12.2闭合电路的欧姆定律教学设计

人教版高中物理新教材必修三第十二章《电能 能量守恒定律》
第二节《闭合电路的欧姆定律》
【教材分析】
本节是人教版高中物理必修第三册第十二章的内容，属于《普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）》课程内容必修课程“电路及其应用”主题之下。第十二章《电能 能量守恒定律》主要研究的是电路中的能量转化，利用能量守恒定律推导出闭合电路的规律进而认识自然界的能源，提升保护能源的意识，关注可持续发展。课程标准针对本单元的学习内容提出了三方面的要求：（1）知识层面。要求理解电功、电功率和电动势的概念和物理意义；掌握电源电动势与路端电压和内电压的关系；理解能量守恒定律，知道节约能量的必要性。（2）能力方面。能用能量守恒的观点理解、解释物理现象；具有解决实际问题的能力。（3）实验探究方面。能通过实验现象的观察和对实验现象的解释，理解焦耳定律和电动势的概念及物理意义；能利用闭合电路欧姆定律设计“测量电源电动势和内阻”的实验方案。
本节要学习的闭合电路的欧姆定律是整个高中电学部分最重要的物理规律之一，是部分电路欧姆定律的延伸和完善，是分析实际电路和复杂电路的基础。教材通过分析闭合电路中的功能关系和能量守恒定律推导出闭合电路的欧姆定律，在处理教材时需要解决以下几个问题：1. 闭合电路中的电势是如何变化的，内外电路的电压有什么规律？这需要通过探究实验和理论推导寻找更多直观的证据来从多个视角寻找规律，并理解电动势的物理意义。2. 作为研究物理问题的重要思想方法，从能量的观点分析问题时有什么优势？应该如何分析？在教学过程中要注意让学生体会从不同观点分析问题的区别，感受用能量观点分析问题的方法。
综合以上分析，本节课的学习主题确定为：熟悉而陌生的电池。
【学习主题】
主题名称：熟悉而陌生的电池
【学情分析】
作为高二的学生，通过高一的学习，学生已经具有运动与相互作用观念，对功能关系和能量概念已经有了一些理解，具有能量转化与守恒的观念。通过前三章的学习，学生已建立了“场” 的观念，熟悉电路的基本特征，为自由电荷在电路中的运动分析和能量分析做好了准备。但是研究闭合电路的电势问题需要建立恒定电场模型，分析自由电荷在全电路内的运动和静电力做功情况，这对学生来说是较大的挑战。同时受初中物理中关于电源输出电压不变的影响，很多学生认为闭合电路中路端电压是不变的，没有电动势的概念和对电路全局分析的意识。
本节课要努力创设能激发学生探究欲望的问题情境，引导学生进行科学探究，逐步将视角从局部电路过渡到全电路，在解决问题的过程中运用能量观点理解闭合电路中电势变化的相关规律，最终发现闭合电路的欧姆定律。在探究实验中培养学生实验设计、分析论证、反思评估
等能力。同时还要紧密联系生活、科技进步，充分利用多种教学资源，引导学生关注科学˙技术˙社会的关系，培养学生解决实际问题的能力。
【学习目标】
通过探究实验理解闭合电路欧姆定律，掌握电源电动势与路端电压和内电压的关系，并能用做功和能量守恒的观点解释。（A3、B2）
通过实验现象的观察和对实验现象的解释，经历“比较-概括-抽象”的思维过程，逐步理解电动势的概念和物理含义，知道电源电动势和内阻是标志电源性能的重要参数。（A2、B3）
通过对比实验的观察和分析，经历提出问题、收集信息、实验验证、对比分析、归纳总结等科学探究过程，找寻闭合电路内外电压的规律并提高解决实际问题的能力。（B3、C2）
通过实际问题的分析讨论，逐步发现问题本质，认识到科学˙技术˙社会的密切联系。通过探究过程中一个个小问题的解决，体会研究科学问题时严谨认真、实事求是的必要性。（C3、D2）
（说明：A、B、C、D 是学科核心素养的四个维度的编码，分别对应物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。数字 1、2、3、4 对应每个维度的水平层次等级。）
【教学重难点】
重点：探究闭合电路的欧姆定律难点：电动势概念的理解
【教学资源】
教学环境：智慧教育云平台（微云服务器 1 台、教师平板 1 台、学生平板 20 台），PPT 演示文稿。
教具：1 个小灯泡（电压 1.5v），干电池一节，镁片、石墨片、苹果、自制闭合电路欧姆定律教师演示仪，可变内阻化学电池一个，笔记本电脑 1 台，变阻箱一个，DIS 数据采集器，
