資源簡介

3.1《導體的伏安特性曲線》課時教案
學科 物理 年級冊別 高二上冊 共1課時
教材 粵教版高中物理必修第三冊 授課類型 新授課 第1課時
教材分析
教材分析
本節內容選自粵教版高中物理必修第三冊第三章第一節《導體的I-U特性曲線》，是電學部分的基礎性內容，起著承前啟后的重要作用。學生在初中已學習了歐姆定律和電路的基本知識，本節課在此基礎上深入探究電流與電壓之間的定量關系，并通過實驗繪制I-U圖像，建立“線性”與“非線性”元件的概念。教材以燈泡和定值電阻為研究對象，引導學生理解伏安特性曲線的物理意義，掌握實驗設計、數據處理與圖像分析的方法，為后續學習閉合電路歐姆定律、電源電動勢與內阻等內容打下堅實基礎。
學情分析
高二學生已經具備一定的電學基礎知識，如電流、電壓、電阻的概念及串并聯電路規律，也初步掌握了基本電學儀器（電壓表、電流表、滑動變阻器）的使用方法。但在實驗設計能力、控制變量意識、數據記錄與圖像處理方面仍存在薄弱環節。部分學生對“為何要畫圖”“圖像斜率代表什么”等深層問題缺乏理解。此外，學生正處于抽象思維發展的關鍵期，容易將I-U圖像誤認為是物體運動的s-t圖或v-t圖。因此教學中需強化圖像的物理意義建構，借助真實實驗情境激發探究興趣，幫助學生突破認知障礙，提升科學探究素養。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解導體的伏安特性曲線的物理含義，能說出I-U圖像中某點坐標、斜率、曲率所代表的物理意義。
2. 能區分線性元件（如金屬電阻）與非線性元件（如小燈泡）的I-U特性差異，并解釋其成因。
科學思維
1. 能運用控制變量法設計測量導體電流與電壓關系的實驗方案，具備初步的實驗設計能力。
2. 能根據實驗數據繪制I-U圖像，通過圖像分析判斷元件是否遵循歐姆定律，并進行合理外推與比較。
科學探究
1. 經歷完整的實驗探究過程：提出問題→設計實驗→收集數據→分析圖像→得出結論，提升動手操作與團隊協作能力。
2. 能正確連接電路，規范使用電壓表、電流表和滑動變阻器，準確記錄多組實驗數據。
科學態度與責任
1. 在實驗過程中養成實事求是、嚴謹細致的科學態度，尊重實驗數據，敢于質疑異常現象。
2. 認識到物理圖像在科學研究中的重要價值，體會從實驗中發現規律的科學方法，增強探索自然的興趣與責任感。
教學重點、難點
重點
1. 掌握描繪導體I-U特性曲線的實驗方法，理解圖像的物理意義。
2. 理解線性元件與非線性元件的區別，明確歐姆定律適用條件。
難點
1. 理解I-U圖像斜率的物理意義（即電阻的倒數），避免與力學圖像混淆。
2. 解釋小燈泡I-U曲線彎曲的原因——溫度對電阻的影響。
教學方法與準備
教學方法
實驗探究法、情境創設法、合作學習法、講授引導法
教具準備
學生電源、滑動變阻器、電壓表、電流表、開關、導線若干、小燈泡（2.5V）、定值電阻（5Ω）、數據采集器與計算機（可選）、PPT課件
教學環節 教師活動 學生活動
情境導入
【5分鐘】 一、生活情境引入，激發探究欲望。 （一）、播放視頻：城市夜景燈光秀與家庭照明對比。
教師播放一段城市高樓燈光秀絢麗變換的畫面，再切換到家中白熾燈緩慢點亮的過程。提問：“同樣是發光，為什么現代LED燈可以瞬間全亮，而老式白熾燈卻要‘漸入佳境’？這背后隱藏著怎樣的物理秘密？”引導學生思考燈絲在通電過程中發生了什么變化。
（二）、回顧舊知，引發認知沖突。
教師提問：“我們之前學過歐姆定律，公式是I=U/R。如果R不變，那么I與U應該是什么關系？”學生回答“正比”。教師繼續追問：“那是不是所有導體都滿足這個正比關系呢？比如剛才看到的小燈泡？”隨即展示一個標有“2.5V 0.3A”的小燈泡實物，提出驅動性問題：“如果我們想研究它兩端電壓從0逐漸增大到額定電壓的過程中，流過的電流是如何變化的，該怎么辦？”
（三）、明確任務，構建探究主線。
