探究电源输出功率与外电阻的变化关系

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探究电源输出功率随外电阻的变化关系

探究电源输出功率P出随外电阻R的变化关系

江苏省大港中学 纪金忠

【教学目标】

1、知识与技能

(a) 通过科学猜想,得出电源输出功率与外电阻的关系。 (b) 通过实验探究,验证猜想的结论;并从理论上给予论证。

(c) 通过引导学生进行大胆猜想、启发学生设计探究方案、体验科学探究的方法,培养学生理

论推导能力、实验设计能力、动手操作能力、数据采集和数据处理能力。

2、过程与方法

(a) 通过教师提出问题,启发学生大胆猜想,自行设计实验方案验证猜想

(b) 通过探究方案的设计,体验电学实验设计的注意事项,并学会分析、比较、选择电路,领

会电学实验设计的思想和方法。

3、情感态度价值观

热情:在实验设计、操作过程中逐步积蓄探究热情,培养学生勇于探究的精神。 参与:养成主动参与科学探究的良好学习习惯。

交流:在自由、开放、平等的探究交流空间,能互相配合,互相鼓励,友好评价,和谐相处。 哲学思考:理论指导实践;实践检验理论。 目标形成依据: 【教材分析】

1、实验题既能考查学生对中学常用器材的熟悉情况,又可以考查学生是否理解基本的实验思想和方法,而且还可以考查学生分析推断和创新思维能力,因此实验设计题频频出现在高考卷上。

2、“电源输出功率与外电路电阻的变化关系”是电学中的一个重要规律。需要学生对闭合电路欧姆定律有较为深刻的理解,而且在实验过程中涉及到较多知识点,有助于学生对电学实验的设计思想的领悟。 【学情分析】

1、学生对电学实验的考查有惧怕心理,发现问题、研究问题和解决问题的能力和创新思维能力较弱。

2、通过之前的学习,学生对闭合电路欧姆定律已经有了较深的理解,这对本节课做了一个比较好的铺垫。

3、面对新问题、新思路,学生有浓厚的探究欲望,为其思维的发散提供了较大的空间。 【教学重点】

用实验研究电源输出功率随外电阻的变化关系 【教学难点】

设计实验方案、电路连接

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探究电源输出功率随外电阻的变化关系

【课前准备】

干电池(2节)、滑动变阻器、电压表(0~3V)、电流表(0~0.6A)、定值电阻(10Ω)、导线若干、作图坐标纸(两张),各组自备计算器(如果需要别的器材可以向实验员申请添加)。 【设计思路】

【教学过程】

一、提出问题,大胆猜想

师:前面我们已经学习了“闭合电路欧姆定律”的有关知识,今天我们一起来探讨“电源输出功率随外电阻的变化关系”。那么什么是电源的输出功率呢?

生:P出=UI

师:当外电阻R变大时,U如何变? 生:变大

师:当外电阻R变大时,I如何变? 生:变小

师:那么当外电阻R变大时,输出功率P出应如何变化呢?是增大还是减小呢?请同学们猜猜看,并简要谈谈你的猜想依据。比一比,哪个小组的猜想最为合理?

生:各小组热烈讨论,提出猜想

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提出问题 科学猜想 实验探究 设计方案讨论方案分组实验数据采集数据处理讨论交流 得出结论 理论推证 实验拓展 探究电源输出功率随外电阻的变化关系

可能出现的猜想有:

(1) 外电阻增大时,电源输出电流减小,所以输出功率也要随之减少; (2) 外电阻增大时,电源输出电压升高,所以输出功率要随之增大;

(3) 外电阻增大时,电源输出电压升高,而输出电流要减小,由公式P=UI可知,当外电阻为某一阻值时电源输出功率应出现最大值。

(4) 当外电阻为0时(即短路),电源输出功率为0;当外电阻无穷大时(即断路),电源输出功率也为0;当电源所接上的电阻既不是0又不是无穷大时,它输出的功率均大于0,因此根据“极端法”应猜想为“先增大后减小”。

二、设计实验,探究猜想

师:同学们刚才在猜想时表现得既有勇气,也很有见解,但我们的猜想对不对呢?今天我们就先从实验的角度来探究电源输出功率P出随外电阻R的变化关系。

教师启发:我们研究两个物理量之间的变化关系通常可以选择用数学图象,而实验探究中我们可以用描点法绘出其变化关系曲线,所以关键就在于我们能设计实验测出多组(P,R)值,

讨论1:实验室里没有直接测量功率的仪器,怎样就可以得到功率P了呢? 生:可以利用P=UI计算 下面同学们分组设计实验方案。

1、设计方案(比一比,哪一组设计的方案最为简便合理)

各小组设计一个初步方案

投影较好的方案, 请学生介绍方案设计思路,进行讨论得到电路如图(1)

讨论2:以上电路还有什么需要改进的吗?

