面学习场。
电场对其中的电荷有力的作用，若是自由电荷在电场力作用下将发生定向移动。
如：
静电场中的导体在达到静电平衡状态之前，其中自由电荷在电场力作用下定向移动。
电容器充放电过程中也有电荷定向移动。
电荷的定向移动就形成了电流。
（二）教学过程设计
1.电流
（1）什么是电流？
大量电荷定向移动形成电流。
（2）电流形成的条件：
静电场中导体达到静电平衡之前有电荷定向移动；
电容器充放电，用导体与电源两极相接。
①导体，有自由移动电荷，可以定向移动。
同时导体也提供自由电荷定向移动的“路”。
导体包括金属、电解液等，自由电荷有电子、离子等。
②导体内有电场强度不为零的电场，或者说导体两端有电势差，从而自由电荷在电场力作用下定向移动。
③持续电流形成条件：
要形成持续电流，导体中场强不能为零，要保持下去，导体两端保持电势差（电压）。
电源的作用就是保持导体两端电压，使导体中有持续电流。
导体中电流有强有弱，用一个物理量描述电荷定向移动的快慢，从而描述电流的强弱。
（3）电流（I）
①量度：
通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用时间的比值。
这样可以通过电荷定向移动的快慢来描述电流强弱，这个比值称为电流。
③单位：
安培（A）
1A=1C/s
④性质：
标量。
初中学过并联电路干路电流等于各支路电流之和。
但电流是有方向的。
（有方向的量不一定是矢量，是否矢量关键看满不满足平行四边形法则。
）
⑤电流方向的规定：
正电荷定向移动的方向为电流方向，负电荷定向移动方向与电流方向相反。
（4）电流分类：
直流电里，若电流不变，就称为恒定电流，这是高中阶段电流知识的重点。
前面讨论了电流，尤其是持续电流的形成，要求导体两端有电势差，即电压。
电流与电压究竟有什么关系？
这可利用实验来研究。
实验1
按电路图连接实验电路，R0为待测电阻（定值电阻）。
闭合S后，移动滑动变阻器触头，记下触头在不同位置时电压表和电流表读数。
电压表测得的是导体R0两端电压，电流表测得的是通过导体R0的电流，记录在下面表格中。
把所得数据描绘在I－U直角坐标系中，确定U和I之间的函数关系。
分析：
这些点所在的曲线包不包括原点？
包括，因为当U=0时，I=0。
这些点所在曲线是一条什么曲线？
过原点的斜直线。
把R0换成与之不同的R'0，重复前面步骤，可得另一条不同的但过原点的斜直线。
结论：
给定导体，导体中电流与导体两端电压成正比，I∝U
I=kU
对不同导体图象斜率k不同。
相同电压U0下，两导体电流分别为I1、I2，I1＞I2，导体2对电流阻碍作用比导体1大，I1=k1U。
I2=k2U。
2.欧姆定律：
导体中电流跟它两端电压成正比，跟它的电阻成反比。
大量实验表明，欧姆定律适用于纯电阻电路（金属、电解液等）。
3.电阻
（1）定义：
导体两端电压与通过导体电流的比值，叫做这段导体的电阻。
（2）量度式：
R=U/I
说明：
①对于给定导体，R一定，不存在R与U成正比，与I成反比的关系。
②这个式子（定义）给出了测量电阻的方法——伏安法。
（3）单位：
电压单位用伏特（V），电流单位用安培（A），电阻单位用欧姆，符号Ω，且1Ω=1V/A
常用单位：
1kΩ=1000Ω
1MΩ=106Ω
电阻是导体的特性，电阻与导体的哪些因素有关？
（4）影响电阻的因素：
电阻反映了导体对电流的阻碍作用，导体越长，阻碍作用会不会越大？
导体横截面积越大，电压不变，单位时间里通过电荷将增加，从而电阻变小。
实验2
按如图所示电路，依次将A、B、C三段电阻丝分别接入电路中，利用R=U/I测出三段电阻丝电阻，并加以比较。
应指出：
B电阻丝长度是A的2倍，测出电阻也约为A的2倍。
说明：
①R∝LC电阻丝与A等长，为了改变横截面积，C的两根电阻丝并排连入电路中，相当于横截面积增加1倍，测出电阻比A电阻小，约为A电阻的一半。
体k不同。
k反映了材料导电性质，称作电阻率，用ρ表示。
时，ρ在数值上等于R。
强调：
ρ的大小由导体材料决定。
ρ的大小与温度有关，一般ρ随温度升高而增大。
实验3：
把单独一根电阻丝接入前图所示电路中，测出电阻来，用酒精灯加热。
再看电压表、电流表读数，可以计算出电阻，从而判断电阻增大了。
④总结：
电阻定律
导体电阻跟它长度成正比，跟它的横截面积成反比。
（三）复习巩固