教師總結：“今天我們就化身‘電路偵探’，通過親手實驗來揭開導體內部的電流密碼！我們的核心任務就是：測量不同電壓下通過導體的電流，繪制I-U圖像，看看真實的導體是否真的像公式那樣簡單。”板書課題《導體的I-U特性曲線》，并強調“圖像不僅是數據的呈現，更是規律的語言”。 1. 觀看視頻，聯系生活經驗，思考燈泡亮度變化原因。
2. 回憶歐姆定律內容，嘗試回答教師提問。
3. 對小燈泡是否始終遵守歐姆定律產生疑問，激發實驗探究興趣。
4. 明確本節課的學習任務與目標。
評價任務 觀察反應：☆☆☆
回答準確：☆☆☆
提出猜想：☆☆☆
設計意圖 以貼近生活的燈光現象切入，制造認知沖突，打破學生“所有導體都嚴格遵循歐姆定律”的思維定勢。通過層層設問，引導學生主動提出研究問題，明確探究方向，形成“測量→繪圖→分析”的科學探究路徑，為后續實驗奠定心理與認知基礎。
實驗設計
【8分鐘】 一、小組討論，制定實驗方案。 （一）、分組討論：如何測量多組U、I數據？
教師組織學生四人一組展開討論：“要獲得多個電壓下的電流值，我們需要改變哪個物理量？用什么器材實現連續調節？如何保證每次只改變一個因素？”提示學生回憶“探究加速度與力、質量關系”的實驗思想——控制變量法。鼓勵各組畫出電路草圖，并說明每個元件的作用。
（二）、師生共建，優化電路設計。
邀請兩組代表上臺展示他們的電路圖。常見錯誤包括：滑動變阻器接成固定電阻、電壓表并聯位置錯誤、缺少開關等。教師不直接否定，而是引導全班共同分析：“如果這樣接，能不能實現電壓從零開始調節？會不會損壞電表？”最終引導學生達成共識：應采用分壓式接法，使待測元件（燈泡或電阻）兩端電壓可以從0連續調至最大值。教師在黑板上規范畫出完整電路圖：
電源 → 開關 → 滑動變阻器（全阻值接入，滑片置于輸出最小端）→ 待測元件（與電壓表并聯）→ 電流表（串聯）→ 回到電源負極。
強調滑動變阻器“一上兩下”接線原則，電壓表“并聯測壓”，電流表“串聯測流”。
（三）、明確分工，規范操作要求。
教師發放實驗記錄表，表格包含序號、電壓U(V)、電流I(A)、備注（如燈泡亮度）三項。提醒學生：“每次讀數前要確認電表示數穩定；調節滑片要緩慢均勻；記錄數據要及時準確；注意安全，防止短路。”特別指出小燈泡額定電壓為2.5V，不得超過以免燒毀。 1. 小組合作討論實驗方案，繪制電路圖。
2. 代表展示設計思路，接受同學質疑與補充。
3. 理解分壓式電路的優勢，掌握正確連接方法。
4. 明確實驗步驟與安全注意事項。
評價任務 方案合理：☆☆☆
電路正確：☆☆☆
分工明確：☆☆☆
設計意圖 通過小組合作促進思維碰撞，讓學生經歷“設想—表達—修正”的過程，深化對控制變量法的理解。針對典型錯誤進行集體辨析，強化電路連接的關鍵細節。規范的數據記錄表有助于培養學生嚴謹的實驗習慣，為后續數據分析提供可靠依據。
實驗探究
【15分鐘】 一、動手實踐，采集實驗數據。 （一）、分發器材，指導連接電路。
教師巡視各組，重點檢查滑動變阻器是否接成分壓式、電表量程選擇是否合適（建議電壓表0~3V，電流表0~0.6A）、正負極是否接反。對于操作困難的小組給予個別指導。提醒學生先斷開開關，檢查無誤后再閉合電源。
（二）、有序測量，記錄多組數據。
要求學生從U=0開始，每隔約0.3V記錄一組數據，直至達到2.5V。 例如：0V, 0.3V, 0.6V, 0.9V, 1.2V, 1.5V, 1.8V, 2.1V, 2.4V, 2.5V。每調節一次滑片，待燈泡亮度穩定后讀取電壓表和電流表示數，填入表格。同時觀察并描述燈泡亮度的變化趨勢。
（三）、更換元件，重復實驗過程。
完成小燈泡測量后，斷開電源，將小燈泡替換為5Ω定值電阻，保持其他電路不變，再次從0V開始測量，記錄至少8組數據。提醒學生注意定值電阻不會發光，但仍需關注電表示數變化。
（四）、數據整理，準備繪圖分析。
