高中物理人教版选修3-1导学案电动势 Word版含解析

电动势
【学习目标】
1.知道电源是将其他形式的能转化为电势能的装置.
2.了解电路中静电力和非静电力做功与能量转化的关系.
3.了解电源电动势的基本含义,知道它的定义式,了解电源的内阻．
【自主预习】
一、电源与非静电力做功
1．非静电力的作用：把正电荷从________搬运到_______，同时在该过程中非静电力做功，使电荷的_______增加．
2．电源
(1)定义：通过非静电力做功把____________转化为__________的装置．
(2)能量转化：在电源内部，非静电力做正功，其他形式的能转化为______，在电源外部，________做正功，_____转化为其他形式的能．
二、电动势和内阻
1．电动势
(1)电动势：在电源内部，非静电力把正电荷从负极移送到正极________与________的比值．
(2)定义式：E＝.单位：_______
(3)物理意义：反映电源________做功本领大小的物理量．
(4)决定因素：由电源中______________决定，跟电源的体积________，跟外电路_________
2．内阻：电源________导体的电阻．
【自主预习答案】一、负极、正极，、电势能．2．(1)其他形式的能、电势能．
(2)电能，电场力，电能．
二、1．(1)所做的功W、被移送电荷q．(2)伏特(V)．(3)非静电力．
(4)非静电力的特性、无关，无关．2．内部．
【问题探究】
一、对非静电力的理解
【结合预习自主分析】
(1)如图，水池A、B的水面有一定的高度差，若在A、B之间用一细管连起来，则水在重力的作用下定向运动，A、B之间的高度差很快消失．在这个过程中，水管中只有一个短暂水流．怎样才能保持A、B之间稳定的高度差，在A、B之间形成持续的水流呢？
(2)如图所示，电源在电路中的作用相当于抽水机的作用，它能不断地将流到负极的正电荷搬运到正极，从而保持正、负极有稳定的电势差，维持电路中有持续的电流．电源是通过什么力做功实现这个功能的？
　　　　　　　　　　　
(3)对比上述抽水过程和电荷在电路中的运动，分析它们的能量转化情况．
【答案】　(1)需要加一个抽水机，把水池B中的水抽到水池A中．
(2)通过非静电力做功．
(3)①当水由A池流向B池时重力做正功，减少的重力势能转化为其他形式的能；在电源外部，电场力对正电荷做正功，减少的电势能转化为其他形式的能；②当抽水机将B中的水抽到A的过程中，要克服水的重力做功，将其他形式的能转化为水的重力势能；在电源内部，要靠非静电力作用于正电荷克服电场力做功，将其他形式的能转化为电荷的电势能．
【知识深化】
1．非静电力：电源内使正、负电荷分离，并使正电荷聚积到电源正极、负电荷聚积到电源负极的非静电性质的作用力，是对除静电力外能对电荷流动起作用的其他力的统称．
2．来源
(1)在化学电池(干电池、蓄电池)中，非静电力是化学作用，它使化学能转化为电势能．
(2)在发电机中，非静电力是电磁作用，它使机械能转化为电势能．
3．功能关系：非静电力总是克服静电力做功，非静电力做功的过程就是将其他形式的能转化为电能的过程．做多少功，就有多少其他形式的能转化为电能．
【例1】(多选)下列说法正确的是(　　)
A．在外电路和电源内部，正电荷都受非静电力作用，所以能不断定向移动形成电流
B．静电力与非静电力都可以使电荷移动，所以本质上都是使电荷的电势能减少
C．在电源内部正电荷能从负极到正极是电源内部非静电力克服静电力做功的结果
D．静电力移动电荷做功电势能减少，非静电力移动电荷做功电势能增加
【答案】　CD
【解析】　在电源外部，电荷受静电力作用，而在电源内部，电荷既受静电力作用，又受非静电力作用，故能使电荷不断定向移动形成电流，选项A错误，C正确；静电力做功，使电荷电势能减少，非静电力做功，使电荷电势能增加，选项B错误，D正确．
【例2】　(多选)电池给灯泡供电与人将球抛出在能量转化方面有相似之处，我们可以将电势能类比于重力势能，如图所示，下列说法正确的是(　　)
可以将电流通过灯泡时电流做功与抛球时人对球做功类比
B．可以将电池的非静电力做功与抛球时人对球做功类比
C．可以将电流通过灯泡时电流做功与重力对球做功类比
D．可以将电池的非静电力做功与重力对球做功类比
【答案】　BC
【解析】　将电势能类比重力势能，电流通过灯泡做功，电势能减少，可类比重力做功，重力势能减少．非静电力做功，电势能增加，可类比抛球时人对球做功，球重力势能增加，故B、C正确．
【题后反思】
1．非静电力只存在电源的内部，而静电力分布于电源内外．
2．非静电力做多少功，就有多少其他形式的能转化为电能．
二、对电动势的理解
【阅读教材后分析问题】日常生活中我们经常接触到各种各样的电源，如图所示的干电池、手机电池，它们有的标有“1.5 V”字样，有的标有“3.7 V”字样．
如果把1 C的正电荷从1.5 V干电池的负极移到正极，电荷的电势能增加了多少？非静电力做了多少功？如果把1 C的正电荷从3.7 V的手机电池的负极移到正极呢？哪个电池做功本领大？
【答案】　把1 C的正电荷从1.5 V干电池的负极移到正极，电势能增加了1.5 J，非静电力做功1.5 J；从3.7 V手机电池的负极移到正极，电势能增加了3.7 J，非静电力做功3.7 J．3.7 V手机电池做功本领大．
【知识深化】
1．E＝是电动势的定义式而不是决定式，E的大小与W和q无关，是由电源自身的性质决定的；电动势不同，表示电源将其他形式的能转化为电能的本领不同．
2．电动势在数值上等于非静电力把1 C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功．
3．电动势是标量，但为研究问题的方便，常认为其有方向，规定其方向为电源内部电流的方向，即在电源内部由电源负极指向正极．
4．常用电池的电动势
干电池
铅蓄电池
锂电池
锌汞电池
1.5 V
2 V
3 V或3.6 V
1.2 V
5.容量：电池放电时能输出的总电荷量，其单位是：A·h或mA·h.
