15章实践：探究雷电的奥秘（讲义）物理新教材沪科版九年级全一册

15章 实践：探究雷电的奥秘 课标要点 1. 物理观念 - 能从摩擦起电出发解释云层起电：两种电荷及“同种相斥、异种相吸”的规律；知道验电器的原理。 - 能识别串联与并联电路，掌握串、并联电路中电流、电压的规律；会规范使用电流表和电压表。 2. 科学思维 - 建立“云层摩擦起电→电荷积累→空气被击穿→剧烈放电”的雷电模型；理解避雷系统“接闪—引下—入地”的电路本质。 3. 科学探究与态度责任 - 通过查阅资料、实地考察建筑防雷措施、模拟放电实验，形成《雷电的产生及防护措施》调查报告，增强防灾减灾意识。 学习重难点 重点：摩擦起电的实质与电荷间相互作用；串联、并联电路的识别与电流、电压规律；电流表、电压表的使用规则。 难点：用“电荷转移”解释电流方向；把防雷系统抽象为“并联泄放支路＋接地”的电路模型。 易错点：认为“避雷针是把雷‘引来’”；把正电荷移动方向与电子移动方向混淆；认为“两开关都控制一盏灯”就一定是并联。 一、情境处理 1. 故事线： 雷雨交加的傍晚，你们研学小组在古建筑景区参观（图15—56）。看到飞檐翘角上竖立的金属“避雷针”和沿墙而下、埋入土中的金属导线，一位同学说：“古建筑上装着金属针，雷雨不怕‘引雷上身’吗？”另一位同学反驳：“雷雨天千万别站到大树下避雨，可它偏偏要在屋顶装针……”大家争执不下，决定回去查资料、做模拟实验、再实地调查，弄清雷电的奥秘。 （图15—56　古建筑预防雷击的措施） 追问链（引导学生拆解问题）： （1）云里的电从哪里来？→ 积雨云中水滴、冰晶不断碰撞、摩擦，云层不同部分带上异种电荷并大量积累——与摩擦起电同源。 （2）闪电到底是什么？→ 云层间、云地间电压高到把空气“击穿”，电荷迅速中和发生剧烈放电，放电通道温度骤升、空气急剧膨胀发出雷声。 （3）避雷针为什么能“避雷”？→ 尖端电荷密集，先缓慢放电中和一部分电荷；雷电来临时又为雷电流提供一条低电阻通路引入大地，相当于给雷电流“并联”了一条专用泄放支路，保护建筑物。 （4）大树下为什么危险？→ 大树是较高的导体，雷电流经树身入地，站在树下的人体成为“并联”的分流导体，易发生接触电压和跨步电压触电。 2. 调研任务分解 任务 具体内容 涉及的物理知识 任务一：雷电知识调查 雷电的种类（直击雷、感应雷）、危害、我国雷电高发区、历史上的记载与预防措施 摩擦起电、放电现象、导体与绝缘体 任务二：防雷措施调查 调查学校、家庭和古建筑的避雷针（带）、引下线、接地装置的安装情况并提出建议 导体、并联分流、接地 任务三：模拟演示实验 用静电发生器（感应起电机）两金属球间观察火花放电；用验电器判断带电与电荷种类 电荷积累与中和、同种电荷相斥 3. 课堂活动设计 环节一：资料分享（8分钟） - 各组分享雷电形成资料与富兰克林风筝实验的历史记载，教师播放雷电形成动画，梳理“起电—积累—击穿—放电”链条。 环节二：模拟实验（12分钟） - 用感应起电机使两金属球分别带异种电荷，逐渐增大电压观察火花放电，“看见”闪电； - 用验电器探究：接触带电体后金属箔张开——同种电荷相互排斥。 环节三：成果展示（10分钟） - 各组展示《雷电的产生及防护措施》调查报告或手抄报，互评“物理知识用得对不对”“建议可不可行”。 环节四：回扣物理（5分钟） - 教师总结：防雷三要点——接闪（尖端放电）、引下（低电阻导体通路）、入地（接地泄放）。 