教師提示：“接下來我們要把枯燥的數字變成會說話的圖像。請各組整理好兩組數據，準備進入‘圖像解碼’環節。”同時投影展示坐標紙模板，橫軸為U(V)，縱軸為I(A)，建議標度為每格0.2V和0.02A。 1. 合作連接電路，確保接線正確。
2. 調節滑動變阻器，逐次測量并記錄電壓與電流值。
3. 更換定值電阻，重復測量過程。
4. 整理實驗數據，準備繪制圖像。
評價任務 操作規范：☆☆☆
數據真實：☆☆☆
記錄完整：☆☆☆
設計意圖 通過親自動手操作，學生不僅鞏固了電學儀器的使用技能，更在實踐中體驗科學探究的真實過程。對比兩種不同導體的測量，為后續發現規律差異埋下伏筆。強調數據采集的系統性和規范性，體現科學研究的嚴謹性。
數據分析
【10分鐘】 一、繪制圖像，揭示內在規律。 （一）、指導繪圖，強調科學規范。
教師示范如何在坐標紙上描點：用鉛筆輕點定位，標注對應數據點。提醒學生同一導體的數據點用同一種符號（如“×”或“○”）標記，不同導體區分開。連線時，對于定值電阻，若各點大致在一條直線上，可用直尺擬合最佳直線；對于小燈泡，因點跡呈曲線分布，應用平滑曲線連接，體現變化趨勢。
（二）、展示成果，開展交流研討。
選取三組具有代表性的圖像進行投影展示：一組理想直線、一組輕微偏離的直線、一組明顯彎曲的曲線。引導學生觀察：“這兩條曲線有什么不同？哪一個是燈泡的？哪一個電阻的？你能從中讀出哪些信息？”
（三）、深度解讀，挖掘圖像內涵。
教師提問：“圖像上任意一點(P)的坐標(U , I )表示什么？”學生答：“當電壓為U 時，電流為I 。”再問：“這條線的傾斜程度——也就是斜率k = ΔI/ΔU，它的物理意義是什么？”引導學生結合歐姆定律推導：I = U/R R = U/I，但斜率是ΔI/ΔU，因此k = 1/R R = 1/k。強調“I-U圖像的斜率等于電阻的倒數”，這是理解圖像的核心鑰匙。
（四）、對比分析，歸納本質特征。
教師總結：“定值電阻的I-U圖像是過原點的直線，說明其電阻恒定，符合歐姆定律，稱為線性元件；而小燈泡的圖像是一條向上彎曲的曲線，說明隨著電壓升高，電流增大的幅度越來越小，即電阻在增大——這就是非線性元件。為什么會這樣？”順勢引出下一環節。 1. 在坐標紙上描點并繪制I-U圖像。
2. 觀察不同圖像特征，辨別線性與非線性。
3. 理解圖像中點、斜率的物理意義。
4. 參與討論，嘗試解釋曲線成因。
評價任務 繪圖準確：☆☆☆
理解斜率：☆☆☆
歸納特征：☆☆☆
設計意圖 將數據轉化為圖像，是物理學中重要的建模手段。通過親手繪圖，學生建立起“數”與“形”的聯系。通過對斜率的深入剖析，破解學生常有的誤解。利用對比分析法，凸顯兩類元件的本質區別，為解釋物理機制做好鋪墊。
原理升華
【5分鐘】 一、追根溯源，揭示物理本質。 （一）、引導思考：電阻為何會變化？
教師指著小燈泡的曲線提問：“剛才我們看到，電壓越高，燈泡越亮，同時也越燙。這說明了什么？”學生意識到燈絲溫度升高。進一步啟發：“金屬導體的電阻與什么因素有關？”引導學生回憶電阻定律R = ρL/S，其中ρ是電阻率，受材料、溫度影響。指出：“燈絲是鎢絲，溫度越高，電阻率越大，導致整體電阻增大。所以雖然電壓在增加，但由于電阻也在不斷變大，電流的增長就變得緩慢了。”
（二）、拓展延伸：生活中的非線性元件。
教師簡要介紹二極管、熱敏電阻等也是典型的非線性元件，它們的I-U曲線各有特點，在電子技術中有廣泛應用。強調：“歐姆定律只是一個理想模型，適用于溫度不變的純電阻導體。現實中許多器件都不完全遵守，但這并不削弱它的偉大，反而讓我們更深刻地理解條件的重要性。”
（三）、名言激勵，升華科學精神。
引用愛因斯坦的話結束：“從未犯錯的人，是因為他從未嘗試新事物。”鼓勵學生在實驗中出現偏差不必氣餒，正是這些“意外”推動了科學的進步。正如當年歐姆歷經八年艱辛才確立定律，今天我們也要以求真務實的態度面對每一個數據。 1. 思考并回答燈絲電阻變化的原因。
2. 理解溫度對電阻的影響機制。
