電源特性的探究物理教案

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教學內容

高二《物理》(必修加選修)第二冊第十四章第六節。

問題提出

師：這節課，首先請同學們用電壓表測量不同型號的干電池、蓄電池的電壓，并說明測量結果。

生：不同型號的干電池的電壓都約為1.5V，蓄電池的電壓都約為2V。

師：我們的教材這樣講：“不接用電器時電源兩極間電壓的大小是由電源本身的性質決定的。為了表征電源的這種特性，物理學中引入電動勢的概念。電源的電動勢等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓?！蔽医o同學們提出一個問題：電動勢到底表征電源的什么特性?同學們，你們自己有什么問題嗎?

生甲：為什么不同型號的干電池的電壓都約為1.5V?

生乙：為什么干電池電壓與蓄電池不同?

生丙：電源的電動勢為什么等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓?

……

師：很好!為了回答以上問題，必須弄清電源的特性。

學生活動

一、活動Ⅰ：拆卸廢舊干電池、蓄電池，初步弄清它們的構造

師：請大家動手，拆卸廢舊干電池、蓄電池，看它們內部有些什么，內部物質是否導電。請注意環境衛生。

生：動手拆卸廢舊干電池、蓄電池，測量內部物質是否導電。

師：我們早已知道，電源正極聚集著正電荷，負極聚集著負電荷。現在又知道，干電池、蓄電池的正、負兩極之間的物質是導體。同學們對此有什么疑問嗎?

生甲：正電荷為什么能夠聚集在正極，負電荷為什么聚集在負極?

生乙：聚集在負極的負電荷為什么不經導電物質移向正極?

二、活動Ⅱ：提出設想，構建電源模型

師：這個問題提得相當好!為什么呢?同學們自己說說。

……

生：可能是電源內部存在一種力，不讓聚集在負極的負電荷經內部的導電物質移向正極。

師：如果這種猜測是正確的話，這種力會不會是靜電力?為什么?

生：不會。因為靜電力是使聚集在負極的負電荷經電池內部的導電物質由負極移向正極。

師：很好。我們知道物體通常呈電中性，大家想過沒有?為什么正電荷向電源正極聚集，負電荷向電源負極聚集?

……

生：是非靜電力作用的結果。

師：對!現在，我們進一步來討論這樣的問題：把帶有等量、異號電荷的平行板電容器用導線連接起來，導線中有瞬時電流。要保持導線中有持續的恒定電流，必須怎么辦?

生：為了使導線中有持續的電流，必須使兩極板間總存在恒定的電壓。

師：這時平行板電容器內部場強是否改變?

生：不變。

師：如何保持平行板電容器內部場強不變?就需要……

生：保持兩極板所帶電量不變。

師：如何保持兩極板所帶電量不變呢?

生：自然是把經過導線移至另一極的電荷重新“捉”回來，也就是要使從負極經過導線移至正極的等量電子再回到負極。

師：從負極經過導線移至正極的電子再回到負極的路徑是在平行板之間還是在平行板的外部?

生：內部。

師：靠什么力?

生：非靜電力。

師：通過剛才的討論，我們知道：如果能使平行板電容器負極經過導線移至正極的等量電子經平行板之間再回到負極，那么平行板之間就必須存在一種非靜電力。如果平行板之間存在那么一種非靜電力，那么這樣的“平行板電容器”就是什么?

生：電源。

活動Ⅲ：歸納總結電源的特性

師：作為電源，必須具備什么條件?

生：內部必須存在非靜電力。

師：電源內部的非靜電力作用于電荷，將產生什么效果?請大家討論一下，然后回答。

生：由于非靜電力總是不停地把正電荷由電源負極移至正極，或者把負電荷由電源正極移至負極，電源正極將聚集著正電荷，負極聚集著負電荷，在電源內部形成電場。

師：如果電源沒有接入外電路呢?

生：在非靜電力作用下，正電荷向電源正極移動，負電荷向電源負極移動，電源正負兩極電荷量將逐漸增多，兩極間電場將逐漸增強。

師：電源兩極間電場能否無限增強?為什么?

生：不能。因為，電源兩極之間形成了電場，電荷在移動過程中還要受到阻礙它運動的電場力作用，且阻礙它運動的電場力將逐漸增大。最終非靜電力和靜電力平衡，兩極間電場的場強也就保持不變了。

師：現在大家是否知道不同種類的電源，沒有接入電路時，用電壓表測得的兩極間電壓不等的原因了?認真思考、討論，然后回答。

……

生：由于不同種類的電源內部非靜電力的大小不同，兩極間電場的場強也就不同。所以不同種類的電源兩極間電壓不等。

師：相當好!請同學們再用能量的觀點討論、說明電源的特性。

……

生：非靜電力使正電荷由電源負極移至正極，對電荷做正功;電荷在移動過程中受電場力阻礙作用，要克服電場力做功。非靜電力做功使其他形式的能轉化為電能。從能的轉化觀點看來，電源就是把其他形式的能轉化為電能的裝置。

師：不同的電源把其他形式的能轉化為電能的本領相同嗎?為什么?

生：不同。因為對不同的電源來說，非靜電力一般不同，它把同樣多的正電荷從負極移至正極所做的功，一般是不同的。在移送電量相等的情況下，非靜電力做的功越多，電源把其他形式的能轉化為電能的本領也就越大。

活動Ⅳ：尋找論據，深入探究電源的特性

師：電動勢就是表征電源把其他形式的能轉化為電能的這種本領的物理量。課后，請同學們查閱有關電源資料，弄清如下幾個問題：①常見的有幾種電源?內部靠什么作用使得電源正極集聚著正電荷負極集聚著負電荷?②常見電源分別將什么形式的能量轉化為電能?③什么是電源的電動勢?④電源的電動勢為什么等于電源沒有接入電路時兩極間的電壓?

表達交流

在弄清上述問題的基礎上，結合課堂上的討論，寫一篇小論文，題為《電源的特性》。

點評：

電動勢的概念是掌握閉合電路歐姆定律的基礎和關鍵，是高中物理電學部分難以理解的概念之一。電動勢概念成為教學難點的原因：從電動勢概念的本身來看，電動勢概念十分抽象，建立電動勢概念涉及到的其他概念多，關系復雜。例如非靜電力、靜電力、非靜電力做功、克服非靜電力做功、能量轉化、動態平衡等等，很容易造成學生思路混亂。從學生這方面看，大多數中學生的抽象思維能力還比較低，對于電池、蓄電池的化學作用和發電機的電磁作用，在學習電動勢這一概念時，學生認識還不多，知識儲備不夠。另外，學生對電源的感性認識也十分匱乏，雖然經常接觸干電池等電源，但是對電源的感知僅限于外觀。鑒于以上原因，十多年以來，中學物理課本都沒有闡述清電動勢的物理意義，更沒有建立電動勢的概念，這給學生掌握閉合電路歐姆定律造成了重大障礙。這節課采用探究教學，讓學生動手，解剖電池，豐富學生的感性認識，培養學生的實踐能力;啟迪學生思維，培養提出問題、解決問題能力;在較短的時間內，學生自主進行了大量的思維活動，明確了電動勢的物理意義;將對電源的特性的進一步探究，以建立電動勢確切、科學的概念延伸到課外，既能使學生較深入地理解電動勢的概念，又沒有沖淡教學重點。這種課內外相結合探究同一問題的做法，在探究教學上具有一定的創新。