第03节 研究闭合电路新颖的课程导入教案

2021-11-25 20:37:00
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研究闭合电路(第一课时) 惠阳中山中学

吴艳婷

【教学内容分析】

《研究闭合回路》是粤教版高中物理选修3-1第二章第三节的内容。这节内容是全章书的核心内容,涉及了电动势这个重要概念,以及闭合电路的欧姆定律这个重要规律。电动势概念是高中物理教学中的难点和重点,概念学习是学生形成物理观念的重要途径。闭合电路欧姆定律与电动势关联密切,闭合电路欧母定律的推导过程就是能量转换和守恒的运用。

【学生情况分析】

学生没有电动势的概念,只有电压(即电势差)的概念,因此学生对电动势概念学习存在困难:(1)从无到有建立电动势的概念;(2)初步了解电动势之后,认为电动势和电压是一样的;(3)认为电动势与路端电压是一样的。在教学中通过实验设计突出现象与已有概念的冲突,再通过提问引导一步步思考建立概念,能够突破学生的困难。

能量守恒是初中物理就有初步了解的定律,能量转移时总能量不变也是能量守恒的体现。建立电动势概念的过程中,从能量守恒和能量转移的方向作为切入点,顺其自然就能引出闭合电路的欧姆定律这个重要规律。

【教学目标】

(一)物理观念

1. 理解电源电动势的概念,知道电源电动势等于内、外电路上电势降落之和。

2. 理解闭合电路欧姆定律的表达式及物理意义,并能熟练地运用闭合电路的欧姆定律解决电路问题

3. 理解路端电压与负载的关系,知道这种关系的公式表达,并能用来分析有关问题。

(二)科学思维与科学探究

1. 经历闭合电路欧姆定律及其公式的推导过程,体验能量转化和守恒定律在电路中的具体应用,培养学生的推理能力。

2. 通过实验,培养学生利用实验探究物理规律的科学思路和方法。

(三)科学态度与责任

1. 通过对电路中能量转化与守恒关系的分析,树立学生普遍联系的观点

2.通过分析外电压变化的原因,了解内因和外因的关系

【教学重难点】

1.

理解电动势的概念

2.

理解电路中的能量转化关系

3.

应用闭合电路欧姆定律讨论路端电压与负载的关系

【教学设计】

(一)

课前探究部分

问题1:如何能使导体中有电流通过?

问题2:在闭合回路中,电源起到什么作用?

问题3:导体中的电流与导体两端电压是什么关系?写出表达式。

设计意图:这节课的学习,跟学生初中知识有关,这里通过简单的三个问题让学生回顾知识,将电压、电流和电阻的关系理清,为新课的学习做好准备。

(二)

课堂互动部分

教学环节与教学内容

教师活动

学生活动

设计意图

【情景引入】

演示实验:

如图所示连接电路图,观察在开关闭合前后,电压表的示数是否变化。

我们学习欧姆定律时知道,电路中的电源电压是恒定的,为什么这里我们测得的电压会变化呢?损失的这部分电压去了哪里?请同学们说说你的看法。

演示实验,将电压表通过实物投影展示给学生看,便于学生观察。

解释说明实验过程中,电压表始终测量电源两端电压,滑动变阻器两端电压就是电源两端电压,没有其他用电器分压,已学知识无法解释实验现象。

观察实验现象,发现开关闭合后,电压表示数变小了。

讨论电压表、电源、滑动变阻器在开关闭合前后的变化,分析当中可能影响电压表示数的原因。

学生发现已学知识无法解释实验现象。

通过简单的物理实验,引导学生发现实验现象与原有经验有冲突,激发学生对新知识的兴趣。

【特例分析,构建概念】

一、认识闭合电路

简单提及锌铜电池原理,锌铜电池中,锌是负极,发生化学反应,铜是正极,主要作用是传导电荷。

如图所示是一个锌铜电组织学生进行池构成的简单闭合电路。

小组讨论,展示问题1. 简单的闭合电路答案。

是由哪几部分构成的?

问题2. 外电路中电流方讲解:电源中单向如何?受什么力作用位时间聚集的产生的?