二、物理内核（学生必须掌握的“骨架”） 核心知识网 雷电的奥秘（电与电路） ├── 电荷 │ ├── 摩擦起电的实质：电子在物体间转移；得到电子带负电，失去电子带正电 │ ├── 两种电荷：正、负电荷；同种相斥、异种相吸 │ ├── 验电器：金属箔张开角度越大，带电越多 │ └── 电荷量单位：库仑（C） ├── 电流与电路 │ ├── 电流：电荷的定向移动形成；方向规定为正电荷定向移动的方向（与电子移动方向相反） │ ├── 电路组成：电源、用电器、开关、导线；三种状态：通路、开路、短路（绝对不允许电源短路） │ ├── 串联：只有一条路径，开关控制整个电路；电流处处相等 I=I₁=I₂；总电压等于各部分电压之和 U=U₁+U₂ │ └── 并联：多条路径，干路开关控制全部、支路开关只控制本支路；干路电流等于支路电流之和 I=I₁+I₂；各支路电压相等 U=U₁=U₂ ├── 电流表与电压表 │ ├── 电流表串联接入、电压表并联接入；电流“正进负出”；被测量不得超过量程 │ └── 读数：先认量程、再认分度值；0～3 V 与 0～15 V 量程示数成5倍关系 └── 雷电与防雷 ├── 本质：大规模的静电放电现象（空气被击穿成导电通道） ├── 危害：直击雷、感应雷；跨步电压与接触电压触电 └── 防雷系统：接闪器（避雷针/带）→引下线→接地装置，相当于给雷电流并联一条低阻泄放支路 学生必须能说出的“三句话” 1.“云里的电是水滴、冰晶碰撞摩擦起电积累起来的，闪电是空气被击穿后发生的剧烈放电。” 2.“避雷针不是‘招雷’，而是先尖端放电，再把雷电流沿低电阻通路引入大地——相当于并联了一条专用泄放支路。” 3.“雷雨天不站大树、电线下，双脚并拢蹲下，是为了防跨步电压和接触电压触电。” 三、考题落点 落点1：摩擦起电与电荷间的相互作用 【考点】摩擦起电的实质（电子转移）；两种电荷作用规律；电流方向与电子移动方向的关系。 1．干燥的秋天，脱下毛衣后，用手臂靠近小泡沫块，泡沫块就会粘到手臂上，这是因为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；若手臂带负电，用手接触不带电的验电器金属球，金属球与手臂之间的瞬间电流方向是＿＿＿＿＿＿＿＿（选填“手臂到金属球”或“金属球到手臂”）。 2．积雨云中，水滴、冰晶在上升、下降过程中相互碰撞、摩擦使云层不同部分带上异种电荷，这种起电方式与实验室中用丝绸摩擦玻璃棒的起电方式相同，都属于＿＿＿＿起电；当云层间电压达到一定程度时空气被击穿，电荷迅速中和形成放电。放电时发生定向移动形成电流的，可能是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿（选填“只有正电荷”“只有负电荷”或“正、负电荷都有可能”）。 落点2：电路识别与串、并联的判断 【考点】用“用电器能否独立工作、开关控制谁”判断串联与并联；按功能要求设计电路。 3．如图是电冰箱的简化电路图，M是压缩机用的电动机，L是电冰箱内的照明灯泡。则灯L与电动机M是＿＿＿＿联的；控制照明灯的开关应与灯L＿＿＿＿联。 4．交管部门根据“红灯停、绿灯行”的规则控制红绿灯：开关S₁闭合时红灯亮、绿灯灭，开关S₂闭合时绿灯亮、红灯灭，两灯交替工作、互不影响。下列电路（图15—60）中符合要求的是（　　） 5．某火车车厢后面有两间厕所，厕所关门时对应的开关闭合。只有当两间厕所的门都关上时，车厢指示灯才会发光，提醒旅客“厕所有人”。图15—61中，两个门开关S₁、S₂与指示灯之间应＿＿＿＿联（选填“串”或“并”），理由是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 落点3：电流表、电压表的使用与读数 【考点】电表的连接方式（流串压并）、量程选择与读数；两个量程示数的5倍关系。 