《闭合电路的欧姆定律》教学设计

徐琪+李飞跃

摘  要：通过制造强烈的认知冲突，利用定量和定性实验，以学生为主体，在教师的引导下，成功地探究闭合电路欧姆定律规律，在学习过程中提高了学生的物理学素养。

关键词：生活;矛盾;设计;理论应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2015）9-0004-5

《闭合电路欧姆定律》是《高中物理选修3-1》第二章第七节的内容。它是这一章的核心内容，既能使学生从部分电路的认知上升到全电路规律的掌握，又能从静态电路的计算提高到对含电源电路的动态分析及推演。同时，闭合电路欧姆定律能够充分体现功和能的概念在物理学中的重要性，是进一步理解和学习功能关系的好素材。

1    背景分析

学生通过前面的学习，理解了静电力做功与电荷量、电势差的关系，了解了静电力做功与电能转化的关系。通过本章第一节和第二节的学习认识了电源的特点，从能量转化的角度了解了电源电动势，知道电源有内阻，并处理了部分电路欧姆定律的相关电路问题，已经具备了通过功能关系分析、建立闭合电路的欧姆定律，并应用闭合电路的欧姆定律分析问题的知识与技能。

本节的难点在于学生对路端电压、内电压、电源电动势的理解。如何突破这个难点？教材中直接用理论推导，再间接利用路端电压与负载的关系进行推导，很难让学生信服。由于初中的学习中认为电源两端电压为定值，学生很自然地认为电源两端电压的大小就应该等于电源电动势。作为高二的同学，他们已经具备了一定的抽象思维能力，不再满足于简单的定性介绍，更乐于定量求证。因此，在条件允许的情况下，定量的探究将更符合并有利于学生的能力发展。

2    设计思想

遵循学生的认知规律、重视实验探究、重视方法的教学是新课程的教学理念，这也是本节课的核心指导思想。

本节课主要的设计思想有以下几个方面：

1）以引入实验为线索，通过定量实验和理论推导两种物理学的研究方法为主线，引导学生自主思考得出规律，让学生在体验定律形成过程中所蕴藏的丰富思想、方法的同时获得成功的愉悦。

①引入实验成功制造认知冲突，并以该实验为线索，贯穿全课，使整节课结构更清晰。

②通过教师探究实验和学生定性分析实验的设计，让学生可以直观地得到科学的实验结论。

2）对理论推导进行改进。

书中利用纯电阻电路的能量守恒关系推导出E=Ir+IR，从而得出闭合电路欧姆定律的表达式，以及E=U外+U内。这种顺序的推导会造成学生对闭合电路关系普适性的认知缺失。本节课大胆对理论推导进行改进，引导学生通过能量守恒和功能转化的关系，利用电源非静电力做功和内外电路静电力做功和相等，推导出E=U外+U内。再进一步提出，对所有电源而言有E=U外+Ir，进一步缩小范围得出纯电阻电路中E=IR+Ir，从而推导出I=。

3）通过开放性情景设置，将物理课堂延伸到课外生活，并学以致用，在情感、态度与价值观上使学生的思想得到提升。

3    教学流程

4    教学过程

4.1    环节一：实验引入

1）两张电池图片，观看标示，引出问题。

教师：投影两张电池的图片，一个是1.5 V的干电池，一个是9 V的层叠电池，所标示的1.5 V和9 V表示电源的哪个参量？它的物理意义是什么？

学生：表示电源的电动势，描述电源非静电力做功本领。1.5 V表示电源把1 C的正电荷从电源负极搬运到电源正极，非静电力做功1.5 J，也就是把1.5 J的化学能转化为了1.5 J的电能。