DIS 电压传感器（2 个），导线若干，自制非静电力类比演示仪，。
学具：自制闭合电路欧姆定律探究仪（4 组），可变内阻化学电池4 个，变阻箱（4 个），笔记本电脑（4 台），导线若干。
【教学方法】
“循环递进式探究”教学法：设置问题串，通过对比、实验（分组）、建模开展教学。以情景导入，任务驱动，问题嵌入，活动贯穿，促进深度学习，实现教学进阶。
【教学策略】
智慧课堂 “云互动”： 基于智慧课堂全程跟踪探究活动，即时推送学习任务，对学生当堂建模、实验探究大数据收集、反思研讨过程在线及时处理反馈，发布个性化的批注讲解，确保探究活动的针对性。
项目化学习策略：将问题前置，以结果为导向，学生在一段时间内通过对连续的、真实的、有挑战的问题进行持续探究，达到核心知识的再建构和思维迁移。
【教学流程】
【课时安排】
1 课时
【教学过程】
情境问题：
户外探险爱好者在户外经常会遇到意想不到的困难。一位户外探险爱好者在一次夜间探险的途中迷路了，手机也没电了，他想利用手电筒发出求救信号，可是手电筒也没电了，他的身边只有以下几件物品（图 1）， 他能点亮小灯泡发出求救信号吗？
图 1
智慧课堂平台互投票功能，收集学生的选择，进行大数据分析。（如图 2）
图 2
（一）初次尝试，发现问题
任务一：分析情境问题，实验验证猜想
问题 ：水果电池能让小灯泡亮起来吗？
活动①：试一试——尝试利用水果电池点亮小灯泡
实验器材：小灯泡（额定电压 1.5V）、电池盒、导线、两节新干电池，一节旧干电池，数字电压表。对比演示实验：
用一节干电池（电动势 1.5V），给小灯泡（额定电压 1.5V）供电。
将水果和石墨片、镁片制作的水果电池替换干电池，给小灯泡（额定电压 1.5V）供电。先测量开路电压（1.97V）。
现象：水果电池供电的小灯泡不亮！电池两端的电压从开路时的 1.97V 左右降到了 0！
评价 1：对水果电池能否让灯泡亮起来提出自己的观点。
智慧课堂平台的同屏展示功能：利用智慧云平台的展台功能实现同屏展示实验操作过程。（如图 3）
图 3
问题 ：电池两端减少的电压去哪了？
基于核心素养的设计意图：以生活情境引入，拉近物理课堂和生活的距离，激发学生的好奇心和探索欲望， 对比演示实验大大出乎学生们的预料，形成了认知冲突，为引出本节课的主题“熟悉而陌生的电池”做好了
铺垫。学生可能会想到失去的电压留在了内部，使接下来的学习内容顺利地围绕学习需求开展。
（二）实验探究，寻找线索
任务二：测量内外电压，寻找变化规律
活动②：探一探——探索电池内部的奥秘
仔细观察：
展示 1：将水果电池和解剖过的干电池展示给学生观察，介绍正负电极和电解质，如图 4。
图 4
发现：电池内部存在电阻——内阻（r） 展示 2：铅蓄电池，介绍结构。
(
图
5
)演示：用 DIS 数字电压传感器测量蓄电池两极间的电压，并明确电源正负极。如图 5
实验：在电源断路的情况下，用电压传感器测量电极与探针之间、探针与探针之间的电势差。（如图 6） 演示实验：在电源断路的情况下，用 DIS 数字电压传感器测量电极与探针之间、探针与探针之间的电势差
图 6 表 1
智慧课堂平台同屏展示功能：展示实验操作过程，提高实验可视度。（如图 7）
(
图
4
)图 7
发现特征：电源内部，电势在电极附近出现两次“跃升”。（如图 8）
图 8
评价 2：能否通过实验得出电源内部电势有两次抬升的结论。
问题 ：如果将电源接入用电器，组成闭合电路，电源内部的电势是否发生变化？
实验：用 DIS 电压传感器测两电极 AB 和两探针 ab 之间的电势差（如图 9）。
智慧课堂平台同屏展示功能：展示实验操作过程，提高实验可视度。
(
图
9
)
观察现象：外电路 UAB=1.87V ，相较于电路断路时，数值减小。内电路探针之间出现了电势差（φa＜φb），Uab=- 0.14V 。
结论：1. 电路导通时，电源内部有电势的降落，我们称“内电压(U 内)”，外电路电势的降落叫“外电压(U 外)”。
2. 整个闭合回路电势出现两次抬升，两次降落。抬升的数值和降落的数值总是相等。
问题 ：内外电压 U 外、U 内之和、与电源内部两次电势抬升的数值总会是定值吗？ 活动③：测一测——测量闭合电路内外电压