导体两端电压U不变，导体电阻率ρ，长L，横截面积S，问经过△t秒后，通过导体任一截面的电量。
若U、△t不变，导体材料也不变，要让通过导体横截面的电量加倍，可采用什么办法？
若U、△t及导体体积都不变，导体材料给定，要让通过导体截面的电量加倍，可采用什么办法？
第二节欧姆定律
教学目的：
掌握电阻的概念，掌握欧姆定律。
教学仪器：
滑线变阻器（１）定值电阻（１）电压表（１）电流表（１）电键（１）干电池（２）导线（若干）
教学过程：
复习引入：
（1）导体中产生电流的条件是什么？
（2）既然导体两端有电压，导体中才有电流，那么导体中的电流强度跟导体两端的电压有什么关系呢——本节课我们就来复习这个问题（欧姆定律）
讲授新课：
1．导体中的电流与导体两端电压的关系
演示实验：
（1）在如图所示的电路中，连接着一段导线AB，导线两端的电压可由电压表读出，导线中通过的电流可由电流表读出。
改变滑动片P的位置，可以改变导线两端的电压。
测得一组数据如下表：
电压（V）
0
2．0
4．0
6．0
8．0
10．0
电流（A）
0
0．20
0．40
0．60
0．78
0．98
数据处理：
为了更明显，用直角坐标系表示出I—U的关系，
根据测得的数据画出I—U的关系
图线，得到一条直线（Ⅰ）
表明：
导线AB中的电流跟它两端的电压
成正比，且对AB这根导线来说，比值U/I=10
是个定值，这个比值不随U或I的改变而改
变，是导线本身的一种性质。
（2）用一段更细的导线CD代替AB，重做实验。
电压（V）
0
2．0
4．0
6．0
8．0
10．0
电流（A）
0
0．13
0．28
0．40
0．54
0．66
数据处理：
根据数据作出I—U关系图线，得
到一条直线（Ⅱ）
表明：
导线CD中的电流跟它两端的电压
成正比，且对
CD来说，比值U/I=15是个定值，
这个比值不随
U或I的改变而改变。
比较结论：
（1）对同一导体，导体中的电流跟它两端的电压成正比。
（2）在相同电压下，U/I大的导体中电流小，U/I小的导体中电流大。
所以U/I反映了导体阻碍电流的性质，叫做电阻（R）
（3）在相同电压下，对电阻不同的导体，导体的电流跟它的电阻成反比。
2．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：
I=U/R。
（2）R的单位：
（3）欧姆定律适用于金属导体和通常壮态下的电解质溶液，对气态导体和其它一些导电原件（电子管，热敏电阻）不适用。
对电路而言，它只对一段不含电源的导体成立。
第三节半导体及其应用
教学目标：
1、知道什么是半导体。
2、了解半导体的导电特性及常见的半导体材料。
3、了解半导体的应用
课前准备
演示用的欧姆表、热敏电阻、光敏电阻、火柴、手电筒。
课时安排
1课时
教学过程
引入新课
用提问的方式复习上节课学习的知识；什么是半导体？
什么是绝缘体？
常见的导体有哪些？
导体的电阻由哪些因素决定？
导体的电阻率跟什么有关？
本节课学习导体的电性能及其在集成电路、计算机技术等领域的应用。
通过以上简介，激发学生的学习兴趣。
进行新课
金属导体的电阻率一般约为10-8~10-6Ω·m
绝缘体的电阻率一般约为108~1018Ω·m
半导体的电阻一般约为10-5~106Ω·m
[板书]
2、半导体的导电性能
[演示]
（1）半导体热敏电阻（或锗材料三极管3AX系列，e—c极反接）与演示用欧姆表串联，此时表盘指示电阻较大。
将火柴燃烧靠近热敏电阻时，欧姆表显示其阻值急剧减小。
[板书]
（1）半导体材料的电阻随温度升高而减小，称为半导体的热敏特性。
[演示]
（2）将半导体材料光敏电阻（或玻璃壳3AX81三极管外壳漆皮刮掉，使用e—c极）与演示用欧姆表串联，此时表盘指示电阻较大。
用手电筒照射光敏电阻时，欧姆表显示其值急剧减小。
[板书]
（2）半导体材料的电阻率随光照而减小，称为半导体的光敏特性。
[板书]
半导体材料中掺入微量杂质会使它的电阻率急剧变化，称为半导体的掺杂特性。
[板书]
3、半导体导电特性的应用及发展
1960年真空三极管的发明，为上世纪上半叶无线电和电话的发展奠定了基础。
1947年，美国贝尔研究所的巴丁、肖克莱、不拉坦研制出第一个晶体三极管。
它的出现成为上世纪下半叶世界科技发展的基础。
其功耗极低，而且可靠性高，转换速度快，功能多样尺寸又小。
