闭合电路欧姆定律.docx
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闭合电路欧姆定律
第四节闭合电路欧姆定律
●教学目标
一、知识目标
1.理解电动势的定义,知道电源的电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压.
2.知道电源的电动势等于内、外电路上电势降落之和.
3.理解闭合电路欧姆定律及其公式,并能熟练地用来解决有关的电路问题.
4.理解路端电压与电流(或外电阻)的关系,知道这种关系的公式表达和图线表达,并能用来分析、计算有关问题.
5.理解闭合电路的功率表达式,知道闭合电路中能量的转化.
二、能力目标
1.通过演示路端电压与外电阻的关系实验,培养学生利用“实验研究,得出结论”的探究物理规律的科学思路和方法.
2.通过研究路端电压与电流关系的公式、图线及图线的物理意义,培养学生应用数学工具解决物理问题的能力.
3.通过利用闭合电路欧姆定律解决一些简单的实际问题,培养学生运用物理知识解决实际问题的能力.
三、德育目标
通过本节课教学,加强对学生科学素质的培养,通过探究物理规律培养学生的创新精神和实践能力
●教学重点
1.闭合电路的欧姆定律
2.路端电压与电流(外电阻)关系的公式表示及图线表示.
●教学难点
1.电动势的概念.
2.路端电压与电流(或外电阻)的关系.
●教学方法
在教师指导下,师生共同探讨的启发式教学,通过演示实验,讨论、讲解、练习、电教等方法完成教学任务.
●教学用具
干电池(1号、5号、2号),铅蓄电池、可调内阻电池、叠层电池、滑动变阻器、电压表、电流表、导线若干、示教板电路1、示教板电路2、实物投影仪、多媒体电脑、自制课件.
●课时安排
1课时
●教学过程
[投影]本节课学习目标:
1.知道电源的电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压.
2.知道闭合电路中,电源的电动势与内、外电压的关系.
3.掌握闭合电路的欧姆定律,并能用来解决有关的电路问题.
4.知道路端电压与电流的关系式及图线.
5.知道路端电压随外电阻的增大而增大,随着外电阻的减小而减小.
6.知道闭合电路中功率的表达式.
●学习目标完成过程
一、引入
[教师]
(1)最简单的电路由哪几部分组成?
(2)用电器中持续恒定电流的条件是什么?
[学生]
(1)最简单的电路是由电源、用电器、开关、导线组成的电流路径.
(2)用电器中有持续恒定电流的条件是:
用电器两端有恒定的电压,即用电器接在电源的两极上.
[教师]同学们在实验室常用的电源有哪些?
[学生]干电池、蓄电池.
[教师]向学生出示各种电池,并认识它们的正、负极.
干电池(1号、5号、2号)、铅蓄电池、可调内阻铅蓄电池、叠式电池、钮扣式氧化银电池.
[演示实验]用电压表测量电池没有接入电路时两极间的电压.
[实验结果]干电池(1号、5号、2号)的电压约1.5V,铅蓄电池的电压约2.0V,可调内阻铅蓄电池的电压约2.0V,叠层电池的电压约9.0V.
[教师]从上面的实验可得出什么结论?
[学生讨论并回答]
从上面的测量结果可以看出:
没有接入电路时类型相同的电池两极间的电压相同,而类型不同的电池两极间的电压不同.
[教师]此电压是由什么因素决定的?
[学生]由电源本身的性质决定的.
[教师]物理上为了表征电源的这种特性,引入电动势的概念.
[板书]第四节闭合电路欧姆定律
二、教学新课
(一)电动势
[板书]电源的电动势在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压.
[教师]上面我们讨论了电源没有接入电路时电动势的数值,那么当电源接入闭合电路中时,情况又怎么样呢?
为此,我们先认识闭合电路的两部分组成.
[投影]介绍闭合电路,学生认识内电路、外电路、内电阻、外电阻.如图所示
[学生]总结外电路、内电路、外电阻、内电阻.
外电路:
电源外部的电路,包括用电器、导线等.
内电路:
电源内部的电路.
外电阻:
外电路的总电阻.
内电阻:
内电路的电阻、通常称为电源的内阻.
[教师]利用CAI课件研究闭合电路中,电源电动势E跟U内、U外的关系:
如图所示.
(1)在外电路中,电流由电势高的一端流向电势低的一端,在外电阻上沿电流方向有电势降落
U外,在内阻上也有电势降落U内.