(
表
2
)分组实验：利用自制学具（如图 10）测量电路的内外电压的数值，并计算两者之和，改变外电路电阻 R，多次测量，寻找规律，将实验相关数据填入表 2。
图 10
智慧课堂平台的同屏提问功能：学生将实验结论拍照提交，老师进行大数据分析，得出共性结论。（如图 11）
图 11
评价 4：分组实验数据是否合理，能否得出内外电压之和与电源内部电势两次抬升的数值总相等的结论。
分析数据、发现规律：
对同一电源，闭合电路内外电压之和与电路内部两次电势的提升值之和相等。
对同一电源，闭合电路内外电压之和是定值。
问题 ：这个定值到底反映了电源的什么特性？
基于核心素养的设计意图：通过观察和实验让学生了解了化学电池的构造，发现电池的内部电势特点，逐步建立电源内电路的物理模型，形成正确的物理观念。学生经历了观察对比、发现问题、提出假设、实验探究等一系列的探究过程，加深了对于闭合电路内外电压与电源内部两次电势
提升之间关系的感性认识，培养学生科学探究的意识。
（三）理论分析，发现规律
任务三：运用守恒思想，理解科学本质
活动④：想一想——电源如何维持闭合电路有持续的电流
引导：有一个量总是保持不变，这在物理学上我们常称做“守恒”。能不能从守恒的角度思考。类比演示：如图 12
(
负 极
-
正 极
+
)正电荷
图12
思考：流回负极的正电荷是如何回到正极的呢？
类比：将小球由低处搬运到高处，能继续依靠重力吗？
得出结论：电源依靠非静电力做功将流回负极的正电荷搬运到正极，维持持续的电流。评价 3：能否说出非静电力的作用。
活动⑤：理一理——从能量观出发理清电路中的守恒关系
思考：从能量守恒的角度想一想，闭合回路中静电力做功和非静电力做功的关系是怎样的？ 结论：闭合回路中静电力做功等于非静电力做功 W 电=W 非
8
活动⑥：推一推——推导电动势和欧姆定律的表达式
推理论证：
由实验数据可得：E=U 外+U 内
有能量守恒定律和功能关系可得：q U 外+ q U 内=W 非
推导得出：E= W 非/q
含义：E 就是电源内部非静电力移送单位电荷所做的功。即非静电力做功的本领！ 电动势——非静电力所做功与所移动电荷量之比。符号：E 单位：伏特（V）
智慧课堂平台的同屏提问功能：学生将实验结论拍照提交，老师进行大数据分析，得出共性结论。（如图 13）
图 13
问题 ：水果电池给小灯泡供电时外电压为什么很小？ 活动⑦：看一看——再次观察实验数据寻找线索
观察：再次观察分组实验数据（表 2）
表 2
(
I
=
)结合部分电路欧姆定律和实验结论 E=U 外+U 内， 推导闭合电路欧姆定律： E
R外 + r
闭合电路欧姆定律内容：闭合电路的电流，跟电源的电动势成正比，跟整个电路的电阻成反比。
（备注：适用于纯电阻电路）
评价 4：各组运用能量守恒定律能否推导出电动势的表达式和闭合电路欧姆定律。
智慧课堂平台的录制微课功能：现场录制微课推送给学生，供学生课后观看（图 14）。
(
图
14
)
问题 ：你能解释水果电池为什么不能点亮小灯泡了吗？
基于核心素养的设计意图：学生在老师创设的问题情境下交流讨论，学生深度参与课堂，经历先交流再观察、再猜想、再推导、再思考，从感性到理性，由特殊到一般的过程，发展了科学思维。同时，这样的设计循序渐进，遵从学生认知规律。
（四）应用规律，解释现象
任务四：运用欧姆规律，解答情境问题
活动⑧：说一说——水果电池不能点亮小灯泡的原因
(
=
)猜想原因：由 I
E R外 + r
和 U 外=IR 可知
水果电池的内阻 r 太大，导致闭合电路中的电流 I 小，故外电压 U 外小。
实验验证：利用注射器改变铅蓄电池内阻，观察内电压、外电压以及电流的变化（图 15）。
图 15
智慧课堂平台同屏展示功能：展示实验操作过程，提高实验可视度（图 16）。
图 16
评价 5：能否运用闭合电路的欧姆定律解释水果电池不能点亮小灯泡的原因。
基于核心素养的设计意图：解释原因，即是本节课知识的应用，同时也使本节课的情境贯穿始终。通过实际问题的解决，体会到了运用所学知识解决实际问题的乐趣，同时增强了实践意识， 深化了物理观念，发展了科学思维。
【课堂小结】
(
§
12.2
闭合电路的欧姆定律
一、初次尝试，发现问题二、实验探究，寻找线索
1.