因而成为当时出现的数字计算机的理想器件，并很快在无线电技术和军事上或得广泛的应用，由于研制晶体管，他们三人获得1956年诺贝尔物理学奖。
半导体材料在目前的电子工业和微电子工业中主要用来制作晶体管、集成电路、固态激光器等器件。
我们现在常见的晶体管有两种，即双极型晶体管和场效应晶体管，它们都是电子计算机的关键器件，前者是计算机中央处理装置（即对数据进行操作部分）的基本单元，后者是计算机存储的基本单元。
两种晶体管的性能在很大程度上均依赖于原始硅晶体的质量。
砷化镓单晶体材料是继锗、硅之后发展起来的新一代半导体材料。
它具有迁移率高、禁带宽度大的优势。
它是目前最重要、最成熟的化合物半导体材料，主要用于光电子和微电技术领域。
电子技术最初的应用领域主要是无线电通讯、广播、电视的发射和接收。
雷达作为一种探测敌方飞行器的装置在第二次世界大战中大显身手，成为现代电子技术的一个重要领域。
电子显微镜、各种波谱和表面能仪以及加速器、遥测、遥控和遥感、医学也是电子技术的一个重要领域。
微电子技术和量子电子学是现代电子技术中最活跃的前沿领域之一。
[教学设计说明]
1、本节课的演示实验能够使学生实际体会到半导体的导电特性，并且与金属导电性能加以区别，所以要充分做好实验准备。
2、介绍半导体技术的发展简史时，应尽量结合实际生活中学生比较了解的应用。
例如，在计算机技术日益普及的今天，可以通过介绍计算机的只读存储器（ROM）和随机存储器（RAM），让学生了解半导体材料和技术的应用。
第四节超导极其应用
【教学目的】
1、知道什么是超导现象，了解相关名词
2、了解超导的历史，知道一些重要的物理事件
3、知道超导的应用，激发勇于探索前沿科技的精神
【教学重点】
超导现象和应用
【教学难点】
转变温度TC和材料的必然联系
【教具】
投影仪
【教学过程】
○、复习＆引入
金属导体的电阻率一般都会随着温度的升高而升高，随着温度的降低而降低，当温度降到足够低的时候，情形会怎样呢？
前面我们从理论的角度解释电阻定律时曾经说过，促使电子定向移动的因素是什么？
——☆学生：
电场力。
制约电子定向移动的微观因素是什么？
——☆学生：
电子的热运动。
那么我们是不是可以这样认为，当温度足够低，热运动很微弱的时候，电子受到的阻碍作用会非常非常小呢？
下面大家从事实的角度、历史的角度、材料的角度，还有应用的角度阅读一下教材P156~157的内容，阅读完毕后，请同学们作相关的总结——
☆学生阅读…
★学生总结——
★从导电性的角度，我们把材料分为导体、绝缘体，还有半导体。
那么，还有没有导电性更为奇特的材料呢？
一、超导现象
超导现象：
大多数金属在温度降到某一数值时，都会出现电阻突然降为零的现象
转变温度：
导体由常态转变成超导状态的温度，用TC表示。
*两种类型的超导体：
a、常规金属超导体；b、合金超导体，有两各转变温度，而且在两个转变温度之间，磁效应和电效应会出现“不一致”的情形。
二、超导的历史
年份
科学家
材料
转变温度TC
1911
（荷）昂尼斯
汞
4.2K
至1986上半年
23K
1986年7月
镧钡铜氧化物
35K
1987年2月
美、中
钇钡铜氧化物
90K
1992年初
125K
*三、超导的相关研究
1、迈斯纳效应
把温度T2、约瑟夫森效应（超导隧道效应）
1962年，英国剑桥大学的研究生约瑟夫森从理论上预言：
当两块超导体（S）之间用很薄（10~30
）的氧化物绝缘层（I）隔开，形成S－I－S结构，将出现量子隧道效应．这种结构称为隧道结，即使在结的两端电压为0时，也可以存在超导电流．这种超导隧道效应现在称为约瑟夫森
效应．约瑟夫森从结论上证明超导隧道结的一些奇特性质．例如，当两端电压V不等于0时，会出现一个高频振荡的超导电流，它的频率f满足关系式
f=
V
其中e为基本电荷，h为普朗克恒量．这时隧道结好像一根能辐射电磁波的天线；反之，当频为f1的外界电磁波辐射到结上时，它的能量会被结吸收，从而在直流I-V曲线上引起一系列电流台阶，如右图所示，其中第n个台阶处的电压满足关系式．
Vn=
f1
约瑟夫森的预言不久就被实验证实，这为一门新学科
超导电子学奠定了基础，他因此而获得1973年诺贝尔物理学奖．
3、同位素效应
1950年，麦克斯韦和雷诺等人用实验证明，临界温度TC与样品的同位素质量M有关，M越大，TC越低，其关系可以用近似公式