(2)在电源内部,由负极到正极电势升高,升高的数值等于电源的电动势E.
(3)理论分析表明:
在闭合电路中,电源内部电势升高的数值等于电路中电势降落的数值,即电源的电动势E等于U内与U外之和.
[板书]在闭合电路中,电源的电动势E等于内外电路上的电势降落U内、U外之和.
E=U外+U内
[教师]闭合电路中电势升降可用“儿童滑梯”作类比.图中儿童滑梯两端的高度差相当于内、外电阻两端的电势差,电源就像升降机,升降机举起的高度相当于电源的电动势.如图所示.
[练习]出示如图装置示教板,将开关分别拨向1和2,从电压表读出的是什么?
[学生]电源电动势.
[教师]分别将开关拨向1和2,让学生通过电压表的实物投影读出电源E1和E2的电动势.
[学生]E1=3V,E2=9V
[教师]将电压表换成小灯泡,开关接1时,小灯泡很亮,几乎发白光.问开关接2时,会发生什么情况?
[学生]烧毁或更亮.
[教师]开关接通2,小灯光还不如接1时亮.
[学生]好奇,形成强烈反差.
[教师]学习了闭合电路的欧姆定律后,我们就能解释这一现象了.
(二)闭合电路欧姆定律
[投影]如右图所示电路
[教师]闭合电路中,流过内电路和外电路的电流有什么关系?
[学生]相等.
[教师]电源的电动势E与内外电压U内、U外之间的关系怎样?
[学生]E=U内+U外
[教师]设闭合电路中的电流为I,外电阻为R,内阻为r,电源电动势为E,由部分电路欧姆定律可以将上式进一步写成怎样的形式?
[学生]根据欧姆定律,外电压U外=IR,内电压U内=Ir,代入E=U内+U外可得,E=Ir+IR
[教师]如果我们要探讨电路里电流I和哪些因素有关,有什么关系,还需要把上式改写成怎样的形式?
[学生]可以改写成:
I=
[教师]这就是闭合电路的欧姆定律.
[板书]闭合电路的欧姆定律
(1)内容:
闭合电路中的电流跟电源的电动势成正比,跟内、外电路的电阻之和成反比,这个结论叫做闭合电路的欧姆定律.
(2)公式:
I=
(3)适用条件:
外电路是纯电阻的电路.
(三)路端电压跟负载的关系
[教师]对给定的电源,E、r均为定值,外电阻变化时,电路中的电流如何变化?
[学生]据I=
可知,R增大时I减小;R减小时I增大.
[教师]外电阻增大时,路端电压如何变化?
[学生]有人说变大,有人说变小.
[教师]实践是检验真理的惟一标准,让我们一起来做下面的实验.
[演示实验]探讨路端电压随外电阻变化的规律.
(1)投影实验电路图如图所示.
(2)按电路图连接电路.
(3)调节滑动变阻器,改变外电路的电阻,观察路端电压怎样随电流(或外电阻)而改变.
[学生]总结实验结论:
当外电阻增大时,电流减小,路端电压增大;当外电阻减小时,电流增大,路端电压减小.
[教师]下面用前面学过的知识讨论它们之间的关系.路端电压与电流的关系式是什么?
[学生]U=E-Ir
[教师]就某个电源来说,电动势E和内阻r是一定的,利用数学知识可以知道路端电压U是电流I的一次函数,同学们能否作出U—I图象呢?
[学生]路端电压U与电流I的关系图象是一条向下倾斜的直线.
[投影]U—I图象如图所示.
[教师]从图象可以看出路端电压与电流的关系是什么?
[学生]U随着I的增大而减小.
[教师]直线与纵轴的交点表示的物理意义是什么?
直线的斜率呢?
[学生]直线与纵轴的交点表示电源的电动势E,直线的斜率的绝对值表示电源的内阻.
[板书]路端电压随着电流的增大而减小,或路端电压随着外电阻的增大而增大.
[教师]能否根据闭合电路的欧姆定律从理论上分析路端电压与电流(或外电阻)的关系呢?
[学生]在教师的指导下分析:
当外电阻R增大时,根据闭合电路欧姆定律I=
可知,电流I减小,内电压U内=Ir减小,路端电压U=E-Ir增大.
同理可判断R减小时的情况.
[教师]刚才我们讨论了路端电压跟外电阻的关系,请同学们思考:
在闭合电路中,当外电阻等于零时,会发生什么现象?
