2022年人教版高中物理選修3-1 第二章 第6節(jié) 導(dǎo)體的電阻 教案1

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1、 2022年人教版高中物理選修3-1 第二章 第6節(jié) 導(dǎo)體的電阻 教案1 三維目標(biāo) 知識(shí)與技能 1.掌握電阻定律的內(nèi)容和物理意義,能利用電阻定律進(jìn)行有關(guān)的分析和計(jì)算; 2.掌握電阻率的概念,知道電阻率和哪些因素相關(guān)。 過(guò)程與方法 用控制變量法,探究導(dǎo)體電阻的決定因素,培養(yǎng)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)抽象概括出物理規(guī)律的能力。 情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究,體會(huì)學(xué)習(xí)的快樂(lè)。 教學(xué)重點(diǎn) 電阻定律及利用電阻定律分析、解決有關(guān)的實(shí)際問(wèn)題。 教學(xué)難點(diǎn) 1.利用實(shí)驗(yàn),抽象概括出電阻定律是本節(jié)課教學(xué)的難點(diǎn); 2.什么情況下考慮電阻率隨溫度的變化,什么情況下忽略這種影響。 教學(xué)方法 探究、

2、講授、討論、練習(xí)。 教  具 實(shí)物投影儀、電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器、學(xué)生電源、電鍵、導(dǎo)線(xiàn)若干、實(shí)驗(yàn)所需合金導(dǎo)線(xiàn)、日光燈燈絲、歐姆表、酒精燈、熱敏電阻、光敏電阻、手電筒。 [新課導(dǎo)入] 已知金屬銅在單位體積中的自由電子數(shù)為8.5×1028m?3,現(xiàn)在橫截面積為1.0mm2的銅導(dǎo)線(xiàn)中通過(guò)1.2A的電流,試求導(dǎo)線(xiàn)中自由電子的定向移動(dòng)速率。(答案:8.9×10?5m/s) 在我們剛才計(jì)算中,我們用到了電流的微觀(guān)解釋I=neSv,讓我們討論這樣幾個(gè)問(wèn)題: 1.在電壓一定的情況下,如果僅將導(dǎo)體的橫截面積S增大,電流會(huì)怎樣變化?(教師提示:電場(chǎng)強(qiáng)度(對(duì)柱形導(dǎo)體,看成勻強(qiáng)電場(chǎng)E=)會(huì)變化嗎?→v

3、會(huì)變化嗎?→n會(huì)變化嗎?→結(jié)論:I變大。 2.在電壓一定的情況下,如果僅將導(dǎo)體的長(zhǎng)度L增大,電流會(huì)怎樣變化? (提示:和上面類(lèi)似)→結(jié)論:I變小。 3.在電壓一定的情況下,如果僅將導(dǎo)體的溫度升高,電流會(huì)怎樣變化?(提示:和上面類(lèi)似,但要提請(qǐng)學(xué)生注意電子熱運(yùn)動(dòng)速率的變化──客觀(guān)上造成阻礙作用加大)→結(jié)論:I變小。 總結(jié):我們剛才討論的雖然是電流的變化,但根據(jù)歐姆定律,它事實(shí)上反映另外一個(gè)隱含的信息:電阻會(huì)隨著導(dǎo)體某些因素的改變而改變。 同學(xué)們?cè)诔踔袑W(xué)過(guò),電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì),導(dǎo)體電阻的大小決定于哪些因素?其定性關(guān)系是什么? 導(dǎo)體電阻的大小決定于導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積和材料。同種材料制