U
外
+
U
内
=
定值
三、理论分析，发现规律
1.
电动势：
E
=
W
非
/
q
含义：电源内部非静电力移送单位正电荷所做的功
2.
闭合电路欧姆定律：
I
=
E
R
外
+ r
四、应用规律，解释现象
)【板书设计】
【作业布置】
注：作业布置分 A、B 两组，其中 A 组为基础题，要求全体学生完成，B 组为提高题，供学有余力的同学选做。
课 后 习 题 组别 知识点 核心素养 水平
1、收集生活中的电源，试着了解它们非静电力的来源？ 答案：发电机的非静电力——电磁力；化学电池的非静电力——化学作用；温差电源的非静电力——扩散作用 A 非静电力 物理观念 2
2、在实验课上，小红同学用电压表去测量 1 节新干电池的电动势约为 1.5 V，1 节旧电池的电动势约为 1.45 V，现在她把这样的两节旧电池串联后接在一个标有“3 V 2 W”的小灯泡两端，结果发现小灯泡不发光，检查电路的连接，各处均无故障。电池虽然旧了，但电动势并没有减小多少，那么小灯 A 闭合电路欧姆定律 科学思维科学探究 2
泡为什么不亮呢？
答案：旧电池的内阻大，和新电池串联后电池组的内阻大，连接灯泡
后电路的内电压大，电源输出的路端电压小，所以灯泡不发光。
1. (多选)如图所示，电源电动势为 E，内阻为 r.当逐一闭合开关，接入灯泡增多时，以下说法正确的是( )
A．灯少时各灯较亮，灯多时各灯较暗
B．灯多时各灯两端的电压较低 B 闭合电路 的欧姆定 物理观念 3
C．灯多时通过电源的电流较大 律 科学思维
D．灯多时通过各灯的电流较大
答案：ABC
2. 测量闭合电路的内外电压的实验中，有同学发现内外电压
之和其实总是略小于电源的电动势，且外电阻越小，这个差
值越大，你知道其中的道理吗？
B 闭合电路的欧姆定律 科学思维科学探究 科学态度与责任 4
答案：主要原因是探针 a 与电极 A、探针 b 与电极 B 无法做到无限接
近但又不接触，实验所测内阻实为探针 a、b 间的电阻，小于电极 A、B
间的真实内阻。
课时学习情况评价表
评价内容 分值 评价指标 第一组 第二组 第三组 第四组
得分 得分 得分 得分
兴趣态度 20 20 分 对学习有浓厚兴趣，小组成员积极参与， 分工明确，配合默契
15 分 对学习有较大兴趣，小组成员都能参与， 分工合理，能相互配合
10 分 对学习兴趣一般，小组成员大部分参与， 有分工，交流不够，配合不够默契
5 分 对学习缺乏兴趣，小组成员参与度不高， 分工不明，基本不合作
实验能力 30 30 分 实验数据准确，合理运用知识，操作规范，能得出十分准确而有效结论。
20 分 实验数据比较准确，操作较规范，能得出较准确的结论
10 分 实验数据基本合理，操作基本正确，能完成实验步骤。
0 分 实验没有完成，不会操作实验器材，没有实验结论。
表达表现 30 30 分 表述清晰易懂，能完整表述观点、思路和想法，得到多数人赞同。
20 分 表述较完整，能表述出自己的观点、思路和想法，得到部分人认可。
10 分 表述混乱，观点和思路不清晰。
结果解释 20 20 分 知识、规律运用合理，思路清楚，能很好地解释问题。
10 分 能运用所学进行解释，基本能解释清楚问题。
0 分 不能进行合理有效解释。
总分
（注：上表用于学生互评和教师评价）
【教学反思】