【例3】一节干电池的电动势为1.5 V，这表示(　　)
A．电池中每通过1 C的电荷量，该电池能将1.5 J的化学能转变成电势能
B．该电池接入电路工作时，电池两极间的电压恒为1.5 V
C．该电池存储的电能一定比电动势为1.2 V的电池存储的电能多
D．将1 C的电子由该电池负极移送到正极的过程中，非静电力做了1.5 J的功
【答案】　A
【解析】　电动势大小表示电池中每通过1 C的电荷量，电池将其他形式的能量转化为电势能本领的大小，并非表示电池内部储存的能量大小，故选项A正确，C错误；电动势大小等于电池接入电路前两极之间的电压大小，故选项B错误；电动势为1.5 V，表示电池内部非静电力将1 C的电子由电源正极移送到负极过程中所做功的大小，故选项D错误．
【例4】　将电动势为3 V的电源接入电路中，测得电源两极间的电压为2.4 V，当电路中有6 C的电荷流过时，求：
(1)有多少其他形式的能转化为电能；
(2)外电路中有多少电能转化为其他形式的能；
(3)内电路中有多少电能转化为其他形式的能．
【答案】　(1)18 J　(2)14.4 J　(3)3.6 J
【解析】　(1)W＝Eq＝3×6 J＝18 J，电源中共有18 J其他形式的能转化为电能．
(2)W1＝U1q＝2.4×6 J＝14.4 J，外电路中共有14.4 J的电能转化为其他形式的能．
(3)W2＝W－W1＝3.6 J，内电路中有3.6 J电能转化为其他形式的能．
【题后反思】
电动势E＝和电压U＝的区别
电动势E＝是电动势的计算式，其中W为非静电力做的功；电压U＝为电压的计算式，其中W为静电力做的功．两者的单位虽然相同，但表示的意义不同；电动势反映非静电力做功把其他形式的能转化为电能的本领，表征电源的性质；电压就是电势差，即电路(电场)中两点电势的差值，反映电场能的性质．
【课堂练习】
1．(多选)关于电动势，下列说法中正确的是(　　)
A．在电源内部把正电荷从负极移到正极，非静电力做功，电势能增加
B．对于给定的电源，移动正电荷非静电力做功越多，电动势就越大
C．电动势越大，说明非静电力在电源内部把正电荷从负极向正极移动时，对单位电荷量做功越多
D．电动势越大，说明非静电力在电源内部把正电荷从负极移到正极时，移送的电荷量越多
【答案】　AC
【解析】　电源是将其他形式的能转化为电势能的装置，是通过电源内部的非静电力做功来完成的，所以，非静电力做功，电势能就增加，因此选项A正确．电源的电动势是反映电源内部其他形式的能转化为电势能本领的物理量．电动势在数值上等于移送单位电荷量的正电荷所做的功，不能说非静电力做功越多，电动势越大，也不能说电动势越大，移送的电荷量越多，所以选项C正确，选项B、D错误．
2．(多选)关于电源电动势E的下列说法中正确的是(　　)
A．电动势E的单位与电势、电势差的单位相同，都是伏特V
B．干电池和铅蓄电池的电动势是不同的
C．电动势E可表示为E＝，可知电源内非静电力做功越多，电动势越大
D．电动势越大，表示电源内部将其它形式能转化为电能的本领越大
【答案】　ABD
【解析】　电动势E的单位与电势差的单位相同，都是伏特，故A正确；干电池的电动势为1.5 V，而铅蓄电池的电动势大小是2 V，故B正确；电动势E可表示为E＝，可知电源内非静电力移送单位正电荷做功越多，电动势越大，选项C错误；电动势表征电源把其它形式的能转化为电能的本领大小，电动势越大，表示电源内部将其它形式能转化为电能的本领越大，选项D正确．
3．有一铅蓄电池，在其内部将2×10－5 C的电子从正极移到负极需要3×10－2 s的时间，此过程中非静电力做功为4×10－5 J，则该铅蓄电池的电动势是多少？给一小灯泡供电，供电电流是0.2 A，供电10 min，非静电力做功是多少？
【答案】　2 V　240 J
【解析】　电动势E＝＝ V＝2 V
非静电力做的功W′＝Eq′＝EIt＝2×0.2×60×10 J＝240 J.