教师：9 V和1.5 V的电池，哪一个把化学能转化为电能的本领更强？

2）分别用3 V与9 V的电池对同一灯泡供电，引出电源内阻分压。

演示：用两节干电池，总电动势为3 V，给额定电压为3.8 V的小灯泡供电，观察它的亮度。

教师：如果用9 V电池直接给小灯泡供电会出现什么现象？

学生：爆了（烧毁），灯泡会特别亮然后烧坏。

教师：是不是这样呢？我们用实验事实来说话（如图2所示电路）。

演示：用9 V电源给灯泡供电，灯泡亮度反而更暗。（引起学生思维冲突）

教师：在电路完全相同的情况下，只是把3 V的电池换成了9 V的电池，灯泡却反而变暗了，这是为什么？难道电池坏了？

演示：用数字电压表分别测定未接入电路时，两个电源两端的电压，请同学读出示数。发现两节干电池两端的电压为3.05 V，层叠电池两端的电压为9.67 V。（进一步引起学生思维冲突）

教师：为什么电动势大的电源给小灯泡供电，灯泡反而更暗？你们猜想可能的原因是什么？

学生：可能是因为电池本身有内电阻，由于内阻分压，造成9 V的电池实际给灯泡提供的电压更小。

教师：要想很好地解释这个实验，就需要先来学习今天我们要研究的内容——闭合电路的欧姆定律。（引入新课）

教师：首先，我们来学习一下什么是闭合电路，以及闭合电路的组成。

教师：导线、开关、灯泡、电池的正负极，这一部分处在电源外部的电路，叫外电路。电源两极板间的电压称为路端电压（外电压）。

在电池内部，电池负极附近到电池正极附近，这一部分叫内电路。电路内部电阻上的分压称为内电压。

接下来我们通过实验的方式，来探究一下电源外部电路的电压和电源内电路电压之间有什么关系。

4.2    环节二：探究U外与U内的关系

教师：用我们常用的干电池能否直接测内电压？

学生：不能！

教师：我们使用特殊的电源，化学电池。化学电池的两极连接数字电压表V1，测路端电压;用两个探针靠近两极，连接电压表V2，测量内电压。借助滑动变阻器改变外电路阻值，同学们观察内外电路的电压关系。

教师请一位同学计数，为读数准确请另一位同学利用照相机读数。（可以同时获得V1和V2的电压）

学生讨论，得出关系：U内+U外=定值。

学生：随着外电阻减小，外电压减小，内电压增大，内、外电压之和基本为定值。

教师：这个定值一定揭示着电路中某个本质的规律。这个定值到底是什么呢？

教师：从伽利略开始，物理学家们就利用理论推导结合实验验证的方式来发现和验证物理规律。借鉴物理学家们的思路，接下来我们也采用理论推导的方式，来探究实验中得出的这个定值到底是什么。

教师：电路中谁消耗电能，谁提供电能呢？根据能量守恒定律，它们之间有什么关系？

学生讨论，教师引导：

对于外电路，W外=U外q=U外It，

对于内电路，W内=U内q=U内It，

对于电源，W非静=Eq =EIt。

由W非静=W内+W外，得到EIt=U外It+U内It，

得到U内+U外=E。

学生得出：刚才实验中的定值为电源电动势。

教师：电源电动势等于内、外电路电势降落之和。也可通过一个简单模型（图5）来形象分析。

教师：从这个图上我们看到，从电源的负极b出发，经过一周再回到负极b，在电源正负极附近有两次电势的提升，在电源内部和电源外部，静电力做功又有两次电势的降落。这两次电势的提升的总和就是电源电动势，而两次电势的降落分别就是电源的内电压和外电压。