6．用电压表测用电器两端的电压时，一位同学选择0～15 V量程，另一位同学却按0～3 V量程把示数读成了1.90 V，则实际测得的电压应为＿＿＿＿V。电压表指针所指的同一位置，两个量程的示数之间有怎样的关系？＿＿＿＿＿＿＿＿。 7．关于电压表的使用，下列说法中错误的是（　　） A．电压表要并联在被测电路两端　　B．被测电压不能超过电压表的量程 C．电流从正接线柱流入电压表，从负接线柱流出　　D．绝对不允许不经过用电器把电压表直接接在电源两极上 落点4：串、并联电路中电流、电压规律的应用 【考点】I=I₁=I₂ / I=I₁+I₂；U=U₁+U₂ / U=U₁=U₂；用导线“跨接”判断开路故障。 8．如图15—58所示，电路中开关闭合后，两盏灯都不亮；用一根导线连接a、b两点后，灯L₁不亮，灯L₂亮。假如故障只有一处，那么电路的故障可能是（　　） A．灯L₁开路　　B．灯L₁短路　　C．灯L₂开路　　D．灯L₂短路 9．楼道里的声光控灯：“光控开关”天黑自动闭合、天亮自动断开；“声控开关”在有人走动发出声音时自动闭合。要使楼道灯做到“天黑且有人走动时才亮”，两个开关与灯泡应怎样连接？请说明道理。 落点5：放电综合计算与防雷开放题 【考点】Q=It、W=UIt 的简单计算；用物理语言解释防雷常识。 10．一次闪电中，云地间的电压约为3×10⁸ V，放电电流约为2×10⁴ A，持续约0.001 s。求： （1）这次闪电通过的电荷量； （2）这次闪电释放的电能。 11．雷雨天为什么不能站在大树下避雨？为什么说安装了规范避雷设施的建筑反而更安全？ 四、总结 1. 雷电＝摩擦起电（电荷积累）＋空气被击穿＋剧烈放电；雷声是放电通道空气急剧膨胀产生的。 2. 防雷系统＝接闪（尖端放电）＋引下（低电阻导体）＋入地（接地泄放），电路本质是给雷电流并联一条专用低阻支路。 3. 电路问题回到两个基本规律：电流表串联、电压表并联；串联电路电流处处相等、电压相加，并联电路电压相等、电流相加。 课后任务（二选一）： - A：实地考察教学楼或自家小区的防雷设施（避雷带、引下线、接地装置），画出示意图并标注，完成《雷电的产生及防护措施》调查报告。 - B：查阅富兰克林“风筝实验”的史料，写一段200字评述：这个实验说明了什么？为什么现在绝对不能用这种方式“收集雷电”？ 学科网（北京）股份有限公司 $ 15章 实践：探究雷电的奥秘 课标要点 1. 物理观念 - 能从摩擦起电出发解释云层起电：两种电荷及“同种相斥、异种相吸”的规律；知道验电器的原理。 - 能识别串联与并联电路，掌握串、并联电路中电流、电压的规律；会规范使用电流表和电压表。 2. 科学思维 - 建立“云层摩擦起电→电荷积累→空气被击穿→剧烈放电”的雷电模型；理解避雷系统“接闪—引下—入地”的电路本质。 3. 科学探究与态度责任 - 通过查阅资料、实地考察建筑防雷措施、模拟放电实验，形成《雷电的产生及防护措施》调查报告，增强防灾减灾意识。 学习重难点 重点：摩擦起电的实质与电荷间相互作用；串联、并联电路的识别与电流、电压规律；电流表、电压表的使用规则。 难点：用“电荷转移”解释电流方向；把防雷系统抽象为“并联泄放支路＋接地”的电路模型。 易错点：认为“避雷针是把雷‘引来’”；把正电荷移动方向与电子移动方向混淆；认为“两开关都控制一盏灯”就一定是并联。 一、情境处理 1. 故事线： 雷雨交加的傍晚，你们研学小组在古建筑景区参观（图15—56）。看到飞檐翘角上竖立的金属“避雷针”和沿墙而下、埋入土中的金属导线，一位同学说：“古建筑上装着金属针，雷雨不怕‘引雷上身’吗？”