(1) A V 视学生反应情况而定,若无反应,再对学生进行启发和引导:我们从前面的猜想中可以看出,电源输出功率随着外电阻增大先增大后减小。为了验证这两个结论,就必须要把外电阻调得很小,这样极易损坏电源,为了保护电源,应对上述电路作怎样的改进?(比一比,哪一组最先想出最佳的方案)

改进后的实验电路图如图所示:

这样测出的输出功率应该是“等效电源”的输出功率.

讨论3:本实验中是要多次改变外电阻的,那么怎么确定外电阻呢? 生:用R=U/I代替

E r内

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讨论4:此实验中应记录哪些数据?应如何设计记录表格? 生:设计记录表格,投影较好的,

讨论5:如何把电源输出功率与外电阻变化关系直观地表示出来? 生:作出P出——R图线

2、学生分组实验,采集数据(比一比,哪组连接电路最快又无失误)

3、处理数据(比一比,哪组算得最快,图像作得最漂亮)

(1)算出每个外电阻R所对应的电源输出功率P出 (2)作出P出——R图线 4、得出结论

(1)讨论:根据计算和作图分析,电源输出功率与外电阻有什么变化规律?你的猜想与实验结果是否相吻合?

(2)找几个小组利用实物投影仪投放记录的数据及作出的P出——R图象。 (3)引导学生分析数据和图像,得出实验结论: 当外电阻增大时,电源输出功率先增大后减小 参考表格: 次数 I(A) U(V) R=U/I(Ω) P出=UI(W) P/W

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R/Ω

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三、理论论证、有力佐证

师:为什么会出现这样的结论?能不能从理论上去推证呢?利用闭合电路欧姆定律的有关知识试试看。

生:先独立推导,然后交换检查、相互质疑,

师:找一位做得较好的学生把推导过程放在实物投影仪下进行投放:

P出?IR?(2?R?r)R?2?RR22?2Rr?r2?R??r2R?2r

a引导学生利用函数y=x+x图像特征对上式进行讨论,得出下列结论: ①当R外r内时,R外↑→P出↓

?2③当R外=r内时,P出max= 4r

[例题巩固]:(2005江苏物理卷)如图所示,R为电阻箱,○V为理想电压表.当电阻箱读数为R1=2Ω时,

电压表读数为U1=4V;当电阻箱读数为R2=5Ω时,电压表读数为U2=5V.求:

(1)电源的电动势E和内阻r。 (2)当电阻箱R读数为多少时,电源的输出功率最大?最大值Pm为多少?

<答案>

(1)由闭合电路欧姆定律: E?U1?U1R1r E?U?2U2R2 r联立上式并代入数据解得:E?6V r?1? (2)由电功率表达式:P?E22(R?r)E22R

将上式变形为:P?(R?r)R

?4r由上式可知R?r?1?时P有最大值

P?E2m4r?9W

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四、实验拓展,课外探究

根据刚才的猜想、实验、理论推导,我们已经对电源的输出功率有了一定的了解,那么实验图象中的极值点对应的R和P出与我们理论推导的结论是不是吻合呢?要验证这个结论还必须知道电源的电动势和内阻的大小,看看极值对应的R是不是等于r内,P出是不是等于E2/4r,怎样测量电源的电动势呢?这个电路行不行呢?这个问题留给我们同学课后去讨论完成。

五、课堂小结,布置作业

今天的学习我们着重从实验的角度入手,讨论了实验方案,设计了数据记录表格,科学地进行了数据处理,成功地探究了电源输出功率随外电阻的变化关系,并从理论上给予了论证,同学们的表现都非常好,希望大家在以后的学习中,不仅要学会科学地猜想结论,还要尝试着用实验去探究问题;不仅要能定性地分析问题,还要学会用数学方法进行理论推证,定量地讨论问题。

今天的作业:

1. 从理论上推证电源输出功率随外电阻的变化关系。

2. 预习“电源电动势和内阻的测量”,讨论并完成今天最后的实验拓展。

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本文来源:https://www.bwwdw.com/article/nht2.html

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