4、成的導(dǎo)體,長(zhǎng)度越長(zhǎng),橫截面積越小,電阻越大。 同學(xué)們?cè)诔踔幸呀?jīng)知道了導(dǎo)體的電阻與材料、長(zhǎng)度、橫截面積的定性關(guān)系,這節(jié)課讓我們用實(shí)驗(yàn)定量地研究這個(gè)問(wèn)題,找出影響導(dǎo)體電阻的因素,并定量的總結(jié)出相關(guān)規(guī)律。 [新課教學(xué)] 一、探究影響導(dǎo)體電阻的因素 我們已經(jīng)知道,導(dǎo)體的電阻是導(dǎo)體本身的一種性質(zhì),由導(dǎo)體自身的因素決定,那么,它到底由哪些因素決定呢?移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片可以改變它的電阻,這說(shuō)明導(dǎo)體電阻跟它的長(zhǎng)度有關(guān);同是220V的燈泡,燈絲越粗用起來(lái)越亮,說(shuō)明導(dǎo)體的電阻跟橫截面積有關(guān);電線(xiàn)常用銅絲制造而不用鐵絲,說(shuō)明導(dǎo)體的電阻跟它的材料有關(guān)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)可以在鐵絲、康銅絲、電爐絲(鎳鉻合金絲)等不同

5、金屬絲中選擇幾種,測(cè)量它們的橫截面積、長(zhǎng)度、電阻,從中找出關(guān)系。關(guān)于這些物理量的測(cè)量方法,建議如下。 取一段新的緊密繞制的電爐絲,如右圖那樣用刻度尺測(cè)出它的寬度,除以圈數(shù),便是電爐絲的直徑,于是可以算出電爐絲的橫截面積S。測(cè)量銅絲的橫截面積時(shí),可以使用類(lèi)似的方法,也可以用游標(biāo)卡尺或螺旋測(cè)微器測(cè)量。 把電爐絲拉直,或者用一根已經(jīng)被拉直的同一規(guī)格的電爐絲,用刻度尺量出它的長(zhǎng)度l。 可以用右圖的電路電量電爐絲的電阻R:閉合開(kāi)關(guān)后,測(cè)量電爐絲兩端的電壓、通過(guò)電爐絲的電流,然后根據(jù)歐姆定律算出電爐絲的電阻。改變滑動(dòng)變阻器的滑片位置,能獲得多組數(shù)據(jù),以各組電阻數(shù)據(jù)的平均值為電阻R。 通過(guò)測(cè)量得到所

6、需數(shù)據(jù)后,怎樣得出結(jié)論?以下方法可供參考。 探究方案一:實(shí)驗(yàn)探究 我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)度、橫截面積、材料三個(gè)因素中,保持兩個(gè)因素不變,比較第三個(gè)因素的影響,然后研究另外兩個(gè)因素的影響。 【實(shí)驗(yàn)】 探究導(dǎo)體電阻與其影響因素的定量關(guān)系 如圖所示,a、b、c、d是四條不同的金屬導(dǎo)體。在長(zhǎng)度、橫截面積、材料三個(gè)因素方面,b、c、d跟a相比,分別只有一個(gè)因素不同;b與a長(zhǎng)度不同,c與a橫截面積不同;d與a材料不同。 圖中四段導(dǎo)體是串聯(lián)的,每段導(dǎo)體兩端的電壓與它們的電阻成正比,因此,用電壓表分別測(cè)量a、b、c、d兩端的電壓,就能知道它們的電阻之比。 比較a、b的電阻之比與它們的長(zhǎng)度之比;比較

7、a、c的電阻之比與它們的長(zhǎng)橫截面積之比;比較a、d 的電阻是否相等。這樣就可以得出長(zhǎng)度、橫截面積、材料這三個(gè)因素與電阻的關(guān)系。 改變滑動(dòng)變阻器的滑片位置,可以獲得多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以得到更可靠的結(jié)論。 這個(gè)實(shí)驗(yàn)得到的是電阻與導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度、橫截面積的比例關(guān)系,實(shí)驗(yàn)中不必測(cè)量電阻大小的數(shù)值。 結(jié)論:導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成正比。導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的橫截面積成反比。導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)。 探究方案二:理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合探究 除了上述探究思路外,我們還可以用剛剛學(xué)過(guò)的知識(shí),通過(guò)邏輯推理來(lái)探究導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體長(zhǎng)度、橫截面積的關(guān)系,然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究導(dǎo)體電阻與材料的關(guān)系。 1.分析導(dǎo)體電阻與它的長(zhǎng)

