《第一節(jié) 導(dǎo)體的伏安特性曲線》教學(xué)設(shè)計(jì)

《第一節(jié)導(dǎo)體的伏安特性曲線》教學(xué)設(shè)計(jì)一、教學(xué)目標(biāo)（一）物理觀念1.理解電流的定義，進(jìn)一步體會(huì)用比值定義物理量的方法；2.知道歐姆定律和導(dǎo)體的伏安特性曲線，知道線性元件和非線性元件。（二）科學(xué)思維1.學(xué)會(huì)用電流的定義式來推導(dǎo)電流的微觀表達(dá)式，提高模型建構(gòu)和科學(xué)推理能力；2.理解歐姆定律和導(dǎo)體電阻的物理意義。（三）科學(xué)探究1.經(jīng)歷探究導(dǎo)體電壓與電流的關(guān)系，體會(huì)I-U圖像來處理、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律的方法；2.通過測(cè)繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)，掌握利用分壓電路改變電壓的基本技能，并學(xué)會(huì)一般元件伏安特性曲線的測(cè)繪方法。（四）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任1.了解電流發(fā)展的探索歷程，體會(huì)科學(xué)家的研究思想；2.通過測(cè)繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度。二、教材分析本節(jié)是高中電路學(xué)習(xí)的第一節(jié)，由于學(xué)生在初中階段已經(jīng)對(duì)電路有了一定的認(rèn)識(shí)，故此，這節(jié)起到承前啟后的作用。教材以初中階段已學(xué)過的“歐姆定律”為引子，說明“歐姆定律反映的是導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓、導(dǎo)體的電阻之間的關(guān)系，由此進(jìn)入新課。本節(jié)課分三個(gè)主題，即電流、歐姆定律、導(dǎo)體的伏安特性曲線，從電場(chǎng)的角度引入電流的概念，并得出電流的定義式，并用其推導(dǎo)電流的微觀表達(dá)式，這是對(duì)初中物理的電流的深入了解與延伸，讓學(xué)生從中體會(huì)經(jīng)歷建構(gòu)模型過程和科學(xué)推理過程，提高知識(shí)與能力水平；從物理學(xué)史的角度指出歐姆定律的電學(xué)規(guī)律——?dú)W姆定律，并由此定律讓學(xué)生體會(huì)用比值定義物理量的方法，把歐姆定律表達(dá)式表式就得到了電阻的定義式，并指出伏安法測(cè)電阻的方法；從探究實(shí)驗(yàn)的角度探究導(dǎo)體電壓與電流的關(guān)系，體會(huì)用圖像來處理、分析數(shù)據(jù)并總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，深化學(xué)生對(duì)歐姆定律的認(rèn)識(shí)。三、學(xué)情分析學(xué)生已經(jīng)在初中階段學(xué)習(xí)了電流的概念及其定義式、歐姆定律、用限流法測(cè)電阻的方法等，這些為推導(dǎo)電流的微觀表達(dá)式、構(gòu)建電阻的概念、描繪導(dǎo)體的伏安特性曲線做好了鋪墊。但是，儀器選擇、電流表內(nèi)外接法、滑動(dòng)變壓器的分壓式接法等對(duì)學(xué)生來講是難點(diǎn)，本節(jié)課盡可能降低難度，先讓學(xué)生了解分壓式電路與限流式電路的區(qū)別，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)電路的具體作用，為后面的學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)探究做好理論準(zhǔn)備。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)1.電流的定義；2.歐姆定律；3.導(dǎo)體的伏安特性曲線。教學(xué)難點(diǎn)1.電流的微觀表達(dá)式及其應(yīng)用；2.滑動(dòng)變阻器的分壓式接法。教學(xué)過程（一）情境導(dǎo)入十九世紀(jì)，發(fā)生了一場(chǎng)革命。歷史上稱它為“第二次工業(yè)革命”，這場(chǎng)革命以電力的廣泛應(yīng)用為標(biāo)志，極大地改變了人們的生活方式和生產(chǎn)方式，打開了人類進(jìn)入現(xiàn)代文明時(shí)代的大門。這場(chǎng)革命的爆發(fā)是因?yàn)橐粋€(gè)人和一項(xiàng)發(fā)明。