电荷都通过导内电路的电流方向如线流出,没有损何?受什么力作用产生失,内电路与外的?

电路的电流大内电路与外电路的电流小一样。

大小一样吗?

问题3. 外电路中的电势I内=I外

如何变化?内电路中的

电势如何变化?

讲解原电池结问题4. 闭合电路中的构。负极发生化能量转化

学反应,非静电

简单回顾所学化学知识,了解在化学电池中电荷的移动方向:在溶液内正电荷从锌片移动到铜片,在导线中,正电荷从铜片移动到锌片。

小组讨论,回答问题。

1. 用电器和导线构成外电路,电源本身称为内电路。外电路和内电路合起来构成全电路。

2. 外电路电流从正极回到负极,正电荷受电场力作用从正极向负极定向移动。

内电路电流从负极流向正极,受非静电力的作用。

3.外电路中电势降低。内电路中在化学反应的部分电势升高。

本环节的设计主要是为了完成本节课的物理观念目标和科学思维与科学态度目标。

在电动势概念的学习中,通过问题引导和小组合作讨论的方式,带领学生从能量守恒的角度去思考和理解。

一方面降低了理解电动势和电源内阻的困难。从闭合电路的组成,到内外电路电流的关系,再到内外电路电势的变化,最后到内外电路的能量转化与守恒问题,问题层层深入,由浅到深,学生自主思考加上老师的引导分析,给了学生充分的阶梯进行逻辑思维和推理,完

外电路中的能量是如何变化的?内电路中的能量是如何变化的?

实际上,内电路中消耗电势能的这部分相当于存在一个内阻,记为r。

(1)若外电路为纯电阻R,在t时间内,外电路中静电力做的功W外为多少?

(2)在t时间内,内电路中静电力做的功W内为多少?

(3)电池化学反应层在t时间内,非静电力做的功W非为多少?

(4)静电力做的功等于消耗的电能,非静电力做的功等于转化的电能,根据能量守恒你能得到什么规律?

将你的结论进一步化简,你得到一个什么规律?

【举例类比,明确概念】

二、电动势

从能量转化的角度来看,电源就是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。

力做功,电势升高。但正极只有一个极薄的化学反应层,铜片在这里主要传导电荷,有电场力做功,电势降低。

【内电路中也有电势能的消耗。】

(讲解后补充,内电路中有电势升高,也有电压降)

4. 外电路中电势能转化为其他形式的能。

内电路中,有一部分是其他形式的能转化为电势能,还有一部分是消耗了电势能。

W外=I2Rt W内=I2rt

W非=EIt

W非= W内+W外

E=IR+Ir

化学电池:通过化学作用,把化学能转化为电势能

太阳能电池:通过光伏作用,把太阳能转化为电势能

电磁式发电机:通过电磁作用,把机械能转化为电势能

这当中的化学作用、光伏作用和电磁作用,就是电源内部的非静电力作用

成课堂科学思维与科学探究的目标。

另一方面,在教学中通过概念的学习促进培养学生的能量观念,引导学生从能量的视角分析有关物理现象,理解能量概念和与能量相关的物理规律,并迁移应用到解决相关物理问题,逐渐形成高层次的物理能量观念。

举例多种电源:化学电池,太阳能电池,手摇发电机等,帮助学生理解非静电力的内涵。引导学生进一步思

我们把电源工作时,非静考,得出电动势电力做的功与电荷量的的概念。进一步比值定义为电动势,描述引导学生得出电源通过非静电力做功,电源内非静电把其他形式的能转化为力做功与电动电能的本领。

势、电流的关系。

W非

E

本环节从电源的角度引导学生完成上一组问题的思考,理解非静电力做功与电动势、电流的关系,明确电动势概念。

这里主要是为了完成本节课的科学态度与责任的目标,培养学生普遍联系的观点。

Iqq

t非

则W=EIt

本环节引导学生进一

【寻找规律,升华观念】

三、闭合电路欧姆定律

引导学生思考,

若外电路为纯电阻,根据刚才得出来的式子,请你推导出闭合电路中的电流I与电源电动势E,外电路电阻R,内电阻r 是什么关系。

问题1. 这是闭合电路中的欧姆定律,它的适用条件是什么?

