第十一章 电路及其应用 学习活动设计一：如何让我们的模型亮

第十一章《电路及其应用》学习活动设计一：如何让我们的模型亮
　　课堂教学：
　　【任务情境】
　　一个温馨的建筑模型中总是离不开柔美的灯光氛围。现有一个充满电的电容器和一个电池组分别给灯光电路供电。请你观察两种不同电路下，小灯泡的明暗情况。尝试分析其中的原因，找到使灯泡一直明亮的方法。
　　【学习任务一】导体内持续电流是怎么产生的
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　情境一：有A、B两个导体，分别带正、负电荷。两者之间连接一条导线。
　　提问1：导线中是否存在运动？你能否详细描述这个运动从开始到结束的过程？
　　预测学生回答：存在自由电子的定向移动。从导线连接开始到A、B之间电势差消失，两者成为等势体时结束。
　　提问2：若想要这个运动不停止，需要保持怎样的条件？进行怎样的操作呢？
　　预测学生回答：需要保持A、B之间的电势差不消失。在电路中连接一个装置，能够不断将A上的电子取走，补充给B。
　　提问提示：如何让A、B之间的水流不断？
　　预测学生回答：在A、B之间添加一个抽水装置，将B的水运输到A中。
　　教师引导提升：能够不断从A取走电子，补充给B，使A、B始终带一定数量的正、负电荷的装置是电源。A、B是电源的两个电极。
　　学生讨论总结：形成持续电流的必要条件是电路中有电源。通过电源来搬运电荷，从而保证两极板间始终存在电压。
　　设计意图：从物理学恒定电场这一部分内容出发，分析导体内持续电流是怎么产生的这个问题，形成关于电源这个物理装置的基本认识。整个过程是以学生了解的抽水装置做类比，进行科学的推理，从而得出结论的过程。
　　【学习任务二】恒定电流是怎么形成的
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　情境二：黄果树瀑布在打邦河流域的白水河段上，河水由北向南，到达黄果树时，河床出现一个大的纵坡裂点形成黄果树瀑布，水流经瀑布后向西绕行一个近似半圆的弧形，弦长500米，向西凸出300米，到达水刮冲以下的螺丝滩头，恢复由北向南的流向。瀑布宽101米，高77.8米。
　　提问1：情境二中，若把瀑布下方这个半圆的弧形区域看做水潭，请分析其中的水和总水量的变化？
　　预测学生回答：水是在不停流动的，但总水量大致不变。
　　提问2：情境二中，是否所有的水都按照完全相同的方向流动？若遇到凸起的石块会发生什么呢？
　　预测学生回答：不是完全相同。若遇到石块会改变方向，但总体的流向是一定的。
　　情境三：分析表明，A、B周围空间的电场是由电源、导线等电路元件所积累的电荷共同形成的。这些电荷处于不停的运动之中，有的流走了，又有另外的来补充。
　　提问1：类比情境二的内容和分析过程，尝试分析情境三中的电场分布的变化情况，自由电荷的运动情况以及当运动的自由电荷遇到导体中不动的粒子时会发生什么呢？
　　预测学生回答：电场分布大致不变。但自由电荷的运动情况并不完全相同。若运动的自由电荷遇到不动的粒子会发生碰撞，但大部分的自由电荷会形成定向移动，且平均速率不随时间变化。
　　教师引导提升：像这种由稳定分布的电荷所产生的稳定的电场，叫做恒定电场。恒定电场的基本性质与静电场相同。
　　提问2：若是在情境三中串联一个电流表，请你猜测电流表的指针有什么变化？
　　预测学生回答：指针会偏转一个角度，然后保持不变。
　　教师引导提升：我们把大小、方向都不随时间变化的电流叫做恒定电流。同时，我们把正电荷定向移动的方向规定为电流的方向。
　　设计意图：选用我国著名景点黄果树瀑布为现实情境，通过分析现实中的水潭和水流，类比学习电路中的恒定电场和恒定电流部分内容。学生能够在事实和科学的推理论证中获得知识并尝试运用，在学习的同时也能锻炼其本身的思维和逻辑。本任务中对恒定电场的引入是对静电场的一个补充延伸，更加完善了学生对电场这一物质的认识。同时学生会在这里感受动态平衡的意义。
　　【学习任务三】怎样定量描述电流的强弱
　　教师活动：组织学生交流和讨论。
　　情境四：长江是世界水能第一大河，第三长河。长江之上有世界最大的水利发电工程：三峡大坝。其中的导流明渠全长3410米，是三峡工程的主要项目。在这个位置上，江水流量可超过2万立方米/秒。
　　提问1：请同学们通过单位尝试分析江水流量的计算方法。并尝试能否用类似的方法来表示电流的强弱？
　　预测学生回答：一定时间内通过河流某一过水断面的水流体积，称为江水流量。类比而言，一定时间内通过某一横截面的电荷量，可代表电流的强弱。
　　提问2：当导体中既有正离子，又有负离子做定向运动时，通过某横截面的电荷量为多少？请思考并完成电流部分知识结构的梳理。
　　预测学生回答：若正离子电荷量为，负离子电荷量为，则通过横截面的电荷量。
　　学生讨论总结：电流
　　①定义式：
　　②单位：国际单位：安培（A） 常用单位：毫安（mA）、微安（μA）
　　③物理意义：表示电流的强弱程度
　　设计意图：从定性分析到定量计算是物理学习的重要过程。这部分学习任务中我们运用所学的单位制知识对江水流量这一名词的单位进行分析，并类比得出电流这一物理量，整个过程符合学生的发展思维，同时锻炼他们科学分析、科学推理、科学论证的能力。
　　【学习小结】
　　教师：组织学生回答一开始的任务情境中的问题。
　　参考答案：用电容器供电，小灯泡会亮一下之后熄灭。用电池组供电，小灯泡会一直明亮。这是因为电容器无法维持稳定的电势差，而电源能将电子从正极搬运到负极，以维持稳定的电势差，形成恒定电场，促使恒定电流的产生，使灯泡一直明亮。
　　【学习评价自测】
　　1.下列关于电源和电流的说法正确的是（ ）
　　A.因为电流有方向，所以电流是矢量
　　B.通过导体横截面的电荷量越多，电流越大
　　C.电源是将电能转化为其他形式的能的装置
　　D.电源能把自由电子从正极搬运到负极
　　答案：D
　　解析：电流有方向，但不能按照平行四边形定则进行计算，所以不是矢量。根据电流定义式可知，当时间一定时，通过导体横截面的电荷量越多，电流越大。电源是供电装置，是把其他形式能转化为电能的装置。
　　2.某电解池中，若在2s内各有1.0×1019个二价正离子和2.0×1019个一价负离子通过某横截面，那么通过这个横截面的电流是（ ）
　　A.0 B.0.8A C.1.6A D.3.2A
　　答案:D
　　解析：在2s内通过横截面的正离子电荷量；在2s内通过横截面的负离子电荷量；所以在2s内通过横截面的总电荷量。由电流定义式可知：