意大利科學(xué)家伏特發(fā)明了電池，人類第一次得到持續(xù)穩(wěn)定的電流——恒定電流，從此，開創(chuàng)了人類認(rèn)識(shí)和實(shí)際利用電能的新紀(jì)元，電力技術(shù)也迅速發(fā)展起來。那么，電流是怎么形成的？恒定電流有什么特點(diǎn)？接下來，我們一起來學(xué)習(xí)第一節(jié)——導(dǎo)體的伏安特性曲線。（二）新課學(xué)習(xí)1.電流（1）電流形成的條件教師：我們知道電流是由自由電荷定向移動(dòng)形成的。電流的形成需要滿足哪些條件呢？教師引導(dǎo)學(xué)生思考，學(xué)生回答。首先，需要有定向移動(dòng)的自由電荷；再次，導(dǎo)體兩端存在電壓。教師：如何讓電路中有持續(xù)的電流？哪些器材可以提供持續(xù)的電流？學(xué)生：需要有持續(xù)的電壓，電源（蓄電池、干電池、發(fā)電機(jī)等）可提供持續(xù)的電壓。教師：是的，電流的形成需要有定向移動(dòng)的自由電荷和導(dǎo)體兩端存在電壓，電源（蓄電池、干電池、發(fā)電機(jī)等）可提供持續(xù)的電壓。電流的方向是怎樣呢？（2）電流的方向教師：自由電荷定向移動(dòng)就形成電流，正電荷與負(fù)電荷運(yùn)動(dòng)的方向不同，那電流的方向怎么判斷呢？19世紀(jì)初，人們認(rèn)為電流是正電荷定向移動(dòng)形成的，習(xí)慣延用至今。習(xí)慣上規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较颍c自由電子定向移動(dòng)的方向相反。學(xué)生：觀察與思考。教師：在電路中，電源外部，正電荷從電勢(shì)高向電勢(shì)低移動(dòng)，自由電子則從電勢(shì)低向電勢(shì)高移動(dòng)；即外電路中電流從電源正極流向負(fù)極，電源內(nèi)部則從負(fù)極流向正極。物理上，我們把方向不隨時(shí)間變化的電流稱為直流電，方向和大小都不隨時(shí)間變化的電流稱為恒定電流。通常所說的直流電就是指恒定電流。（3）電流的大小教師：自由電荷的定向移動(dòng)就產(chǎn)生電流，可能自由電荷有正負(fù)，它們的運(yùn)動(dòng)方向不相同，怎么計(jì)算電流的大小呢？學(xué)生：思考。教師：物理學(xué)中把某段導(dǎo)體橫截面的電量Q與所用時(shí)間t之比成為通過這段導(dǎo)體的電流，用I表示電流，其定義式為。例如：假設(shè)在t=2s的時(shí)間內(nèi)有2個(gè)電子通過導(dǎo)線的截面，則導(dǎo)線中的電流為。國際單位制中，電流的單位是安培，簡稱安，符號(hào)是A，1A=1C/s。常用的單位還有毫安（mA）和微安（），1A＝103mA；1A=106μA。學(xué)生：傾聽并做筆記。教師：下面我們一起來進(jìn)行討論與交流。如圖所示，一段均勻?qū)w長度為，橫截面積為。設(shè)導(dǎo)體中單位體積內(nèi)所含自由電荷數(shù)為，每個(gè)自由電荷的電量為，自由電荷定向移動(dòng)平均速率為。試推導(dǎo)出導(dǎo)體中電流的表達(dá)式。學(xué)生：思考與練習(xí)。教師：如圖所示，在時(shí)間t內(nèi)，自由電子移動(dòng)的距離為vt，通過橫截面S的電子個(gè)數(shù)是以S為底，vt為高的圓柱體體積（V=Svt）內(nèi)的電子總數(shù)N，總電荷量為Nq。因此可根據(jù)電流定義式I=Q/t求得電流I=nqSv。2.歐姆定律教師：同學(xué)們，我們初中學(xué)過歐姆定律，還記得歐姆定律的內(nèi)容嗎？學(xué)生：回憶并回答。教師：不錯(cuò)。德國物理學(xué)家歐姆通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體的電阻成反比，這就是歐姆定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為。表達(dá)式表明，在導(dǎo)體的電阻不變的情況下，電壓越大，通過的電流越大；電壓越小，通過的電流越小。同樣，在相同電壓作用下，導(dǎo)體的電阻越小，通過導(dǎo)體的電流越大；導(dǎo)體的電阻越大，通過導(dǎo)體的電流越小。我們要注意，歐姆定律適用于金屬導(dǎo)電和電解液導(dǎo)電，公式中的I、U、R必須對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻（或同一狀態(tài)）時(shí)的同一導(dǎo)體（或同一段電路），即歐姆定律的“同體性”和“同時(shí)性”。同學(xué)們，如果我們知道了導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓，能否求出導(dǎo)體的電阻？學(xué)生：思考并回答。