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1、电动势【教学目的】1知道电动势是表征电源特性的物理量，它在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压。2明确在闭合电路里，电源电动势等于电路上内、外电压之和。3理解电动势表明了电源把其他形式能转化为电能的本领。【教学重点】电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压并等于闭合电路上内、外电压之和。【教学难点】理解电动势是表征电源特性的物理量。【教学方法】以教师讲授为主，结合物理实验计算机辅助动画和幻灯使教师的讲授更为丰富、形象。【教学仪器】微型计算机、大屏幕彩色电视机、辅助教学动画软件。可调内阻蓄电池、投影式电压表、演示电路板两块。投影幻灯机。【教学过程】师：我们知道，电荷的定向移动形成电流。在本章
2、的开始我们曾经学过导体中形成电流的条件，请同学们回忆一下：导体中产生电流的条件是什么？请同学回答这个问题。生甲：（起立）导体的两端存在电压。师：对！请你再想一下，为什么导体两端有了电压，就会形成电流呢？生甲：（没有回答）师：请你先坐下。我们一起来看电视屏幕。（用手按计算机键盘“ZZ”，开始播放本节课的辅助教学动画。几秒钟后，电视屏幕上出现第一帧画面，以后教师的讲解与电视画面的转换同步进行。）这是两块平行的带电薄金属板，上板带正电荷，下板带等量的负电荷，两板间存在电压，这时两板间有着方向向下的匀强电场。如果我们用导线把两块金属板连接起来（图1），导线中的正电荷就会在电场力的作用下从上板向下板定向
3、移动而形成电流。当然实际的情况是自由电子在电场力作用下从下板向上板移动，只是由于已经规定正电荷的移动方向为电流的方向，所以为了方便，下面的讨论都针对正电荷。随着电荷的移动，两板上的带电量迅速减少，两板间的电压就越来越小，电荷的定向移动也就渐渐停止。如果要想维持电流，就必须设法把从上板移下来的电荷送回上板，但是在电场力作用下正电荷只能从电势高的上极板移向电势低的下极板。所以要形成持续的电流，就必须要靠电场力以外的力把电荷移送到电势高的地方，从而保持两板间的电压。能够起这种作用的装置就是电源。不同的电源，两极间的电压不同。同学们请看，这是什么电源？（用手按计算机键盘数字键“l”，开始播放关于干电池
4、的三维动画。）生：干电池。（屏示一号电池）师：若用电压表测干电池两极间的电压，是多大？生：15伏。师：这种小的干电池呢？（屏示五号电池）生：也是15伏。师：再看这种电池，（此时电视屏幕上自动出现“钮扣电池”的三维画面）如果用电压表测它两极间的电压，该是多少？生：（屏示电池上所标电压的“特写镜头”）生：3伏。师：对（屏示一组大小不同的“钮扣电池”），而且这些不同规格的电池电压都是3伏。再看我手上拿的电池，这是什么电池？生：蓄电池。师：我用电压表直接接在电池两极，请大家看电压表的示数。注意我用的是3伏量程。（打开幻灯，幻灯幕布上出现投影式电压表的刻度盘。）生：211伏。师：如果用不同规格的蓄电池进
5、行测量，得到的电压都在2伏左右。通过演示可以看到：同种电池用伏特表测量其两极电压是一样的，不同种类的电池用电压表测量其两极间的电压则不相同。这说明电源能够在两极间维持的电压与电源本身的特性有关。为了表征电源的这种特性，在物理学中引入了电动势的概念。今天这节课我们就来学习一些有关电动势的知识。（板书：第九节电动势一、电源的电动势）师：从前面的分析我们知道，电源的作用可以从接在电源两极间的电压表读数中反映出来，但电压并不能用来表征电源本身的特性。（用自制的演示电路板做演示，电路如图2所示。开关闭合前，电压表读数是15伏，开关闭合后，电压表读数降至14伏。）实验告诉我们，如果电路中有了电流，电源两极
