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2019-2020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 通過實(shí)驗(yàn)探究，體會學(xué)習(xí)的快樂。 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、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)線若干、實(shí)驗(yàn)所需合金導(dǎo)線、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8.51028m?3，現(xiàn)在橫截面積為1.0mm2的銅導(dǎo)線中通過1.2A的電流，試求導(dǎo)線中自由電子的定向移動(dòng)速率。（答案：8.910?5m/s） 在我們剛才計(jì)算中，我們用到了電流的微觀解釋I＝neSv，讓我們討論這樣幾個(gè)問題： 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，電流會怎樣變化？（教師提示：電場強(qiáng)度（對柱形導(dǎo)體，看成勻強(qiáng)電場E＝）會變化嗎？→v會變化嗎？→n會變化嗎？→結(jié)論：I變大。 2．在電壓一定的情況下，如果僅將導(dǎo)體的長度L增大，電流會怎樣變化？ （提示：和上面類似）→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，電流會怎樣變化？（提示：和上面類似，但要提請學(xué)生注意電子熱運(yùn)動(dòng)速率的變化──客觀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：電阻會隨著導(dǎo)體某些因素的改變而改變。 同學(xué)們在初中學(xué)過，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)體的長度、橫截面積和材料。同種材料制成的導(dǎo)體，長度越長，橫截面積越小，電阻越大。 同學(xué)們在初中已經(jīng)知道了導(dǎo)體的電阻與材料、長度、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，這說明導(dǎo)體電阻跟它的長度有關(guān)；同是220V的燈泡，燈絲越粗用起來越亮，說明導(dǎo)體的電阻跟橫截面積有關(guān)；電線常用銅絲制造而不用鐵絲，說明導(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）等不同金屬絲中選擇幾種，測量它們的橫截面積、長度、電阻，從中找出關(guān)系。關(guān)于這些物理量的測量方法，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。測量銅絲的橫截面積時(shí)，可以使用類似的方法，也可以用游標(biāo)卡尺或螺旋測微器測量。 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度l。 可以用右圖的電路電量電爐絲的電阻R：閉合開關(guān)后，測量電爐絲兩端的電壓、通過電爐絲的電流，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。 通過測量得到所需數(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 我們可以通過實(shí)驗(yàn)在長度、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度之比；比較a、c的電阻之比與它們的長橫截面積之比；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)線長度、橫截面積的比例關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中不必測量電阻大小的數(shù)值。 結(jié)論：導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體的長度成正比。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)過的知識，通過邏輯推理來探究導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體長度、橫截面積的關(guān)系，然后通過實(shí)驗(yàn)來探究導(dǎo)體電阻與材料的關(guān)系。 1．分析導(dǎo)體電阻與它的長度的關(guān)系 一條長度為l、電阻為R的導(dǎo)體，可以看成是由n段長度同為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度l與每段長度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，再通過實(shí)驗(yàn)探究導(dǎo)體的電阻是否跟材料有關(guān)，這時(shí)對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，以等式的形式寫出用導(dǎo)體長度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），測出它們的長度、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?？梢?，材料的電阻率在數(shù)值上等于這種材料制成的長為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 在國際單位制中，電阻率的單位是歐米（Ωm）。 幾種導(dǎo)體材料在20℃時(shí)的電阻率 材料 ρ/Ωm 材料 ρ/Ωm 銀 1.610-8 鐵 1.010-7 銅 1.710-8 錳銅合金 4.410-7 鋁 2.910-8 鎳銅合金 5.010-7 鎢 5.310-8 鎳鉻合金 1.010-6 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做；制造線繞電阻時(shí)應(yīng)選用電阻率大的合金來制作。 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）與演示用歐姆表調(diào)零后連接成下圖電路，觀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)，常用來制作標(biāo)準(zhǔn)電阻。 金屬材料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)系對電路的微型化有什么意義？ 分析：設(shè)厚度為d，正方形連長為l，根據(jù)電阻定律，導(dǎo)體的電阻為 電阻與正方形的邊長無關(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)體的其它方向流過導(dǎo)體，結(jié)論如何？ 【說一說】 中央電視臺2002年12月播放了北京市技術(shù)質(zhì)量監(jiān)督局對市場中電線電纜產(chǎn)品質(zhì)量抽查的消息。消息引用檢驗(yàn)負(fù)責(zé)人的話：“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2.5平方（毫米）的線，拿到手的線可能是1.5或1.5多一點(diǎn)的，載流量不夠。還有一個(gè)問題是絕緣層質(zhì)量不合格，用再生塑料制作電線外皮，電阻率達(dá)不到要求……” 談一談，這位負(fù)責(zé)人的講話中體現(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電流都沒有阻礙作用 D．電阻率的大小只隨溫度的變化而變化，而與材料本身無關(guān) ②一段均勻?qū)Ь€對折兩次后并聯(lián)在一起，測得其電阻為0.5Ω，導(dǎo)線原來的電阻多大？若把這根導(dǎo)線的一半均勻拉長為三倍，另一半不變，其電阻是原來的多少倍？ 解析：一段導(dǎo)線對折兩次后，變成四段相同的導(dǎo)線，并聯(lián)后的總電阻為0.5Ω，設(shè)每段導(dǎo)線的電阻為R，則＝0.5Ω，R＝2Ω，所以導(dǎo)線原來的電阻為4R＝8Ω。 若把這根導(dǎo)線的一半均勻拉長為原來的3倍，則這一半的電阻變?yōu)?Ω9＝36Ω，另一半的電阻為4Ω，所以拉長后的總電阻為40Ω，是原來的5倍。 ③右圖所示為滑動(dòng)變阻器原理的示意圖，下列說法中正確的是（ 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)于電阻率的說法中正確的是（ B ） A．電阻率與導(dǎo)體的長度、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，拿一只同樣的燈泡來測量它不工作時(shí)的電阻，下列說法中正確的是（ A ） A．小于484 Ω B．大于484 Ω C．等于484Ω D．無法確定 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，在此過程中，電壓U和電流I的關(guān)系可用圖線表示，在圖中所給的四個(gè)圖線中，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 B ⑦如圖所示，在相距40km的A、B兩地架兩條輸電線，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＝4010－3A，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兩地輸電線的電阻為R總，R總＝ρ ③ 由②③得 ＝ 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)問題： 1．通過實(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隨溫度的升高而變大（如金屬材料）；某些材料的電阻率會隨溫度的升高而減小（如半導(dǎo)體材料、絕緣體等）；而某些材料的電阻率隨溫度變化極小（如康銅合金材料）。 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)體的電阻還會和溫度相關(guān)。這一點(diǎn)在實(shí)際中是有意義的，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)問題的討論是很麻煩的，因此，在更加廣泛的場合，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“問題與練習(xí)”第2、3題；思考并回答第1、4題。 板書設(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 1．分析導(dǎo)體電阻與它的長度的關(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 在國際單位制中，電阻率的單位是歐米（Ωm）。 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