问题2. 比较以下两个公式的区别。

推导出闭合电路欧姆定律的表达式

我们的研究范围从原来学习的部分电路的欧姆定律,扩大到了全电路的欧姆定律。

EUI

I

我们如果从电RrR势升降的角度

理解闭合电路问题3. 运用本节知识解中的欧姆定律,释演示实验中,电压表示可以得出一个数变化的原因。

什么结论?

【全电路中的问题4. 为什么初中时老电势升等于内师告诉我们电路中电源电路的电势降两端电压不变?

加上外电路的【初中所学电源是一种电势降】

理想电源】

【巩固训练,理解规律】

例题. 如下图所示,R1=14Ω,R2=9Ω。当开关S切换到位置1时,电流表的读数为I1=0.2A,当开关S切换到位置2时,电流表的读数为I2=0.3A 求电源电动势E和内电阻r。

带领学生读题,掌握题目已知条件,分析:

(1)是否能用闭合电路欧姆定律解题?

(2)选哪个公式表达欧姆定律比较合适?

EIRr

外电路是纯电阻的闭合电路。

第一个公式用于全电路,第二个公式用于部分电路。

E=U内+U外

电路中电源有内阻,当接上外电路后,有电流通过内阻,产生了电压降。电压表测得的是外电路的电压。

电源的内电阻很小,可以忽略不计,此时电路的外电压近似等于电源电压。

步推导,发现闭合电路欧姆定律这一重要规律。闭合电路欧姆定律与电动势关联密切,闭合电路欧姆定律的推导过程就是能量转换和守恒的应用。

在运用能量观念得出电动势概念的基础上,推导电路中电源电动势与电流、外电路电阻、内电路电阻的关系,最后推导出欧姆定律的比值表达式,这是一个严谨的逻辑思维的过程。在运用能量观念解决问题的过程中,归纳出新的物理规律。在学习物理规律的过程中,使物理观念得到发展。

读题,小组讨论,发现

是纯电阻电路,能用闭根据学情设计的典型合电路欧姆定律解题,

例题让学生进行训练,帮助学生进一步用E=IR+Ir这个表理解、巩固所学知识,达式更合适。

达到理解欧姆定律的列方程组解得:

应用条件,掌握应用

方法的目标。

r=1Ω

E=3V

归纳总结四个方程的内涵:

引导学生结合学习目标对所学的知识进行归纳,找出知识点间的联系,掌握重点知【总结】

总结本节课重点知识,提示学生需要用能量的观念来理解W非= W内+W外

电动势的概念及闭合电路欧姆定律。

E=U内+U外

E=IR+Ir

I

识。

E

Rr

(三)

课后作业

1. 分析今天得出的四个表达式的物理意义,它们之间的区别与联系。

2. 预习“路端电压与负载的关系”这部分内容,预习相关实验。

【教学评价】

关于物理观念,2017版普通高中物理课程标准明确指出:必须把培养物理学科核心素养作为物理教学的重要目标,将物理学科核心素养的培养落实到教学活动中。物理观念的形成和发展需要学生通过物理概念、物理规律等内容的学习及运用才能逐步形成。学习概念和规律是学生形成物理观念的有机组成部分。在教学中,通过对物理概念和规律的逐步学习、系统反思和迁移应用,可促进学生物质观念、运动与相互作用观念和能量观念的不断发展,使学生学会用这些观念解释自然现象,解决生产生活中的实际问题。

以能量为例,能量概念是物理学的基本概念之一,而能量观念是指个体对物理学中能量相关问题的基本认识,是对物理学中能量相关概念和规律的概括性认识,是个体从物理学角度应用能量相关知识解决问题的基础。物理能量观念是最上位的概念,具有高度概括性,能量观念形成的层次高低受其下位的与能量相关的核心概念和与能量相关的具体知识掌握程度的影响。因此能量观念的形成具有阶段性、层次性和发展性的特点,高层次的物理能量观念是由低层次的能量观念逐渐发展起来的。在教学中通过概念的学习促进培养学生的能量观念,引导学生从能量的视角分析有关物理现象,理解能量概念和与能量相关的物理规律,并迁移应用到解决相关物理问题,逐渐形成高层次的物理能量观念。