TC=常数来表示，这说明超导现象的形成与原子核的质量有关。
4、超导体比热在临界温度的不连续性
实验表明，超导体在临界温度TC时，比热发生不连续的变化，超导态的比热大于正常态的比热，但从正常相变为超导相时，没有吸收或放出潜热，这称为第二类相变。
四、超导的应用
1、优越的超导电机
普通发电机组中的材料载流量十分有限，由于电路中有电阻，总要发热，因此既不经济又不安全。
用超导体制造电机，完全不发热，可以提高载流量，据专家计算，用超导体制作电机，功率可以提高几十倍。
2、省电的超导电路
普通的电路由于输电线的耗能严重，必须经过升压、降压的程序，而且也不可能作到完全不损耗。
超导体导线则能完全解决这个问题。
3、精密的超导仪器
一些精密的仪器，如核磁共振仪、电子显微镜等对磁场有非常严格的要求（强度要高、稳定性要高、磁感线分布要理想，有时还要求很大的尺寸），普通的材料很难达到要求，超导则能解决这个问题。
4、神速的超导计算机
把超导体应用于计算机将会迎来科学史上的一次重大革命。
理论研究表明：
应用约瑟夫森效应制成超导器件，其开关速度可以比当前使用的半导体集成电路快十几~二十几倍，而且它消耗的电能只有现在普通计算机的1%。
5、超导磁悬浮列车
在超导磁悬浮列车的研究中走在最前列十日本。
1962年，日本着手设计磁悬浮列车，但当时是利用正常导体产生的磁场时速达到307.8km/h，1997年，日本又试制了超导磁悬浮列车，关键部分是由两组超导电磁铁构成的，它们能提供极强的磁场，使列车的速度达到500km/h。
四、小结
本节讲了超导的概念、名词，相关的物理学史，展望了超导的应用前景。
值得注意的是，超导是一门前沿科学，还不是很成熟。
大家通过学习也看到了，超导要真正走上产业化，道路还比较漫长，所以还有待我们积蓄实力、挑战未来。
希望同学们树立远大志向，争取能够在不久的将来改写历史。
五、作业布置
阅读教材；
上网查询有关超导的内容；
《学海导航——物理（下）》P7~8“巩固提升”A组，做在书上
【板书设计】
见带框字符，即是板书计划。
【教后感】
【阅读】
◎磁场对超导体的影响◎
磁场对超导体的影响与超导体的材料有关．
（1）外加磁场强度超过一定值时，可以破坏超导电性．破坏超导体所需的最小磁场叫临界磁场．其磁感应强度用BC表示，用BC0表示绝对零度时的临界磁场，则大多数金属超导体的临界磁场BC与温度T的近似关系是：
（3）磁致超导性．1962年，物理理论家V·Jacarino和M·Petar预言，可能在某些物质中会发生与外磁场破坏超导性相反的情形，用磁场可诱发超导状态．二十年后，日内瓦大学的Fischer和他的同事们用铕化合物制造出一系列磁致超导体，他们所得到的材料的性质，与理论预言精确地符合。
第五节电功、电功率、焦耳定律
一、教学目标
1.理解电功、电功率的概念，公式的物理意义。
2.了解实际功率和额定功率。
3.了解电功和电热的关系。
4.了解公式Q=I2Rt（P=I2R）和
5.知道非纯电阻电路中电能与其他形式能转化关系，电功大于电热。
6.能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题。
二、重点、难点分析
1.教学重点在于区别并掌握电功和电热的计算。
2.难点主要在学生对电路中的能量转化关系缺乏感性认识，接受起来比较困难。
三、主要教学过程
（一）提出问题，引入新课
1.通过前面的学习，可知导体内自由电荷在电场力作用下发生定向移动，电场力对定向移动的电荷做功吗？
（做功，而且做正功）
2.电场力做功将引起能量的转化，电能转化为其他形式能，举出一些大家熟悉的例子。
电能→机械能，如电动机。
电能→内能，如电热器。
电能→化学能，如电解槽。
本节课将重点研究电路中的能量问题。
（二）教学过程设计
1.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）实质：
能量的转化与守恒定律在电路中的体现。
电能通过电流做功转化为其他形式能。
上一章里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。
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内搬运的电量为q，则通过导体截面电量为q，I=q/t），所以W=qU=ItU。