另一位同学反驳：“雷雨天千万别站到大树下避雨，可它偏偏要在屋顶装针……”大家争执不下，决定回去查资料、做模拟实验、再实地调查，弄清雷电的奥秘。 （图15—56　古建筑预防雷击的措施） 追问链（引导学生拆解问题）： （1）云里的电从哪里来？→ 积雨云中水滴、冰晶不断碰撞、摩擦，云层不同部分带上异种电荷并大量积累——与摩擦起电同源。 （2）闪电到底是什么？→ 云层间、云地间电压高到把空气“击穿”，电荷迅速中和发生剧烈放电，放电通道温度骤升、空气急剧膨胀发出雷声。 （3）避雷针为什么能“避雷”？→ 尖端电荷密集，先缓慢放电中和一部分电荷；雷电来临时又为雷电流提供一条低电阻通路引入大地，相当于给雷电流“并联”了一条专用泄放支路，保护建筑物。 （4）大树下为什么危险？→ 大树是较高的导体，雷电流经树身入地，站在树下的人体成为“并联”的分流导体，易发生接触电压和跨步电压触电。 2. 调研任务分解 任务 具体内容 涉及的物理知识 任务一：雷电知识调查 雷电的种类（直击雷、感应雷）、危害、我国雷电高发区、历史上的记载与预防措施 摩擦起电、放电现象、导体与绝缘体 任务二：防雷措施调查 调查学校、家庭和古建筑的避雷针（带）、引下线、接地装置的安装情况并提出建议 导体、并联分流、接地 任务三：模拟演示实验 用静电发生器（感应起电机）两金属球间观察火花放电；用验电器判断带电与电荷种类 电荷积累与中和、同种电荷相斥 3. 课堂活动设计 环节一：资料分享（8分钟） - 各组分享雷电形成资料与富兰克林风筝实验的历史记载，教师播放雷电形成动画，梳理“起电—积累—击穿—放电”链条。 环节二：模拟实验（12分钟） - 用感应起电机使两金属球分别带异种电荷，逐渐增大电压观察火花放电，“看见”闪电； - 用验电器探究：接触带电体后金属箔张开——同种电荷相互排斥。 环节三：成果展示（10分钟） - 各组展示《雷电的产生及防护措施》调查报告或手抄报，互评“物理知识用得对不对”“建议可不可行”。 环节四：回扣物理（5分钟） - 教师总结：防雷三要点——接闪（尖端放电）、引下（低电阻导体通路）、入地（接地泄放）。 二、物理内核（学生必须掌握的“骨架”） 核心知识网 雷电的奥秘（电与电路） ├── 电荷 │ ├── 摩擦起电的实质：电子在物体间转移；得到电子带负电，失去电子带正电 │ ├── 两种电荷：正、负电荷；同种相斥、异种相吸 │ ├── 验电器：金属箔张开角度越大，带电越多 │ └── 电荷量单位：库仑（C） ├── 电流与电路 │ ├── 电流：电荷的定向移动形成；方向规定为正电荷定向移动的方向（与电子移动方向相反） │ ├── 电路组成：电源、用电器、开关、导线；三种状态：通路、开路、短路（绝对不允许电源短路） │ ├── 串联：只有一条路径，开关控制整个电路；电流处处相等 I=I₁=I₂；总电压等于各部分电压之和 U=U₁+U₂ │ └── 并联：多条路径，干路开关控制全部、支路开关只控制本支路；干路电流等于支路电流之和 I=I₁+I₂；各支路电压相等 U=U₁=U₂ ├── 电流表与电压表 │ ├── 电流表串联接入、电压表并联接入；电流“正进负出”；被测量不得超过量程 │ └── 读数：先认量程、再认分度值；0～3 V 与 0～15 V 量程示数成5倍关系 └── 雷电与防雷 ├── 本质：大规模的静电放电现象（空气被击穿成导电通道） ├── 危害：直击雷、感应雷；跨步电压与接触电压触电 └── 防雷系统：接闪器（避雷针/带）→引下线→接地装置，相当于给雷电流并联一条低阻泄放支路 学生必须能说出的“三句话” 1.“云里的电是水滴、冰晶碰撞摩擦起电积累起来的，闪电是空气被击穿后发生的剧烈放电。” 2.