3. 了解非線性元件的實際應用。
4. 感悟科學探索的精神價值。
評價任務 解釋合理：☆☆☆
聯系實際：☆☆☆
情感認同：☆☆☆
設計意圖 從現象回歸本質，幫助學生建立“電壓→電流→發熱→升溫→電阻增大→電流增長減緩”的因果鏈條，完成對非線性特性的深度理解。通過聯系現代科技，拓寬視野，體現物理的實用性。最后以科學家的故事收尾，傳遞堅持真理、勇于探索的科學精神。
作業設計
一、基礎鞏固題
1. 下列關于導體I-U特性曲線的說法中，正確的是（　　）
　A. 圖像的斜率越大，表示導體的電阻越大
　B. 過原點的直線說明該導體遵循歐姆定律
　C. 曲線向上彎曲說明導體的電阻隨電壓增大而減小
　D. 所有金屬導體的I-U圖像都是直線
2. 某導體的I-U圖像是一條過原點的直線，當兩端電壓為2.0V時，通過的電流為0.4A，則該導體的電阻為______Ω；若電壓增大到4.0V，電流應為______A。
二、能力提升題
3. 實驗室有兩個未知元件A和B，分別測得它們的I-U數據如下表所示：
電壓U/V0.51.01.52.02.5電流I/A（A）0.100.180.240.280.30電流I/A（B）0.050.100.150.200.25
（1）請在同一坐標系中畫出A、B的I-U圖像；
（2）判斷哪個元件是線性元件，并計算其電阻值；
（3）解釋元件A的電流增長趨勢變緩的原因可能是什么？
三、實踐拓展題
4. 查閱資料，了解半導體二極管的單向導電性及其I-U特性曲線的特點，嘗試手繪其大致圖像，并與本節課所學的金屬導體進行對比，寫一段不少于100字的分析報告。
【答案解析】
一、基礎鞏固題
1. B 【解析】斜率k=ΔI/ΔU=1/R，故斜率越大，電阻越小，A錯；過原點直線表明I∝U，符合歐姆定律，B對；曲線向上彎曲說明相同ΔU對應的ΔI變小，即R變大，C錯；燈泡是金屬導體但非線性，D錯。
2. 5Ω，0.8A 【解析】R = U/I = 2.0 / 0.4 = 5Ω；由I=U/R得I=4.0/5=0.8A。
二、能力提升題
（1）略（B為過原點直線，A為向下彎曲的曲線）
（2）元件B是線性元件，R = U/I = 1.0 / 0.10 = 10Ω（任取一點均可）。
（3）可能是元件A為小燈泡類器件，通電后溫度升高導致電阻增大，因而電流增長趨緩。
板書設計
導體的I-U特性曲線
【左側主板書】
一、實驗目的：探究I與U的關系 → 繪制I-U圖像
二、實驗電路：分壓式接法（圖示簡筆略）
三、圖像分析：
　　　　線性元件：過原點直線 → R 恒定 → 遵循歐姆定律
　　　　非線性元件：曲線 → R 變化 → 不嚴格遵循
四、物理意義：
　　　　點(U,I)：某一狀態下的電壓與電流
　　　　斜率 k = ΔI/ΔU = 1/R → 斜率越大，R越小
【右側副板書】
五、成因解釋：
小燈泡：U↑ → I↑ → 發熱↑ → 溫度↑ → ρ↑ → R↑ → I增長變慢 → 曲線彎曲
六、重要啟示：
歐姆定律有條件！溫度不變 → 純電阻導體
教學反思
成功之處
1. 以“燈光漸亮”這一生活現象導入，有效激發了學生的探究興趣，實現了從生活走向物理的教學理念。
2. 實驗環節采用分組合作模式，學生參與度高，多數小組能獨立完成電路連接與數據采集，體現了“做中學”的優勢。
3. 通過對比小燈泡與定值電阻的I-U圖像，直觀展現了線性與非線性的區別，幫助學生突破了“所有導體都服從歐姆定律”的迷思概念。
不足之處
1. 個別小組在分壓式電路連接上仍有困難，導致無法從零調壓，反映出前期電路訓練還需加強。
2. 數據處理階段時間稍顯緊張，部分學生未能充分理解斜率與電阻的倒數關系，需在后續課程中反復強化。
3. 對于非線性元件的應用拓展僅停留在口頭介紹，若能展示二極管實物或演示其單向導電性，效果會更佳。

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