[学生]发生短路现象.
[教师]发生上述现象时,电流有多大?
[学生]当发生短路时,外电阻R=0,U外=0,U内=E=Ir,故短路电流I=
.
[教师]一般情况下,电源内阻很小,像铅蓄电池的内阻只有0.005Ω~0.1Ω,干电池的内阻通常也不到1Ω,所以短路时电流很大,很大的电流会造成什么后果?
[学生]若电路中有保险丝,会引起保险丝熔断.否则可能烧坏电源,也可能引起火灾.
[教师]实际中,要防止短路现象的发生.当外电阻很大时,又会发生什么现象呢?
[学生]断路.断路时,外电阻R→∝,电流I=0,U内=0,U外=E.
[教师]电压表测电动势就是利用了这一原理.
[练习]出示如图的示教板.逐个合上开关,灯泡的亮度会不会发生变化?
[学生]讨论,看法不一.
[演示实验]学生观察.
[实验结果]发现接入电路中的灯泡越多,灯泡的亮度逐渐变暗.
[教师]怎样解释上面的现象?
[学生]随着灯泡逐渐接入,外电路的总电阻逐渐减小,外电路的端电压逐渐减小,据P=
可知,灯泡消耗的实际功率逐渐变小,灯泡亮度变暗.
[练习]请同学们思考示教板1的实验中,为什么接2时小灯泡更暗?
[学生]讨论并回答.
应该是开关接2时,E2和小灯泡构成闭合电路,由于E2的内阻很大,故第二次加在小灯泡两端的电压比第一次小,所以第二次灯泡发光较暗.
[教师]同学们的推理是否正确?
让我们用实验验证一下.
[演示实验]用电压表测出示教板1电路中,开关接1和接2两种情况下的路端电压.
[实验结果]第二次时的路端电压确实小于第一次时的路端电压,证实了同学们的回答是正确的.
(四)闭合电路中的功率
[教师]据E=U外+U内,两边乘以电流,得到EI=U外I+U内I,式中的EI、U外I、U内I分别表示什么物理意义?
[学生]EI表示电源提供的电功率;U外I表示外电路上消耗的电功率;U内I表示内电路上消耗的电功率.
[教师]EI=U外I+U内I说明了什么?
[学生]说明了电源提供的电能只有一部分消耗在外电路上,转化为其他形式的能,另一部分消耗在内阻上,转化为内能.
[教师]实际上,上式也表明:
电源的电动势越大,电源提供的电功率就越大,这表示电源把其他形式的能转化为电能的本领就越大.
[板书]闭合电路中的功率:
EI=U外I+U内I
(五)例题分析
[投影]教材例题1,如图所示.
解析:
由题意知,电动势E=1.5V,外电阻R=1.38Ω,内阻r=0.12Ω.
由闭合电路欧姆定律可求出电流I:
I=
A=1A
路端电压为U=IR=1×1.38V=1.38V
[说明]路端电压随外电阻变化的根本原因是由于电源有内阻,若电源的内阻r=0,这样的理想电源,它的路端电压不随外电阻的变化而变化,初中讨论的都是这样的电源.但是实际中的电源都有内阻,正是由于r≠0,才导致了路端电压随外电阻的变化而变化.
[投影]教材例题2,如图所示.
解析:
由题意知,R1=14Ω,R2=9Ω,I1=0.2A,I2=0.3A,根据闭合电路欧姆定律可列出方程:
E=I1R1+I1rE=I2R2+I2r
消去E,解出r,得r=
代入数值,得r=1Ω.
将r值代入E=I1R1+I1r中,得E=3V
[说明]这道例题为我们提供了一种测量电源的电动势E和内阻r的方法.同学们课后可以思考:
若给你一个电压表、一个电阻箱、导线若干、开关,如何测一节干电池的电动势和内阻?
若给你一个电压表和一个电流表呢?
三、巩固练习
1.在如图所示的电路中,R1=10Ω,R2=20Ω,滑动变阻器R的阻值为0~50Ω,当滑动触头P由I向b滑动的过程中,灯泡L的亮度变化情况是_______
A.逐渐变亮
B.逐渐变暗
C.先变亮后变暗
D.先变暗后变亮
2.如图所示电路,电源内阻不能忽略,R1阻值小于变阻器的总电阻(R1≠0),当滑动变阻器的滑片P停在变阻器的中点时,电压表的示数为U,电流表的示数为I,那么滑片P向上移动的全过程中_______
A.电压表的示数总小于U
B.电流表的示数总大于I
C.电压表的示数先增大后减小
D.电流表的示数先减小后增大
参考答案:
1.B
解析:
灯泡的亮度由灯的实际功率大小决定.电灯灯丝电阻不变,研究通过灯丝电流的大小可知灯的亮度.