这堂课,在学习电动势概念的过程中,不断引导学生运用之前学过的能量守恒与能量转化的角度去思考闭合电路中电流变化、电势变化、能量转化的关系,一步步建构电动势的概念,同时强化和训练学生的物理能量观念。也正是利用了能量观念,使得后面引导学生得出闭合电路欧姆定律这个规律变得顺理成章,学生更容易接受。

这堂课最大的特点是在不同的教学环节中抛出了大量的环环相扣问题,组织学生小组讨论,思考,给了学生充分的空间去推理,总结。这是小组学习模式最大的特点:课堂中教师的作用是引导,学生才是主体。教师提出问题就是为了推进课堂进程,学生讨论反馈出不同的意见,教师再进一步引导,层层推进,直到达到课堂目标。一方面在学生与学生之间充分交流互动的情况下,学生能够互相弥补知识的不足和思维能力的不足,更高效的跟上课堂进程,完成学习任务;另一方面,学生通过小组展示或者个别展示及时反馈交流的结果,教师能适时点拨,保证课堂讨论的方向性和有效性。

物理观念是物理核心素养的重要维度,能量与物质、运动、相互作用均为物理学的核心观念。随着新课程改革的逐步推进,要求我们的教学方式也应发生转变。教师应有意识地在教学中将学习和探究并举,引导学生学习和思考,注重对概念和规律的深入理解。小组学习模式下的有效交流互动,是促进学生物理观念和科学思维发展的有效方式,希望能得到推广。

【教学反思】

高中物理教材中关于电动势的定义,通常可分为两类:(1)第一类描述,人教版和沪科非

版对电动势的表述类似。人教版3-1教材定义电动势: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。如果移送电荷q时非静电力所做的功为W,那么电动势表示为W

W。沪科版3-1教材定义电动势为

,电动势就是电源内部qq非静电力移送单位电荷所做的功。非静电力是指出静电力外,其他能对电荷起作用的力。(2)第二类描述,教科版和粤教版对电动势的定义表述类似。教科版3-1教材定义电动势:电源将其他形式的能转化为电能的特性可以用电动势这个物理量来表征,它等于电源未接入电路时两极间的电势差。粤教版3-1教材定义电动势:物理学用电动势这个物理量来描述电源的特性,电源的电动势数值上等于不接用电器时电源正负两级间的电压。这种表述是从电动势的功能、与断路路端电压间的关系来描述的。

通过比较可知,电动势的概念都是从能量转化的角度进行描述的。第一类概念定义式从非静电力做功的角度进行描述,而且明确给出了电动势的定义式,又因为功是能量转化的量度,也就指出了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。从电动势概念建构的角度来讲,这种概念表达很准确,有利于明确概念的建构过程。第二类概念定义也说明电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置,同时给出电动势的大小等于断路时的路端电压,但是对非静电力的本质描述不够,在概念建构的起始阶段容易混淆电动势和电势差。

这堂课从电路中能量守恒与转化的角度出发,引导学生思考,但在处理内电路中非静电力做功使其他形式的能转化为电势能时,发现学生很难理解。这时不得不插入电源电动势的讲解的部分,通过不同的例子帮助学生“非静电力”、“非静电力做功”、“其他形式的能”这几个抽象的名词,之后才得出了电动势的概念。再回到能量守恒的角度,将非静电力做功与电动势、电流联系起来,使后面推导欧姆定律规律顺利。这样设计能让学生在构建概念和寻找规律时都能动用到原来学习到的能量知识,达到发展能量观念和发展科学思维的目标。但是,电动势概念确实是个比较难理解的概念,为了不使学生将电动势、电势差和路端电压这几个概念混淆,或许先讲解电源和电动势,之后再以化学电池为例,讨论分析深化电动势概念,进一步推导出闭合电路欧姆定律,更为合适。

设计人:吴艳婷

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