高中恒定电流专题复习.pdf
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1、物理一轮复习学案:恒定电流一、基本概念及基本规律1电流电流的定义式:I q,适用于任何电荷的定向移动形成的电流。t对于金属导体有 I=nqvS n 为单位体积内的自由电子个数,S 为导线的横截面积,v 为自由电子的定向移动速率,约 10-5m/s,远小于电子热运动的平均速率 105m/s,更小于电场的传播速率 3108m/s,这个公式只适用于金属导体,千万不要到处套用。2电阻定律导体的电阻 R 跟它的长度 l 成正比,跟它的横截面积 S 成反比,公式:R l。s1 是反映材料导电性能的物理量,叫材料的电阻率反映该材料的性质,不是每根具体的导线的性质,单位是 m。2纯金属的电阻率小,合金的电阻率
2、大。3材料的电阻率与温度有关系:金属的电阻率随温度的升高而增大 可以理解为温度升高时金属原子热运动加剧,对自由电子的定向移动的阻碍增大。铂较明显,可用于做温度计;锰铜、镍铜的电阻率几乎不随温度而变,可用于做标准电阻。半导体的电阻率随温度的升高而减小可以理解为半导体靠自由电子和空穴导电,温度升高时半导体中的自由电子和空穴的数量增大,导电能力提高。有些物质当温度接近 0 K 时,电阻率突然减小到零这种现象叫超导现象。能够发生超导现象的物体叫超导体。材料由正常状态转变为超导状态的温度叫超导材料的转变温度 TC。我国科学家在 1989 年把 TC提高到 130K。现在科学家们正努力做到室温超导。3部分
3、电路欧姆定律I U适用于金属导体和电解液,不适用于气体导电R电阻的伏安特性曲线:注意 I-U 曲线和 U-I 曲线的区别。还要注意:当考虑到电阻率随温度的变化时,电阻的伏安特性曲线不再是过原点的直线。【例题 1】实验室用的小灯泡灯丝的 I-U 特性曲线可用以下哪个图象来表示:解:灯丝在通电后一定会发热,当温度到达一定值时才会发出可见光,这时温度能到达很高,因此必须考虑到灯丝的电阻将随温度的变化而变化。随着电压的升高,电流增大,灯丝的电功率将会增大,温度升高,电阻率也将随之增大,电阻增大,。U 越大 I-U 曲线上对应点于原点连线的斜率必然越小,选 A。【例题 2】以下图所列的4 个图象中,最能
4、正确地表示家庭常用的白炽电灯在不同电压下消耗的电功率 P 与电压平方U 2之间的函数关系的是以下哪个图象解:此图象描述P 随小。选C。4电动势与电势差U2变化的规律,由功率表达式知:U2,U 越大,电阻越大,图象上对应点与原点连线的斜率越P R电动势:E=W/q,单位:V电势差:U=W/q,单位:V在电源外部的电路中,是静电力对自由电荷做正功,电流由电源的正极流向负极,沿电流方向电势降低;而在电源内部是电荷受的非静电力克服静电力做功,电流由负极流向正极,沿电流电势升高。E=W/q 中的 W 表示非静电力做功 W非;U=W/q 中的 W 表示静电力做功 W电。总结:电动势与电势差两个概念外表上很
5、相似,但从做功和能量转化的角度讲它们是正好相反,电动势表征电源中非静电力做功的本领,即其它形式的能向电能转化的本领;而电势差是电路中静电力做功的本领的量度,即电能向其它能转化的情况。我们应注意二者的区别和联系。5电功和电热1电路中的功与能能的转化和守恒定律是自然界普遍适用的规律。电源是把其它能转化为电能的装置,内阻和用电器是电能转化为热能等其它形式能的装置。如化学电池将化学能转化成电能,而电路中发光灯泡是将电能转化成光、热能,如下图电路。对于一个闭合电路,它的能量应该是守恒的,但又在不同形式间转化,通过做功方式完成。在电源部分,非静电力做正功W非=qE,将其它形式的能转化成电能。而内阻上电流做
