電源特性的探究教案

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【教學(xué)內(nèi)容】

高二《物理》(必修加選修)第二冊第十四章第六節(jié)。

【問題提出】

師：這節(jié)課，首先請同學(xué)們用電壓表測量不同型號(hào)的干電池、蓄電池的電壓，并說明測量結(jié)果。

生：不同型號(hào)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(shí)電源兩極間電壓的大小是由電源本身的性質(zhì)決定的。為了表征電源的這種特性，物理學(xué)中引入電動(dòng)勢的概念。電源的電動(dòng)勢等于電源沒有接入電路時(shí)兩極間的電壓?！蔽医o同學(xué)們提出一個(gè)問題：電動(dòng)勢到底表征電源的什么特性?同學(xué)們，你們自己有什么問題嗎?

生甲：為什么不同型號(hào)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(dòng)勢為什么等于電源沒有接入電路時(shí)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(xué)生活動(dòng)】

一、活動(dòng)Ⅰ：拆卸廢舊干電池、蓄電池，初步弄清它們的構(gòu)造

師：請大家動(dòng)手，拆卸廢舊干電池、蓄電池，看它們內(nèi)部有些什么，內(nèi)部物質(zhì)是否導(dǎo)電。請注意環(huán)境衛(wèi)生。

生：動(dòng)手拆卸廢舊干電池、蓄電池，測量內(nèi)部物質(zhì)是否導(dǎo)電。

師：我們早已知道，電源正極聚集著正電荷，負(fù)極聚集著負(fù)電荷。現(xiàn)在又知道，干電池、蓄電池的正、負(fù)兩極之間的物質(zhì)是導(dǎo)體。同學(xué)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(fù)電荷為什么聚集在負(fù)極?

生乙：聚集在負(fù)極的負(fù)電荷為什么不經(jīng)導(dǎo)電物質(zhì)移向正極?

二、活動(dòng)Ⅱ：提出設(shè)想，構(gòu)建電源模型

師：這個(gè)問題提得相當(dāng)好!為什么呢?同學(xué)們自己說說。

……

生：可能是電源內(nèi)部存在一種力，不讓聚集在負(fù)極的負(fù)電荷經(jīng)內(nèi)部的導(dǎo)電物質(zhì)移向正極。

師：如果這種猜測是正確的話，這種力會(huì)不會(huì)是靜電力?為什么?

生：不會(huì)。因?yàn)殪o電力是使聚集在負(fù)極的負(fù)電荷經(jīng)電池內(nèi)部的導(dǎo)電物質(zhì)由負(fù)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(fù)電荷向電源負(fù)極聚集?

……

生：是非靜電力作用的結(jié)果。

師：對!現(xiàn)在，我們進(jìn)一步來討論這樣的問題：把帶有等量、異號(hào)電荷的平行板電容器用導(dǎo)線連接起來，導(dǎo)線中有瞬時(shí)電流。要保持導(dǎo)線中有持續(xù)的恒定電流，必須怎么辦?

生：為了使導(dǎo)線中有持續(xù)的電流，必須使兩極板間總存在恒定的電壓。

師：這時(shí)平行板電容器內(nèi)部場強(qiáng)是否改變?

生：不變。

師：如何保持平行板電容器內(nèi)部場強(qiáng)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(jīng)過導(dǎo)線移至另一極的電荷重新“捉”回來，也就是要使從負(fù)極經(jīng)過導(dǎo)線移至正極的等量電子再回到負(fù)極。

師：從負(fù)極經(jīng)過導(dǎo)線移至正極的電子再回到負(fù)極的路徑是在平行板之間還是在平行板的外部?

生：內(nèi)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(fù)極經(jīng)過導(dǎo)線移至正極的等量電子經(jīng)平行板之間再回到負(fù)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(dòng)Ⅲ：歸納總結(jié)電源的特性

師：作為電源，必須具備什么條件?

生：內(nèi)部必須存在非靜電力。

師：電源內(nèi)部的非靜電力作用于電荷，將產(chǎn)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(fù)極移至正極，或者把負(fù)電荷由電源正極移至負(fù)極，電源正極將聚集著正電荷，負(fù)極聚集著負(fù)電荷，在電源內(nèi)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(dòng)，負(fù)電荷向電源負(fù)極移動(dòng)，電源正負(fù)兩極電荷量將逐漸增多，兩極間電場將逐漸增強(qiáng)。

師：電源兩極間電場能否無限增強(qiáng)?為什么?

生：不能。因?yàn)?，電源兩極之間形成了電場，電荷在移動(dòng)過程中還要受到阻礙它運(yùn)動(dòng)的電場力作用，且阻礙它運(yùn)動(dòng)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(qiáng)也就保持不變了。

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

……

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

師：相當(dāng)好!請同學(xué)們再用能量的觀點(diǎn)討論、說明電源的特性。

……

生：非靜電力使正電荷由電源負(fù)極移至正極，對電荷做正功;電荷在移動(dòng)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(zhuǎn)化為電能。從能的轉(zhuǎn)化觀點(diǎn)看來，電源就是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。

師：不同的電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)相同嗎?為什么?

生：不同。因?yàn)閷Σ煌碾娫磥碚f，非靜電力一般不同，它把同樣多的正電荷從負(fù)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(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)也就越大。

活動(dòng)Ⅳ：尋找論據(jù)，深入探究電源的特性

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

【表達(dá)交流】

在弄清上述問題的基礎(chǔ)上，結(jié)合課堂上的討論，寫一篇小論文，題為《電源的特性》。

點(diǎn)評：

電動(dòng)勢的概念是掌握閉合電路歐姆定律的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，是高中物理電學(xué)部分難以理解的概念之一。電動(dòng)勢概念成為教學(xué)難點(diǎn)的原因：從電動(dòng)勢概念的本身來看，電動(dòng)勢概念十分抽象，建立電動(dòng)勢概念涉及到的其他概念多，關(guān)系復(fù)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(zhuǎn)化、動(dòng)態(tài)平衡等等，很容易造成學(xué)生思路混亂。從學(xué)生這方面看，大多數(shù)中學(xué)生的抽象思維能力還比較低，對于電池、蓄電池的化學(xué)作用和發(fā)電機(jī)的電磁作用，在學(xué)習(xí)電動(dòng)勢這一概念時(shí)，學(xué)生認(rèn)識(shí)還不多，知識(shí)儲(chǔ)備不夠。另外，學(xué)生對電源的感性認(rèn)識(shí)也十分匱乏，雖然經(jīng)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(xué)物理課本都沒有闡述清電動(dòng)勢的物理意義，更沒有建立電動(dòng)勢的概念，這給學(xué)生掌握閉合電路歐姆定律造成了重大障礙。這節(jié)課采用探究教學(xué)，讓學(xué)生動(dòng)手，解剖電池，豐富學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力;啟迪學(xué)生思維，培養(yǎng)提出問題、解決問題能力;在較短的時(shí)間內(nèi)，學(xué)生自主進(jìn)行了大量的思維活動(dòng)，明確了電動(dòng)勢的物理意義;將對電源的特性的進(jìn)一步探究，以建立電動(dòng)勢確切、科學(xué)的概念延伸到課外，既能使學(xué)生較深入地理解電動(dòng)勢的概念，又沒有沖淡教學(xué)重點(diǎn)。這種課內(nèi)外相結(jié)合探究同一問題的做法，在探究教學(xué)上具有一定的創(chuàng)新。