8、度的關(guān)系 一條長(zhǎng)度為l、電阻為R的導(dǎo)體,可以看成是由n段長(zhǎng)度同為l1、電阻為R1的導(dǎo)體串聯(lián)而成的,這n段導(dǎo)體的材料、橫截面積都相同??傞L(zhǎng)度l與每段長(zhǎng)度l1的關(guān)系為 另一方面,由串聯(lián)電路的性質(zhì)可知,R=nR1,即 對(duì)比兩式,可知 即在橫截面積、材料相同的條件下,導(dǎo)體的電阻與長(zhǎng)度成正比。 2.研究導(dǎo)體電阻與它的橫截面積的關(guān)系 有n條導(dǎo)體,它們的長(zhǎng)度相同、材料相同、橫截面積相同。橫截面積同為S1、電阻同為R1。 由并聯(lián)電路的性質(zhì)可知,,即 同時(shí) 所以 即在長(zhǎng)度、材料相同的條件下,導(dǎo)體的電阻與橫截面積成反比。 在以上兩個(gè)結(jié)論的基礎(chǔ)上,再通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究導(dǎo)體的電

9、阻是否跟材料有關(guān),這時(shí)對(duì)它們的幾何尺寸就可以不做限制。這樣操作的自由度就大多了。 【實(shí)驗(yàn)】 探究導(dǎo)體電阻與材料的關(guān)系 1.根據(jù)以上分析,以等式的形式寫(xiě)出用導(dǎo)體長(zhǎng)度l、導(dǎo)體橫截面積S表示導(dǎo)體電阻R的關(guān)系式,用一個(gè)與l、S無(wú)關(guān)的常量表示比例系數(shù)。 2.選擇至少兩種不同材料的導(dǎo)體(例如鎳鉻合金與康銅絲),測(cè)出它們的長(zhǎng)度、橫截面積和電阻,分別計(jì)算出上述等式中的比例系數(shù)。 3.分析上述比例系數(shù)的物理意義。 二、導(dǎo)體的電阻 1.電阻定律的內(nèi)容 同種材料的導(dǎo)體的電阻R跟它的長(zhǎng)度L成正比,跟它的橫截面積S成反比;導(dǎo)體電組與構(gòu)成它的材料有關(guān)。這就是電阻定律。 2.電阻定律的公式 R=ρ 式

10、中ρ是比例常數(shù),它與導(dǎo)體的材料有關(guān),是一個(gè)反映材料導(dǎo)電性能的物理量。 三、電阻率 1.電阻率 由于在S 、L相同的情況下,ρ大,R就大,導(dǎo)電性就差,反之,則越好。所以ρ是一個(gè)能反映導(dǎo)體導(dǎo)電性能好壞的物理量。 電阻率ρ是反映導(dǎo)體導(dǎo)電性能好壞的物理量。 當(dāng)L=1m,S=1m2時(shí),ρ的數(shù)值等于R的值。可見(jiàn),材料的電阻率在數(shù)值上等于這種材料制成的長(zhǎng)為1m、橫截面積為1m2的導(dǎo)體的電阻。 電阻率由導(dǎo)體材料決定,反映物質(zhì)的屬性。 2.單位 在國(guó)際單位制中,電阻率的單位是歐·米(Ω·m)。 幾種導(dǎo)體材料在20℃時(shí)的電阻率 材料 ρ/Ω·m 材料 ρ/Ω·m 銀 1.6×10-8 鐵 1