6、功,将电能转化成内能W内=qUU为内阻上的电势降;在外电路部分,电流做功 W外=qUU 为路端电压,电能转化成其它形式的能。可见,整个电路中的能量循环转化,电源产生多少电能,电路就消耗多少,收支平衡。即:W非=W内+W外或 qE=qU+qU2电功与电热如下图,用电器两端电压U,电流I。时间t 内,电流对用电器做功W=UIt;该用电器的电功率P=W/t=UI;假设用电器电阻为 R,时间 t 内该用电器产生的热量 Q=I2Rt焦耳定律;该用电器的热功率 P热=Q/t=I2R。假设电路为纯电阻电路,电功等于电热:W=Q=UIt=I 2R t=U2t。R假设电路为非纯电阻电路 如电动机和电解槽,由于电
7、能除了转化为电热以外还同时转化为机械能或化学能等其它能,所以电功必然大于电热:WQ,这时电功只能用 W=UIt 计算,电热只能用 Q=I2Rt 计算,两式不能通用。电功就是电场力做的功,因此是W=UIt;由焦耳定律,电热Q=I2Rt。其微观解释是:电流通过金属导体时,自由电子在加速运动过程中频繁与正离子相碰,使离子的热运动加剧,而电子速率减小,可以认为自由电子只以某一速率定向移动,电能没有转化为电子的动能,只转化为内能。【例题 3】如下图的电路中,电源电动势E=6V,内电阻r=1,M 为一小电动机,其内部线圈的导线电阻 RM=2。R 为一只保护电阻,R=3。电动机正常运转时,电压表的示数为 0
8、.3V,求电动机得到的电功率和它转动的机械功率。此题的关键是电路中有电动机,不是纯电阻电路,因而欧姆定律不再适用。突破点是利用电压表与R 的阻值,求出电路中的电流,再求出各部分的电压和功率。解:由部分电路欧姆定律知:电路中电流 I=Ubc由闭合电路欧姆定律知:Uab=E-Ir-Ubc所以电动机得到的功率为电流对它做功的功率:P电=Uab解答完毕后,可再让学生求一下电动机的效率 以加深非电阻电路 P电P热的印象。P 电转化为两部分:机械功率和电机导线内阻上的发热功率,电动机转化的机械功率为:P机=P电-I2RM2【例题 4】某一电动机,当电压U1=10V 时带不动负载,因此不转动,这时电流为I1
9、=2A。当电压为 U2=36V 时能带动负载正常运转,这时电流为 I2=1A。求这时电动机的机械功率是多大?解:电动机不转时可视为为纯电阻,由欧姆定律得,R U1 5,这个电阻可认为是不变的。电动机正常转动时,输I12入的电功率为P电U2I2=36W,内部消耗的热功率P热 I2R=5W,所以机械功率 P=31W由这道例题可知:电动机在启动时电流较大,容易被烧坏;正常运转时电流反而较小。【例题 5】如下图,A、B 两灯泡额定电压都为 110V,额定功率 PA=100W,PB=40W,接在 220V 电路上。欲使灯泡正常发光,且电路中消耗的功率最少,用以下哪种接法?解:A 图中,由 R=U2/P
10、知,两灯上电压不能同时到达 110V,故不可能都正常发光,A 被排除。B 图中,由 R=U2/P 知 RARB,当 RA与变阻器 R 并联后,该部分电阻更小,不可能与 B 同时正常发光,所以 B 被排除。C 图中,想让A、B 都正常发光,则两个电灯上电压都应为 110V,即 A 与 B 和 R 并联后的阻值相同,则A 的功率与并联部分的功率相同,总功率为 2PA=200W。同理,D 图中,R 上分压与 A、B 并联部分相同,则两部分电阻与电功率相同,所以总功率为 2PA+PB=280W。选项 C 正确。非纯电阻电路中,电流做功也不再只转化为内能,而是根据具体情况转化为其它各种形式的能。【例题