6、间的电压就会发生变化，所以电动势不是电压。为了说明电动势等于什么，我们先来分析一下水流动的情况。常言道：人往高处走，生：水往低处流。（教师按计算机任意键，开始播放三组水流和电流的对比动画）师：这是两个水箱，上面水箱中的水面与下面水箱中的水面存在一定的“水位差”，如果在两个水箱之间接入一根水管，开关打开后，水会在重力的作用下从上面的水箱流入下面的水箱。但是很快水就流完了，要想形成持续的水流，就要设法利用不是重力的“非重力”把水从低处送回到高处。现在“设计”一台“抽水机”，利用抽水机叶片的推力把水送回上水箱（图3），在开关关闭的情况下使两水箱产生一定的水位差。这是两个极板，现在让它变形。一个极板用
7、锌作材料，成为干电池的外壳，另一个极板作成碳棒插在中央，在两极间填入化学物质。在化学力作用下，正电荷从外壳移向中间的极棒。接上外电路，开关断开时，电源两端的电压表有示数，说明两极间有电压（图4）。开关打开后，在右边的下水管里，水在重力的作用下从高处向下流，在左边的上水管里，水在“非重力”的作用下从低处向上流，两个水箱维持比开关打开前略低的水位差，形成持续的水流。开关闭合后，在电池外面的电路里，正电荷在电场力的作用下从正极移向负极，在电池内部两极间的电路里，正电荷从负极移向正极，两极间维持比开关闭合前略小的电压，形成持续的电流。为了进一步进行分析，在上水管中某一位置取一层很薄的水作为研究对象，研
8、究对象本身的重力忽略不计。开关打开前，任一时刻流经这一位置的水受两个力作用：一个是向上的“非重力”，它的大小由抽水机本身决定，可以认为是不变的。另一个是已经流上去的水由于重力而产生的向下的压力，这个力与水位差的大小有关，随着水位的升高，向下的压力越来越大，但是只要压力比“非重力”小，水就继续向上流动，水位也就会进一步升高，向下的压力也进一步增大，当压力与“非重力”相等时，两水箱间的水位差达到最大（图5）。显然，这个最大值反映了抽水机本身的特性。下面再把电池变形成电源符号，细而长的表示电源的正极，短而粗的表示电源的负极。取某一位置的电荷作为研究对象，电荷本身的重力忽略不计。开关闭合前，任一时刻流
9、经这一位置的电荷受两个力作用：一个是向上的“非静电力”，它的大小由电源本身决定，可以认为是不变的。另一个是已经流上去的电荷形成的电场而产生的向下的电场力，这个力随着两板间电压的升高而增大，但是只要电场力比“非静电力”小，电荷就继续向上移动，电压就会进一步增大，向下的电场力也进一步增大，当电场力与“非静电力”相等时（图6），两极间的电压达到最大。同样，这个最大值反映了电源本身的特性。图6通过对比可以得出，在开关闭合前，电源两极间的电压反映了电源本身的特性，而电动势正是要反映电源本身的这种特性。因此我们得到结论：电源的电动势，等于电源没有接入电路时其两极间的电压。（板书：电源的电动势，等于电源没有
10、接入电路时两极间的电压。它反映电源本身的特性。）师：在电路接通的瞬间，由于电源两极上的电荷稍有减少，两极间的电压就有所降低，结果在电源内的电路中电荷所受的电场力小于非静电力，使电荷定向移动。假如在闭合开关的瞬间，电源内部的电荷能够迅速补充极板上的电荷的减少，也许能保持两极间的电压不变。但由于电源内部不可避免地对运动电荷存在阻碍，所以实际的电源在向外供电时电压总会不同程度地减少，这种减少与电源内部电路的情况有关。下面要讲的就是内电路和外电路的概念。（按计算机任意键，播放字幕1：闭合电路可分为外电路和内电路两部分。电源外部的电路叫做外电路，电源内部的电路叫做内电路。等学生看完屏示字幕后，计算机开始