11、.0×10-7 銅 1.7×10-8 錳銅合金 4.4×10-7 鋁 2.9×10-8 鎳銅合金 5.0×10-7 鎢 5.3×10-8 鎳鉻合金 1.0×10-6 錳銅合金:85%銅,3%鎳,12%錳。 鎳銅合金:54%銅,46%鎳。. 鎳鉻合金:67.5%鎳,15%鉻,16%鐵,1.5%錳。 【鞏固練習(xí)】 a.金屬與合金哪種材料的電阻率大? 合金的電阻率大。 b.制造輸電電纜和線(xiàn)繞電阻時(shí),怎樣選擇材料的電阻率? 制造輸電電纜時(shí)應(yīng)選用電阻率小的鋁或銅來(lái)做;制造線(xiàn)繞電阻時(shí)應(yīng)選用電阻率大的合金來(lái)制作。 3.電阻率與溫度有關(guān) 【演示】將日光燈燈絲(額定功率為8 W)與演示

12、用歐姆表調(diào)零后連接成下圖電路,觀(guān)察用酒精燈加熱燈絲前后,歐姆表示數(shù)的變化情況。 現(xiàn)象:當(dāng)溫度升高時(shí),歐姆表的示數(shù)變大,表明金屬燈絲的電阻增大,從而可以得出,金屬的電阻率隨著溫度的升高而增大。 金屬的電阻率隨著溫度的升高而增大。 (介紹電阻溫度計(jì)的主要構(gòu)造、工作原理,如右圖) 電阻溫度計(jì)就是利用金屬的電阻隨溫度變化制成的。常用的電阻溫度計(jì)是用金屬鉑做的,已知鉑絲的電阻隨溫度的變化情況,測(cè)出鉑絲的電阻就可以知道溫度。 錳銅合金和鎳銅合金的電阻率隨溫度變化極小。 錳銅合金和鎳銅合金的電阻率隨溫度變化極小,怎樣利用它們的這種性質(zhì)? 利用它們的這種性質(zhì),常用來(lái)制作標(biāo)準(zhǔn)電阻。 金屬材料

13、的電阻率隨著溫度的升高而增大,但是有些材料的電阻率隨著溫度的升高而減小,也有些材料的電阻率當(dāng)溫度降低到一定程度后會(huì)迅速減小為零,從而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。 【思考與討論】 如圖所示,R1和R2是材料相同、厚度相同、表面為正方形的導(dǎo)體,但R2的尺寸比R1小很多。通過(guò)兩導(dǎo)體的電流方向如圖所示。這兩個(gè)導(dǎo)體的電阻有什么關(guān)系? 你認(rèn)為這種關(guān)系對(duì)電路的微型化有什么意義? 分析:設(shè)厚度為d,正方形連長(zhǎng)為l,根據(jù)電阻定律,導(dǎo)體的電阻為 電阻與正方形的邊長(zhǎng)無(wú)關(guān),所以這兩個(gè)導(dǎo)體的電阻相等,故可以將電阻做得更小些,減小電阻的體積,對(duì)電路的微型化有很重要的意義。 若電流沿導(dǎo)體的其它方向流過(guò)導(dǎo)體,結(jié)論如何?

14、【說(shuō)一說(shuō)】 中央電視臺(tái)2002年12月播放了北京市技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局對(duì)市場(chǎng)中電線(xiàn)電纜產(chǎn)品質(zhì)量抽查的消息。消息引用檢驗(yàn)負(fù)責(zé)人的話(huà):“十幾個(gè)不合格產(chǎn)品中,大部分存在導(dǎo)體電阻不合格問(wèn)題,主要是銅材質(zhì)量不合格,使用民再生銅或含有雜質(zhì)很多的銅。再一個(gè)就是銅材質(zhì)量可能合格,但把截面積縮小,買(mǎi)2.5平方(毫米)的線(xiàn),拿到手的線(xiàn)可能是1.5或1.5多一點(diǎn)的,載流量不夠。還有一個(gè)問(wèn)題是絕緣層質(zhì)量不合格,用再生塑料制作電線(xiàn)外皮,電阻率達(dá)不到要求……” 談一談,這位負(fù)責(zé)人的講話(huà)中體現(xiàn)了哪些物理原理? 【鞏固練習(xí)】 ①關(guān)于電阻率,以下說(shuō)法中正確的是( A ) A.純金屬的電阻率較小,合金的電阻率較大,絕緣體