4.3   环节三：闭合电路欧姆定律的得出与分析

教师：电源种类很多，形成非静电力的机理不同，但对所有电源都有U内+U外=E。

对于纯电阻电路，则有：

U内=Ir和U外=IR，

得：E=IR+Ir，

进一步变形得： I=。

文字表达：闭合电路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。

教师：闭合电路欧姆定律是电路的基本规律，它对设计和分析电路有重要意义。我们回到课前实验，同学们能否分析出9 V的电池为灯泡供电，灯泡反而更暗的原因吗？

学生：9 V的电源内阻过大，内电阻分压过多，造成外电压反而更小。

演示：分别将3 V电池和9 V电池接入小灯泡的电路，用数字电压表测量路端电压，验证。

3 V电池：路端电压为2.90 V;

9 V电池：路端电压为1.75 V。

再将另一节9 V电池接入小灯泡的电路，发现小灯泡特别明亮。断开电路，直接用数字电压表测量其路端电压为9.05 V。

教师：刚才的实验说明，我们在实际生活中不仅要关心电源电动势，更应该关注路端电压。那么，路端电压与外电路的电阻有什么关系呢？下面我们通过实验来探究一下。

4.4    环节四：路端电压与负载的关系

教师：我们用滑动变阻器代替负载，但是，变阻器的电阻值不易确定，我们如何利用其他物理量来替代呢？

学生：用电流表测电流，电压表测路端电压，可以计算变阻器阻值。

教师：如果用咱们今天研究的闭合电路欧姆定律分析呢？

学生：U外=E-Ir。

教师：这个关系是否正确？请同学通过实验探究验证。

分组实验：

按照“学案”上的电路图进行连接和测量，将数据填入表格，寻找规律。找一组同学到前面，将数据输入Excel表格，作出图像，如图7所示。

教师：你们从实验数据中能得出什么结论？

学生得到：

1）R增大，电流减小，路端电压增大;

2）R减小，电流增大，路端电压减小。

通过Excel拟合得到y=a-kx这个图像，可以确定U外=E-Ir正确。

教师：请同学们课后思考，图像中a表示什么量？k的绝对值表示哪个物理量？

4.5    环节五：总结提升，生活引申

教师：今天我们从实验和理论推导研究了闭合电路欧姆定律，并且延伸讨论了路端电压与负载的关系。希望每个同学都能够使用你的测量数据在学案上描点作图，找出你使用电池的电动势和内电阻，并且分析图像中截距与斜率代表的含义。

教师：物理学来源于生活，也为我们的生活服务，在生活中有一些问题，你能解决吗？

问题提升：

1）你可能有这样的经验：傍晚用电高峰时，灯光较暗，而夜深人静时，灯光又比较亮。又如，在插上电炉、电暖气等功率大的用电器时，灯光会变暗，拔掉后灯光马上又亮起来，这是为什么？

2）去市场买电池时，售货员用电压表直接量电池的电压告诉满压，回家却不能用，这是为什么？

3）有一节标示不清的电池，希望准确知道电池的电动势和内阻，可以采用哪种办法？

教师：在购买电池时，一定要看出厂日期，即使新电池放置一两年也会造成内阻过大，影响使用。

5    教学效果评价

1）本节课多个实验设计巧妙，层层相扣，演示实验与分组探究相结合，从实验探究到理论推导找到闭合电路内、外电压的关系，并进一步分析得出闭合电路的欧姆定律。学生学习到了科学的研究方法， 能真实感受到研究过程中的转化、创造和跳跃，对学生发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，有很好的促进作用。本节课达到了预期的教学效果。

2）本节课通过化学电池的定量实验不仅推导出闭合电路欧姆定律，还直观地观察到用电压表直接接在电源两极，测量的是电路的路端电压（外电压），为电路分析做了充分的准备。

3）数码相机的使用，可以同时获得内外电源数据，测量结果更为准确。

4）通过课前实验、课后思考题、生活小贴士充分联系生活实际等，将学生由严谨的物理课堂带回生活中，让学生看见有血有肉的物理。有的学生第二天说：“老师，我拿今天的问题回家问爸爸、妈妈，这些现象的原因是什么？他们不知道，我给他们分析了，他们特别崇拜我！”“老师，今天我去超市看电池的出厂日期，还真有几年前的。”这样的物理教学才还原了物理的本质。

参考文献：

[1]物理课程教材研发中心.普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-1 [M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]物理课程教材研发中心.普通高中课程标准实验教科书《物理》选修3-1教学参考资料[M].北京：人民教育出版社，2010.

[3]梁灿彬，秦光戎，梁竹健.高等学校试用教材《电磁学》[M].北京：高等教育出版社，2001.

（栏目编辑  赵保钢）