本节课内容来源于生活真实情境，从发现问题到探究原因，再到发现规律，最后解释现象。各教学环节层层递进，环环相扣，充分运用了循环递进式教学方法。学生在一个个递进的情境任务中不断认识科学本质， 寻找到物理规律，发现解决问题的科学方法。在不断探索的过程中锻炼了关键能力，提升了科学素养。
走入情境：
§12.2 《闭合电路的欧姆定律》学习任务单
户外探险爱好者在户外经常会遇到意想不到的困难。一位户外探险爱好者在一次夜间探险的途中迷路了，手机也没电了，他想利用手电筒发出求救信号，可是手电筒也没电了，他的身边只有以下几件物品， 他能点亮小灯泡发出求救信号吗？
任务一：分析情境问题，实验验证猜想
问题 ：水果电池能点亮小灯泡吗？
活动①：试一试——尝试利用水果电池点亮小灯泡
现象观察：
(
测量范围
电势差
/V
U
AB
U
ab
U
Aa
U
bB
)问题 ：水果电池两端减少的电压去哪了？ 任务二：测量内外电压，寻找变化规律活动②：探一探——探索电池内部的奥秘
实验一：
实验结论 1： 。
问题 ：如果将电源接入用电器，组成闭合电路，电源内部的电势是否发生变化？
(
测量范围
电势差
/V
U
AB
U
ab
U
ba
＋
U
AB
)实验二：将铅蓄电池连接变阻箱，组成闭合电路，用 DIS 电压传感器测两电极 AB 和两探针 ab 之间的电势差。
实验结论 2： 。
问题 ：内外电压 U 外、U 内之和、与电源内部两次电势抬升的数值总会是定值吗？ 活动③：测一测——测量闭合电路内外电压
分组实验：利用自制学具测量电路的内外电压的数值，并计算两者之和，改变外电路电阻 R，多次测量，寻找规律，将实验相关数据填入下表。
实验结论：
问题 ：这个定值到底反映了电源的什么特性？
任务三：运用守恒思想，理解科学本质
活动④：想一想——电源如何维持闭合电路有持续的电流
小球持续运动 正电荷持续移动——电流
高地势到低地势 在 力的作用下 高电势到低电势 在 力的作用下
低地势回高地势 作用 低电势回高电势 作用
功能关系 功能关系
高地势到低地势 力做功 高电势到低电势 力做功
低地势回高地势 力做功 低电势回高电势 力做功
结论： 。
活动⑤：理一理——从能量观出发理清电路中的守恒关系
思考：从能量守恒的角度想一想，闭合回路中静电力做功和非静电力做功的关系是怎样的？
(
若内电路电压为
U
内
，
外电路电压
U
外
，
电路电荷量为
q
，
则整个闭合电路电场力做功可以
表
示为：
W
电
=
①
根据能量守恒定律，整个闭合电路中非静电力做功
W
非
和电场力做功
W
电
的关系是：
②
由
①
、
②
两 式 可 得 ， 非 静 电 力 做 功
W
非
与 内 外 电 压
U
内
、
U
外
的 关 系 为 ：
③
而
E
=
U
外
+
U
内
④
)活动⑥：推一推——推导电动势和欧姆定律的表达式
由③、④两式可得，E 与 W 非之间的关系为 E=
E 的物理意义：
问题 ：水果电池给小灯泡供电时外电压为什么很小？ 活动⑦：看一看——再次观察实验数据寻找线索
结合部分电路的欧姆定律 U=IR 和 E=U 外+U 内 ，可得关系：
闭合电路欧姆定律内容：
任务四：运用欧姆规律，解答情境问题
问题 ：你能解释水果电池为什么不能点亮小灯泡了吗？ 活动⑧：说一说——水果电池不能点亮小灯泡的原因
原因：