电源电动势E和内阻r不变,通过灯泡电流由外电路总电阻决定.外电阻是由滑动变阻器进入电路部分电阻决定,当滑动触头由a向b滑动过程中,滑动变阻器连入电路部分电阻增大,总电阻增大,即R总=RL+
,其中R′表示滑动变阻器接入电路中的阻值.总电流I=
减少,PL=I2RL,故灯泡的实际功率减小,灯泡变暗.综上所述,选择B.
2.BC
解析:
本题属外电路电阻变化,判断路端电压和部分电路的电流变化的问题.电流表的示数是通过电阻R1的电流IR1,电压表示数表示的是路端电压,数值为U=E-Ir,如果用R0′和R0″分别表示滑动变阻器P上方电阻和下方电阻,则外电阻R=R2+
,当R0″=R1+R0′时外电阻R最大,当滑片P从变阻器的中点向上移动的过程中,R0′从
到
时,外电路电阻R先增大后减小,对应的电压表示数也是先增大后减小.由电源和电阻R2组成的等效电源的端电压U′=E-I(R2+I)也是先增大后减小.当电压U′增大时,电流表示数IR1增大,由于IR1=
,其中U′增大,R0′减小;当U′减小时,电流表示数不能用IR1=
判断其变化,而要利用IR1=I-I″来判断,I是干路中的总电流,当U′减小时I增大,I″是滑动变阻器滑片P下方支路的电流I″=
,在U′减小时,I″也减小,所以U′减小时IR1=I-I″是增大的,即电流表的示数总是大于原来示数I.
综上所述,选择答案BC.
四、小结
通过本节课的学习,主要学习了以下几个问题:
1.电源的电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压,其大小是因电源本身的性质决定的.在电源上接上外电路时,电源内外有相同的电流,这时在内、外电阻上有电势降落U内和U外,这时电源电动势就等于内、外电压之和,即E=U内+U外.
2.闭合电路的欧姆定律的内容及公式.
3.路端电压随着外电阻的增大而增大,随着外电阻的减小而减小.
4.路端电压与电流的关系式为U=E-Ir,其U—I图线是一条倾斜的直线.
5.闭合电路中的功率关系为EI=U外I+U内I即P总=P外+P内.
五、作业
1.练习四写在作业本上
2.
3.预习分组实验七——测定电源内阻和电动势.
六、板书设计
七、本节优化训练设计
1.如图所示,A、B为两个独立电源的路端电压与其总电流I的关系图线,则下列说法中正确的是______.
A.路端电压都为U0时,它们的外电阻相等
B.电流都是I0时,两电源的内电压相等
C.电源A的电动势大于电源B的电动势
D.电源A的内阻小于电源B的内阻
2.若E表示电源的电动势,U表示外电压,U′表示内电压,R表示外电路的总电阻,r表示内电阻,I表示电流,则下列各式中正确的是______.
A.U′=IR
B.U′=E-U
C.U=E+Ir
D.U=
E
3.如图所示,已知R1=R2=R3=1Ω,当开关S闭合后,电压表的读数为1V;当开关S断开后,电压表的读数为0.8V,则电池的电动势等于______.
A.1VB.1.2VC.2VD.4V
4.如图所示,L1、L2、L3三个灯泡连接的电路.如果L3灯发生短路,某同学对各灯发生变化作如下的判断,正确的是_______.
A.L3灯两端电压为零
B.电池组路端电压为零
C.L1灯变得更亮
D.L2灯变得更亮
5.如图所示电路中,A、B、C、D是四只相同的电灯,当滑动变阻器的滑键向下滑动时,下列说法中正确的是_______.
A.A灯变亮
B.B灯变亮
C.C灯变亮
D.D灯变亮
6.如图所示的电路,变阻器AB的电阻是9Ω,AP是AB的
,E=6V,r=1Ω,求电流表和电压表的示数_______.
7.如图所示电路,E=6V,r=1Ω,R1=4Ω,R2=11Ω,R3=12Ω,求
(1)当S断开时电流表与电压表的示数.