这就是电路中电场力做功即电功的表达式。
（3）表达式：
W=IUt
说明：
①表达式的物理意义：
电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压、电路中电流和通电时间成正比。
②适用条件：
I、U不随时间变化——恒定电流。
（4）单位：
电流单位用安培（A），电压单位用伏（V），时间单位用秒（s），则电功的单位是焦耳（J）。
（5）电功率
物理意义：
一段电路上功率，跟这段电路两端电压和电路中电流成正比。
②单位：
功的单位用焦耳（J），时间单位用秒（s），功率单位为瓦特（W）。
1W=1J/s
这里应强调说明：
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。
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，描述它的定量规律是焦耳定律。
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，放出热量Q=W=I2Rt。
这里有一个错误，可让学生思考并找出来。
错在Q=W，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？
英国物理学家焦耳，经过长期实验研究后提出焦耳定律。
2.焦耳定律——电流热效应
（1）内容：
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。
（2）表达式：
Q=I2Rt
对于导体而言，根据欧姆定律，U=IR，所以Q=I2Rt=I·IRt=IUt=W，电流做功完全用来生热，电能转化为内能。
（3）说明：
焦耳定律表明，纯电阻电路中电流做功完全转化为内能，同时，有电阻的电路中电流做功会引起内能的增加，且电热Q=I2Rt。
（4）简单介绍产生焦耳热的原因：
金属中自由电子在电场力作用下定向移动，由于电场做功，电子动能增加，但不断地与晶格（原子核点阵）碰撞，不断把能量传给晶格，使晶格中各粒子在平衡位置附近的热运动加剧，从而温度升高。
（5）纯电阻电路中的电功和电功率
①电功Q=W=I2Rt，对所有电路中电阻的生热都适用。
率都适用。
结合纯电阻电路欧姆定律U=IR
3.非纯电阻电路中的电功和电功率（以含电动机电路为例）
非纯电阻电路中，电能与其他形式能转化的关系非常关键。
以电动机为例，电动机电路如图所示，电动机两端电压为U，通过电动机电流为I，电动机线圈电阻为R，则电流做功或电动机消耗的总电能为W=IUt，电动机线圈电阻生热Q=I2R0t，电动机还对外做功，把电能转化为机械能，W'=W—Q=IUt-I2R0t，W'是电动机输出的机械能。
这是一个非纯电阻电路，可满足U=IR0，且W'＞0，则有U＞IR0。
考虑每秒钟内能量转化关系，即功率，只要令上述各式中t=1s即可，可得总功率P总=IU，电热功率P热=I2R0，输出功率P出，三者关系是P总=P热＋P出，即P出=IU=I2R。
4.额定功率和实际功率
为了使用电器安全、正常地工作，对用电器工作电压和功率都有规定数值。
（1）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。
一般说来，用电器电压不能超过额定电压，但电压低于额定电压时，用电器功率不是额定功率，而是实际功率。
（2）实际功率P=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。
（三）复习巩固
某一用直流电动机提升重物的装置如上图所示，重物质量m=50kg，电源提供恒定电压U=110V，不计各处摩擦，当电动机以v=0.90m/s的恒定速度向上提升重物时，电路中电流I=5A，求电动机线圈电阻R（g=10m/s2）。
（4Ω）
第六节闭合电路欧姆定律
一、教学目标
1.在物理知识方面的要求
（1）熟练掌握闭合电路欧姆定律的两种表达式E=U＋Ir和
（2）掌握电源的总功率P总=IE，电源的输出功率P输=IU，电源内阻上损耗的功率P损=I2r及它们之间的关系P总＝P输+P损。
2.在物理方法上的要求
进一步培养学生用能量和能量转化的观点分
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