教師：如果把表達(dá)式稍作變形，可以得到計(jì)算電阻的表達(dá)式。物理學(xué)中，電阻用導(dǎo)體兩端的電壓跟通過的電流之比來定義。、和三個(gè)表達(dá)式有何區(qū)別？學(xué)生：思考并回答。教師：講解三式的區(qū)別，見下表。表達(dá)式含義意義適用條件I=U歐姆定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式常用于計(jì)算一段電路加上一定電壓時(shí)產(chǎn)生的電流金屬或電解液導(dǎo)電(純電阻電路)R=U電阻的定義式比值表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用電阻由導(dǎo)體本身決定U=IR電勢(shì)降落的計(jì)算式用來表示電流經(jīng)過一電阻時(shí)的電勢(shì)降落金屬或電解液導(dǎo)電(純電阻電路)在實(shí)驗(yàn)室中，我們通過用電壓表測(cè)量導(dǎo)體兩端的電壓、用電流表測(cè)量通過導(dǎo)體的電流的方法來計(jì)算導(dǎo)體的電阻，這樣的方法叫作伏安法。請(qǐng)同學(xué)們思考以下例題。例題：對(duì)于歐姆定律的理解，判斷下列說法是否正確，并說明理由。（1）由，通過電阻的電流跟它兩端的電壓成正比，跟它的電阻成反比。（2）由，對(duì)一定的導(dǎo)體，通過它的電流越大，它兩端的電壓也越大。（3）由，導(dǎo)體的電阻跟它兩端的電壓成正比，跟通過它的電流成反比。（4）對(duì)一定的導(dǎo)體，它兩端的電壓與通過它的電流的比值保持不變。學(xué)生：思考并回答。教師：本題學(xué)生明確導(dǎo)體的電阻是它本身的一種屬性，有助于加深對(duì)歐姆定律的理解。（1）說法正確，對(duì)一定的導(dǎo)體，導(dǎo)體的阻值不變，由歐姆定律可知，通過電阻的電流強(qiáng)度跟它兩端的電壓成正比，跟它的電阻成反比；（2）說法正確，由U=IR，對(duì)一定的導(dǎo)體，導(dǎo)體的阻值不變，所以通過它的電流強(qiáng)度越大，它兩端的電壓也越大；（3）說法錯(cuò)誤，是電阻的定義式，電阻與電壓和電流無關(guān)，由導(dǎo)體本身決定；（4）說法正確，對(duì)一定的導(dǎo)體，其阻值不變，所以它兩端的電壓與通過它的電流強(qiáng)度的比值保持不變。3.導(dǎo)體的伏安特性曲線教師：如何直觀地反映導(dǎo)體中的電流I、電壓U和電阻R之間的關(guān)系呢？我們可以用圖像來描述它們之間的關(guān)系。下面我們開展實(shí)驗(yàn)探究，同學(xué)們想想需要哪些器材？各有何功能或作用？學(xué)生：思考并分析。教師：本實(shí)驗(yàn)利用伏安法測(cè)電阻，需要的實(shí)驗(yàn)器材有干電池、電流表、電壓表、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線等。如果要求金屬導(dǎo)體兩端的電壓從零開始逐漸增大，那么我們應(yīng)該選用下列哪個(gè)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？為什么選用這一電路？學(xué)生：思考并分析。教師：圖a是我們初中所學(xué)的滑動(dòng)變阻器限流式接法，接線時(shí)接一上一下兩個(gè)接線柱，請(qǐng)問同學(xué)們金屬導(dǎo)體兩端的電壓能否從零開始變化？是的，由于電源兩端的電壓除以總電阻就得到電流，無論滑動(dòng)變阻器的滑片置于何位置，總電阻始終不為零，干路上的電流不能從零開始變化，所以金屬導(dǎo)體的電壓也不能從零開始變化。同學(xué)們?yōu)槭裁磮Db可以呢？圖b中，滑動(dòng)變阻器接線時(shí)接兩下一上三個(gè)接線柱，如果將滑動(dòng)變阻器的滑片置于最左端，閉合開關(guān)后，電流從電源的正極出發(fā)，經(jīng)過開關(guān)后從滑動(dòng)變阻器的右端流入滑動(dòng)變阻器，當(dāng)電流到達(dá)滑動(dòng)變阻器的最左端時(shí)，本來電流應(yīng)該兵分兩路向左與向上流動(dòng)，但是，由于上面支路有電阻，下面支路電阻為零，于是電流就只流上面不流下面，電流表、電壓表的示數(shù)都為零！這種接法，我們稱為滑動(dòng)變阻器分壓式接法。滑動(dòng)變阻器的限流式接法和分壓式接法比較，見下表。兩種接法的電路圖R0R0負(fù)載R上電壓的調(diào)節(jié)范圍eq\f(RE,R＋R0)≤U≤E0≤U≤E負(fù)載R上電流的調(diào)節(jié)范圍eq\f(E,R＋R0)≤I≤eq\f(E,R)0≤I≤eq\f(E,R)用伏安法來測(cè)量電流與電壓，通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片，分別得到金屬導(dǎo)體a和b的幾組I和U的值，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在同一坐標(biāo)系中作出a和b的I-U圖像。