“避雷针不是‘招雷’，而是先尖端放电，再把雷电流沿低电阻通路引入大地——相当于并联了一条专用泄放支路。” 3.“雷雨天不站大树、电线下，双脚并拢蹲下，是为了防跨步电压和接触电压触电。” 三、考题落点 落点1：摩擦起电与电荷间的相互作用 【考点】摩擦起电的实质（电子转移）；两种电荷作用规律；电流方向与电子移动方向的关系。 1．干燥的秋天，脱下毛衣后，用手臂靠近小泡沫块，泡沫块就会粘到手臂上，这是因为＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿；若手臂带负电，用手接触不带电的验电器金属球，金属球与手臂之间的瞬间电流方向是＿＿＿＿＿＿＿＿（选填“手臂到金属球”或“金属球到手臂”）。 答案：手臂（带电体）能吸引轻小物体；金属球到手臂 【详解】带电体具有吸引轻小物体的性质。手臂带负电说明其有多余电子，接触不带电的验电器时，电子由手臂转移到金属球；电子定向移动的方向与电流方向相反，所以瞬间电流方向是从金属球到手臂。 2．积雨云中，水滴、冰晶在上升、下降过程中相互碰撞、摩擦使云层不同部分带上异种电荷，这种起电方式与实验室中用丝绸摩擦玻璃棒的起电方式相同，都属于＿＿＿＿起电；当云层间电压达到一定程度时空气被击穿，电荷迅速中和形成放电。放电时发生定向移动形成电流的，可能是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿（选填“只有正电荷”“只有负电荷”或“正、负电荷都有可能”）。 答案：摩擦；正、负电荷都有可能 【详解】云层起电源于粒子间碰撞摩擦，与摩擦起电原理相同。气体放电通道中正、负离子（电荷）都可能参与定向移动，故两种电荷都有可能。 落点2：电路识别与串、并联的判断 【考点】用“用电器能否独立工作、开关控制谁”判断串联与并联；按功能要求设计电路。 3．如图是电冰箱的简化电路图，M是压缩机用的电动机，L是电冰箱内的照明灯泡。则灯L与电动机M是＿＿＿＿联的；控制照明灯的开关应与灯L＿＿＿＿联。 答案：并；串 【详解】照明灯在开门时亮、关门时灭，电动机按温度间歇工作，两者互不影响、能独立工作，为并联；开关要控制灯，必须与灯串联。 4．交管部门根据“红灯停、绿灯行”的规则控制红绿灯：开关S₁闭合时红灯亮、绿灯灭，开关S₂闭合时绿灯亮、红灯灭，两灯交替工作、互不影响。下列电路（图15—60）中符合要求的是（　　） 答案：C 【详解】两灯需各自独立工作，必须并联，且每条支路中“开关与灯”串联。A中两灯串联、S₂闭合会把两灯短路；B中两灯串联，同时亮灭；D中绿灯受两只开关共同影响。只有C中S₁只控制红灯、S₂只控制绿灯。故选C。 5．某火车车厢后面有两间厕所，厕所关门时对应的开关闭合。只有当两间厕所的门都关上时，车厢指示灯才会发光，提醒旅客“厕所有人”。图15—61中，两个门开关S₁、S₂与指示灯之间应＿＿＿＿联（选填“串”或“并”），理由是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。 答案：串；两个开关（两间厕所的门）相互影响，只有同时闭合指示灯才亮 【详解】“都关门才亮”即“S₁、S₂同时闭合灯才亮”，两开关相互影响，只能串联。 落点3：电流表、电压表的使用与读数 【考点】电表的连接方式（流串压并）、量程选择与读数；两个量程示数的5倍关系。 6．用电压表测用电器两端的电压时，一位同学选择0～15 V量程，另一位同学却按0～3 V量程把示数读成了1.90 V，则实际测得的电压应为＿＿＿＿V。电压表指针所指的同一位置，两个量程的示数之间有怎样的关系？＿＿＿＿＿＿＿＿。 