15、的電阻率最大 B.純金屬的電阻率隨著溫度的升高而減小 C.超導(dǎo)體的電阻率為零,所以在任何溫度下對(duì)電流都沒(méi)有阻礙作用 D.電阻率的大小只隨溫度的變化而變化,而與材料本身無(wú)關(guān) ②一段均勻?qū)Ь€(xiàn)對(duì)折兩次后并聯(lián)在一起,測(cè)得其電阻為0.5Ω,導(dǎo)線(xiàn)原來(lái)的電阻多大?若把這根導(dǎo)線(xiàn)的一半均勻拉長(zhǎng)為三倍,另一半不變,其電阻是原來(lái)的多少倍? 解析:一段導(dǎo)線(xiàn)對(duì)折兩次后,變成四段相同的導(dǎo)線(xiàn),并聯(lián)后的總電阻為0.5Ω,設(shè)每段導(dǎo)線(xiàn)的電阻為R,則=0.5Ω,R=2Ω,所以導(dǎo)線(xiàn)原來(lái)的電阻為4R=8Ω。 若把這根導(dǎo)線(xiàn)的一半均勻拉長(zhǎng)為原來(lái)的3倍,則這一半的電阻變?yōu)?Ω×9=36Ω,另一半的電阻為4Ω,所以拉長(zhǎng)后的總電阻為

16、40Ω,是原來(lái)的5倍。 ③右圖所示為滑動(dòng)變阻器原理的示意圖,下列說(shuō)法中正確的是( BCD ) a b c d P A.a(chǎn)和b接入電路時(shí),P向右移動(dòng),電阻增大 B.b和d接入電路時(shí),P向右移動(dòng),電阻減小 C.b和c接入電路時(shí),P向右移動(dòng),電阻減小 D.a(chǎn)和d接入電路時(shí),P向右移動(dòng),電阻增大 ④下列關(guān)于電阻率的說(shuō)法中正確的是( B ) A.電阻率與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積有關(guān) B.電阻率是表示材料導(dǎo)電性能的物理量,與溫度有關(guān) C.電阻率大的導(dǎo)體,電阻一定大 D.金屬電阻率在任何溫度下都不可能為零 ⑤一只“220 V 100 W”的燈泡工作時(shí)電阻為484Ω,拿

17、一只同樣的燈泡來(lái)測(cè)量它不工作時(shí)的電阻,下列說(shuō)法中正確的是( A ) A.小于484 Ω B.大于484 Ω C.等于484Ω D.無(wú)法確定 ⑥一個(gè)標(biāo)有“220 V 60 W”的白熾燈泡,加上的電壓U由0逐漸增大到220 V,在此過(guò)程中,電壓U和電流I的關(guān)系可用圖線(xiàn)表示,在圖中所給的四個(gè)圖線(xiàn)中,肯定不符合實(shí)際的是( ACD ) U I O U I O U I O U I O A B C D A V 短路 A

18、 B ⑦如圖所示,在相距40km的A、B兩地架兩條輸電線(xiàn),電阻共為800Ω,如果在A、B間的某處發(fā)生短路,這時(shí)接在A處的電壓表示數(shù)為10V,電流表的示數(shù)為40mA,求發(fā)生短路處距A處有多遠(yuǎn)? 解析:設(shè)發(fā)生短路處距離A處有x米,據(jù)題意知,A、B兩地間的距離l=40 km,電壓表的示數(shù)U=10 V,電流表的示數(shù)I=40 mA=40×10-3A,R總=800Ω。 根據(jù)歐姆定律I=可得:A端到短路處的兩根輸電線(xiàn)的電阻Rx Rx==250Ω ① 根據(jù)電阻定律可知: Rx=ρ ② A、B兩地輸電線(xiàn)的電阻為R總,R總=ρ ③ 由②÷③得 =