(2)当S闭合时电流表与电压表的示数.
8.如图所示,R4为滑动变阻器,电阻的变化和长度成正比,A、B为两端点,R1=2Ω,R2=R3=R4=6Ω,电源内阻r=1Ω,当滑动变阻器的滑动头移到A点时,电压表的读数为5V,
(1)当滑动头移到B点时,电路消耗的总功率是多大?
(2)当滑动头移到中点C时,R4上消耗的功率是多大?
(3)滑动头在A、B、C三点时,电源的效率各是多少?
9.如图所示电路,电源内阻r=6Ω,电路消耗的功率为400W,外电路消耗的功率为376W,电阻R1=50Ω,求
(1)电路中的电流.
(2)电源的电动势.
(3)电阻R2上消耗的功率.
10.如图所示电路,两个电阻R都为0.4Ω.接通S时,电压表示数为4V;断开S时电压表示数为2.4V,求电源电动势和内阻.
参考答案:
1.AC
解析:
电源外电阻的大小,在数值上等于电源路端电压与回路电流之比,现A、B两图线的交点坐标为U0、I0,即说明两电源在输出相同的电压U0时,电流I0相同,可见两电源的外电阻相等,故A选项正确.
图线与纵轴的交点的坐标值表示电动势的大小,与横轴的交点的坐标值表示电路中的短路电流,图线的斜率大小表示电动势与短路电流的比值,即表示内阻的大小.由图线可知,A的电动势EA大于B的电动势EB,A的内阻rA大于B的内阻rB,故C选项正确,D选项错误.
电源的内电压等于回路电流与电源内阻的乘积,即U内=I0r,由于A的内阻rA大,故A电源的内电压大.故B选项错误.
综上所述,选择AC.
2.BD
3.C
解析:
设电池的电动势为E,内阻为r,根据闭合电路欧姆定律有,当S断开时,E=0.8+0.8+0.8r①
当S闭合时,R2、R3并联后的总电阻为0.5Ω,则有:
E=1+0.5+r②
解得E=2V
4.AC
5.BD
6.I=1.33A,U=4V
解析:
把变阻器的电阻分成PA、PB两部分,阻值分别为R1、R2,R1、R2并联,因R1=3Ω,R2=6Ω,所以外电阻为
R=
=
Ω=2Ω
所以路端电压,即电压表的示数为
U=
V=4V
通过R1的电流,即电流表的示数为
I=
A=1.33A
7.
(1)0.25A3V
(2)0.4A1.2V
解析:
(1)当S断开时,外电阻R=R2+R3=(11+12)Ω=23Ω,
电流表示数I=
A=0.25A
电压表示数U=IR3=0.25×12V=3V
(2)当S闭合时,外电阻为R′,R′=R2+
Ω=14Ω
电流表示数I′=
A=0.4A
电压表示数U′=I′
=0.4×3V=1.2V
8.
(1)12W
(2)1.92W(3)A点:
;B点:
;C点:
解析:
(1)当滑动头在A点时,外电阻为R,R=R1+
Ω=5Ω
路端电压U=5V,总电流I=
A=1A
电源电动势E=I(R+r)=1×(5+1)V=6V
当滑动头移到B点时,外电阻为R1,则电路消耗的总功率P总=
W=12W
(2)当滑动头移到中点C时,外电阻为R,R=R1+
Ω=4Ω
电流I=
A=1.2A
流过R4的电流IBC=
I=
×1.2A=0.8A
R4消耗的功率P=IBC2RBC=0.82×3W=1.92W
(3)滑动头在A点时,外电阻为5Ω,在B点时,外电阻为2Ω,在C点时,外电阻为4Ω,故滑动头在A点时电源的效率为
,B点为
,C点对
.
9.
(1)I=2A
(2)U=200V(3)P2=176W
解析:
(1)据闭合电路中的功率关系
P总=P外+P内得P内=P总-P外=(400-376)W=24W
电路中的电流I=
=
A=2A
(2)据P总=EI得E=
V=200V
(3)电阻R1消耗的功率P1=I2R1=22×50W=200W
电阻R2消耗的功率P2=P外-P1=(376-200)W=176W
10.E=6V,r=0.2Ω
解析:
设电源电动势为E,内阻为r,接通S时,E=4+
r
当S断开时,E=2.4×2+
解得r=0.2Ω,E=6V
..
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