答案：9.5；0～15 V量程的示数是0～3 V量程示数的5倍 【详解】按0～3 V量程读到1.90 V，说明指针偏转19小格（分度值0.1 V）；0～15 V量程的分度值为0.5 V，19×0.5 V=9.5 V。 7．关于电压表的使用，下列说法中错误的是（　　） A．电压表要并联在被测电路两端　　B．被测电压不能超过电压表的量程 C．电流从正接线柱流入电压表，从负接线柱流出　　D．绝对不允许不经过用电器把电压表直接接在电源两极上 答案：D 【详解】电压表内阻很大，直接接在电源两端测得的是电源电压，并不会烧坏，“不允许不经过用电器直接接在电源两极上”是电流表的使用规则。故D错误，选D。 落点4：串、并联电路中电流、电压规律的应用 【考点】I=I₁=I₂ / I=I₁+I₂；U=U₁+U₂ / U=U₁=U₂；用导线“跨接”判断开路故障。 8．如图15—58所示，电路中开关闭合后，两盏灯都不亮；用一根导线连接a、b两点后，灯L₁不亮，灯L₂亮。假如故障只有一处，那么电路的故障可能是（　　） A．灯L₁开路　　B．灯L₁短路　　C．灯L₂开路　　D．灯L₂短路 答案：A 【详解】接上导线a、b后L₂亮，说明除a、b两点间以外的电路正常，导线把a、b间（L₁）短接使其不亮，故原故障是L₁开路。若L₁短路，闭合开关时L₂本应亮，与“两灯都不亮”矛盾。 9．楼道里的声光控灯：“光控开关”天黑自动闭合、天亮自动断开；“声控开关”在有人走动发出声音时自动闭合。要使楼道灯做到“天黑且有人走动时才亮”，两个开关与灯泡应怎样连接？请说明道理。 答案：光控开关、声控开关与灯泡串联后接入220 V电路。 【详解】“天黑且有声”两条件须同时满足，缺一不可——两开关相互影响，必须串联；任意一个开关闭合灯就亮的接法（并联）不满足要求。 落点5：放电综合计算与防雷开放题 【考点】Q=It、W=UIt 的简单计算；用物理语言解释防雷常识。 10．一次闪电中，云地间的电压约为3×10⁸ V，放电电流约为2×10⁴ A，持续约0.001 s。求： （1）这次闪电通过的电荷量； （2）这次闪电释放的电能。 答案：（1）20 C　（2）6×10⁹ J 【详解】（1）Q=It=2×10⁴ A×0.001 s=20 C。（2）W=UIt=3×10⁸ V×2×10⁴ A×0.001 s=6×10⁹ J。闪电在千分之几秒内释放巨大能量，这就是其破坏力的来源。 11．雷雨天为什么不能站在大树下避雨？为什么说安装了规范避雷设施的建筑反而更安全？ 答案：示例：大树较高且潮湿的树身是导体，易遭雷击，雷电流通过树身入地时，树下的人体成为分流导体，可能因接触电压、跨步电压而触电。 装有规范避雷设施的建筑，避雷针（带）先“接闪”，雷电流沿引下线这条低电阻通路迅速导入大地，不会流经建筑物和人员，所以反而更安全。“避雷针”避的是“被雷击毁”，靠的是“主动引雷、安全泄放”。 四、总结 1. 雷电＝摩擦起电（电荷积累）＋空气被击穿＋剧烈放电；雷声是放电通道空气急剧膨胀产生的。 2. 防雷系统＝接闪（尖端放电）＋引下（低电阻导体）＋入地（接地泄放），电路本质是给雷电流并联一条专用低阻支路。 3. 电路问题回到两个基本规律：电流表串联、电压表并联；串联电路电流处处相等、电压相加，并联电路电压相等、电流相加。 课后任务（二选一）： - A：实地考察教学楼或自家小区的防雷设施（避雷带、引下线、接地装置），画出示意图并标注，完成《雷电的产生及防护措施》调查报告。 - B：查阅富兰克林“风筝实验”的史料，写一段200字评述：这个实验说明了什么？为什么现在绝对不能用这种方式“收集雷电”？ 学科网（北京）股份有限公司 $