19、 ④ 解得x=12.5 km。 [小結(jié)] 本節(jié)課的學(xué)習(xí),主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)題: 1.通過(guò)實(shí)驗(yàn)定量地研究了與導(dǎo)體電阻有關(guān)的因素。 2.總結(jié)得出了電阻定律,掌握了電阻定律的內(nèi)容和公式:R=ρ。 3.電阻率是反映材料導(dǎo)電性能的物理量.材料的電阻率隨溫度的變化而改變;某些材料的電阻率會(huì)隨溫度的升高而變大(如金屬材料);某些材料的電阻率會(huì)隨溫度的升高而減?。ㄈ绨雽?dǎo)體材料、絕緣體等);而某些材料的電阻率隨溫度變化極?。ㄈ缈点~合金材料)。 電阻定律只是在初中的基礎(chǔ)上給出了一個(gè)定量的關(guān)系。但是,本節(jié)還是有一個(gè)新的要點(diǎn),那就是,我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體的電阻還會(huì)和溫度相關(guān)。這一點(diǎn)在實(shí)際中是有意義

20、的,比如,物理學(xué)家們根據(jù)這個(gè)特性制成了熱敏電阻,大家只要去了解一下電飯煲的工作原理,就會(huì)感受到熱敏電阻的使用價(jià)值了。此外,電阻隨溫度的變化在以后(超導(dǎo)及其應(yīng)用)中還會(huì)有深刻的發(fā)揮。 當(dāng)我們考慮到電阻隨溫度的變化時(shí),我們的很多電學(xué)問(wèn)題的討論是很麻煩的,因此,在更加廣泛的場(chǎng)合,我們忽略了這種效應(yīng)。甚至在中學(xué)階段,如果不是題目明確考察電阻隨溫度的變化規(guī)律,我們都不考慮這一點(diǎn)。這也是我們應(yīng)該記住的一個(gè)常規(guī)。 [布置作業(yè)] 教材第59頁(yè)“問(wèn)題與練習(xí)”第2、3題;思考并回答第1、4題。 板書(shū)設(shè)計(jì) 6.導(dǎo)體的電阻 一、探究影響導(dǎo)體電阻的因素 探究方案一:實(shí)驗(yàn)探究 導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長(zhǎng)度

21、成正比。導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的橫截面積成反比。導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體材料的性質(zhì)有關(guān)。 探究方案二:理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合探究 1.分析導(dǎo)體電阻與它的長(zhǎng)度的關(guān)系 即在橫截面積、材料相同的條件下,導(dǎo)體的電阻與長(zhǎng)度成正比。 2.研究導(dǎo)體電阻與它的橫截面積的關(guān)系 即在長(zhǎng)度、材料相同的條件下,導(dǎo)體的電阻與橫截面積成反比。 二、導(dǎo)體的電阻 1.電阻定律的內(nèi)容 同種材料的導(dǎo)體的電阻R跟它的長(zhǎng)度L成正比,跟它的橫截面積S成反比;導(dǎo)體電組與構(gòu)成它的材料有關(guān)。這就是電阻定律。 2.電阻定律的公式 R=ρ 三、電阻率 1.電阻率 電阻率ρ是反映導(dǎo)體導(dǎo)電性能好壞的物理量。 2.單位 在國(guó)際單位制中,電阻率的單位是歐·米(Ω·m)。 3.電阻率與溫度有關(guān) 金屬的電阻率隨著溫度的升高而增大。 錳銅合金和鎳銅合金的電阻率隨溫度變化極小。 教學(xué)后記

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