下面我們觀看實(shí)驗(yàn)視頻。實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）選擇合適的儀器按如圖所示的電路圖連接好。（2）將滑動(dòng)變阻器滑片移到最左端后，閉合開關(guān)。（3）逐漸向右移動(dòng)變阻器的滑片，增加小燈泡兩端的電壓，在燈泡額定電壓范圍內(nèi)讀取幾組不同的電壓值和電流值，并制表記錄。改變電阻a、b兩端的電壓，每改變一次，讀出相應(yīng)的電壓值和電流值，如下表所示；測(cè)量物理量實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456U（V）I（A）（4）斷開開關(guān)，拆下導(dǎo)線，將儀器恢復(fù)原狀。（5）以I為縱軸，U為橫軸，畫出I-U圖線并進(jìn)行分析。學(xué)生：觀察與思考。教師：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出的數(shù)據(jù)，以縱坐標(biāo)表示電流I、橫坐標(biāo)表示電壓，作出I-U圖像，我們稱為導(dǎo)體的伏安特性曲線。伏安特性曲線是研究導(dǎo)體電流和電壓關(guān)系的重要工具。由實(shí)驗(yàn)可知，在溫度不太高時(shí)，同一金屬導(dǎo)體的I-U圖像是一條通過原點(diǎn)的直線，這表明，同一導(dǎo)體的電阻與電壓和電流無關(guān)，而是由導(dǎo)體本身的性質(zhì)決定的。請(qǐng)同學(xué)們思考，如圖所示的直線a、b的斜率有什么物理意義？哪一條表示的金屬導(dǎo)體的電阻較大？學(xué)生：思考并回答。教師：直線的斜率代表導(dǎo)體電阻的倒數(shù)，斜率越小，導(dǎo)體電阻越大。金屬導(dǎo)體b的電阻較大。將電阻換成小燈泡，改變小燈泡兩端的電壓，每改變一次，讀出電壓值和相應(yīng)的電流值。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在坐標(biāo)系中做出的I-U圖像。測(cè)量物理量實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456U（V）I（A）由實(shí)驗(yàn)可知，小燈泡的I-U圖像為一條曲線，說明小燈泡的電阻隨電路電壓、電流的變化而變化。我們把當(dāng)導(dǎo)體的伏安特性曲線為過原點(diǎn)的直線，即電流與電壓成正比，具有這種特點(diǎn)的電學(xué)元件稱為線性元件，如金屬導(dǎo)體、電解液等。伏安特性曲線不是直線的，即電流與電壓不成正比關(guān)系的電學(xué)元件，稱為非線性元件，如氣體導(dǎo)體、二極管等。同學(xué)們，請(qǐng)看圖（a），這是半導(dǎo)體二極管，二極管有正負(fù)極，符號(hào)如圖（b）所示。圖a圖a圖b如果我們把金屬導(dǎo)體換成半導(dǎo)體二極管，分別按照?qǐng)Da和圖b兩種方法把半導(dǎo)體二極管接入電路，描繪半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線，可以發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？并將其與定值電阻、小燈泡的I-U特性曲線對(duì)比，說出它們的導(dǎo)電性能特點(diǎn)。圖a圖a圖b圖c教師：當(dāng)二極管的正極與電源的正極相連，二極管的負(fù)極與電源的負(fù)極相連，改變滑片的位置，將滑片從a端向b端移動(dòng)，觀察電壓表與電流表的示數(shù)，我們發(fā)現(xiàn)二極管兩端的電壓與其電流逐漸增大，后來發(fā)現(xiàn)電流迅速增大，電壓幾乎不變；當(dāng)二極管的正極與電源的正極相連，二極管的負(fù)極與電源的負(fù)極相連，同樣改變滑片的位置，我們發(fā)現(xiàn)二極管兩端電壓逐漸增大，電流幾乎為零。我們作出如圖c所示的伏安特性曲線，當(dāng)二極管兩端加上正向電壓（如圖a），電路導(dǎo)通，即電流不為零；當(dāng)二極管兩端加上反向電壓（如圖b），電路截止，即電流為零。這就是半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦?。?qǐng)同學(xué)們思考，如圖所示，小燈泡的I-U圖像不是直線，請(qǐng)根據(jù)圖像分析哪部分曲線斜率大，曲線的斜率有什么物理意義？學(xué)生：思考并回答。教師：雖然歐姆定律不適用于非線性元件，但是計(jì)算電阻的公式仍然適用，以此判