11、自动播放高内阻蓄池的电路结构（与课本第50页图220相同）的形成动画，教师结合动画介绍内、外电路，复习电荷在内、外电路中移动时的受力情况，为进行实验做准备。）师：这是一个蓄电池的结构简图，两个极板中左边的是正极、右边的是负极。在电源外部的这部分电路叫做外电路，在电源内部的这部分电路叫做什么？生：内电路。师：对！正电荷在外电路上受电场力作用由正极向负极移动，在内电路上受非静电力和电场力作用由负极向正极移动。接在电源外电路两端的电压表测得的电压叫做外电压。在电源内部极板附近插上两个探针，在两个探针上接一个电压表，电压表的读数就叫做内电压。我们现在就来研究一下电动势和内、外电压的关系。（板书：二、内
12、电压与外电压）此时屏幕自动出现字幕2：外电路两端的电压叫做外电压，又叫路端电压。内电路两端的电压就叫内电压。字幕停约半分钟，画面切回到高内阻蓄池的电路结构并定格至实验基本完成。）师：（向学生介绍实验装置和电路连接方法，读一组数据后，在黑板上画表格，让学生乙读数，学生丙在黑板上记录数据。数据如下表）123456外2.101.981.851.751.661.51内00.120.240.310.380.502.102.102.092.062.042.01请同学们认真观察一下，我们得到的实验数据有什么规律。生丁：当外电压减小时，内电压增大，内、外电压之和近似等于电源的电动势。师：说的很好！由于时间的关
13、系，我们只做了几组数据，但实验的方法大家已经都看到了。人们经过大量的实验，最后总结出这样的结论：在闭合电路里，电源电动势等于内、外电压之和。（板书：在闭合电路里，电源电动势等于内、外电压之和。=U+U电动势的单位：伏特）师：说到电压，我们在上一章电场中曾学过一个很重要的公式。生：W=qU师：（在黑板右侧空处写出W=qU）这个公式用来计算电场力对电荷所作的功。现在我们想一下：既然闭合电路的内、外电路两端都有电压，电量为q的正电荷在闭合电路中运动一周，电场力会对它作多少功？生：qU+qU师：再进一步想一下：电场力做功，说明电荷的电势能怎样变化？生：减少。师：这就是说：电量为q的正电荷在闭合电路中运
14、动一周，要消耗的电能为qU+qU，这些能量都是由电源提供的。我们这节课要讨论的第三个问题是：（板书：三、电动势与能量转化）师：由=U+U，同学们想一下，对于1库仑的正电荷，沿闭合电路运动一周，电源提供的电能在数值上等于什么？（按计算机任意键，开始播放字幕3：可以把电动势理解成1库仑的正电荷通过电源时其他形式能转化为电能的数值。）师：现在干电池的电动势是15伏，如果1库仑的正电荷，从干电池的正极出发沿闭合电路运动一周，电源提供的电能在数值上等于多少？生：15焦。师：蓄电池的电动势是2伏，对于1库仑的正电荷，在化学能转化为电能时，电池可以使它具有多少电能？生：2焦。师：对。这说明电源的电动势反映了
15、电源把其他形式能转化为电能的本领。（板书：电动势表征了电源把其他形式能转化为电能的本领。）师：好！通过今天这节课的学习，我们得出了有关电动势的这样几个结论（重述黑板上已经写出的三条结论）。下面清同学们来思考几个问题。先看下面的说法对不对：（按计算机任意健，开始播放字幕4：对于一个正在供电的实际电源来说，两极间的电压一定小于电源的电动势。）生：对！师：都认为是对的，有没有不同意见？好！再看下面一个问题：（按计算机数字键“l”，播放第二个问题：把电压表直接接到一个干电池的两端，干电池的读数比这个电池的电动势大还是小？请同学回答。生戊：（起立）应该相等。师：为什么？生戊：因为这时电路中没有电流。师：请坐。有不同意见吗？好，请这同学回答。生乙：（起立）应该小于，因这时电路中有电流。师：好！请坐。两位同学都有道理。当电压表直接接到干电池的两端时，电压表中应该是有电流的，否则指针就不会发生偏转，对不对？生：对。师：这样，电压表的读数应该比实际