11、6】来自质子源的质子初速度为零,经一加速电压为 800kV 的直线加速器加速,形成电流强度为 1mA 的细柱形质子流。已知质子电荷 e=1.6010-19C。这束质子流每秒打到靶上的质子数为_。假定分布在质子源到靶之间的加速电场是均匀的,在质子束中与质子源相距 L 和 4L 的两处,各取一段极短 的 相 等 长 度 的质 子 流,其 中 的 质 子 数 分别 为 n1和 n2,则n1n2=_。解:按定义,I nenI15,6.2510。tetnelnev1和t 得I,n。而v2 2as,vlvt由于各处电流相同,设这段长度为 l,其中的质子数为 n 个,则由I v s,n1n2s22。s11二
12、、串并联与混联电路1应用欧姆定律须注意对应性。选定研究对象电阻 R 后,I 必须是通过这只电阻 R 的电流,U 必须是这只电阻 R 两端的电压。该公式只能直接用于纯电阻电路,不能直接用于含有电动机、电解槽等用电器的电路。2公式选取的灵活性。1计算电流,除了用I U外,还经常用并联电路总电流和分电流的关系:I=I1+I2R2计算电压,除了用 U=IR 外,还经常用串联电路总电压和分电压的关系:U=U1+U23计算电功率,无论串联、并联还是混联,总功率都等于各电阻功率之和:P=P1+P2对纯电阻,电功率的计算有多种方法:P=UI=I2R=U2R以上公式 I=I1+I2、U=U1+U2和 P=P1+
13、P2既可用于纯电阻电路,也可用于非纯电阻电路;既可以用于恒定电流,也可用于交变电流。【例题 7】已知如图,R1=6,R2=3,R3=4,则接入电路后这三只电阻的实际功率之比为_。解:此题解法很多,注意灵活、巧妙。经过观察发现三只电阻的电流关系最简单:电流之比是I1I2I3=123;还 可 以 发 现 左 面 两 只 电 阻 并 联 后 总 阻 值 为 2,因 此 电 压 之 比 是U1U2U3=112;在此基础上利用 P=UI,得 P1P2P3=126【例题 8】已知如图,两只灯泡L1、L2分别标有“110V,60W”和“110V,100W”,另外有一只滑动变阻器 R,将它们连接后接入 220
14、V 的电路中,要求两灯泡都正常发光,并使整个电路消耗的总功率最小,应使用下面哪个电路?解:A、C 两图中灯泡不能正常发光。B、D 中两灯泡都能正常发光,它们的特点是左右两部分的电流、电压都相同,因此消耗的电功率一定相等。可以直接看出:B 图总功率为 200W,D 图总功率为 320W,所以选 B。【例题 9】实验说明,通过某种金属氧化物制成的均匀棒中的电流 I 跟电压 U 之间遵循 I=kU3的规律,其中 U 表示棒两端的电势差,k=/V3。现将该棒与一个可变电阻器 R 串联在一起后,接在一个内阻可以忽略不计,电动势为 6.0V 的电源上。求:1当串联的可变电阻器阻值 R 多大时,电路中的电流
15、为?2当串联的可变电阻器阻值 R 多大时,棒上消耗的电功率是电阻 R 上消耗电功率的 1/5?解:画出示意图如右。1由 I=kU3和 I=,可求得棒两端电压为 2V,因此变阻器两端电压为 4V,由欧姆定律得阻值为25。2 由于棒和变阻器是串联关系,电流相等,电压跟功率成正比,棒两端电压为 1V,由 I=kU3得电流为,变阻器两端电压为 5V,因此电阻为 250。【例题 10】左图甲为分压器接法电路图,电源电动势为 E,内阻不计,变阻器总电阻为 r。ABCD解:当 Rx增大时,左半部分总电阻增大,右半部分电阻减小,所以 R 两端的电压 U 应增大,排除;如果没有并联 R,电压均匀增大,图线将是;
16、实际上并联了 R,对应于同一个 Rx值,左半部分分得的电压将比原来小了,所以正确,选 C。3对复杂电路分析,一般情况下用等势点法比较方便简洁。1凡用导线直接连接的各点的电势必相等包括用不计电阻的电流表连接的点。2在外电路,沿着电流方向电势降低。3凡接在同样两个等势点上的电器为并联关系。4不加声明的情况下,不考虑电表对电路的影响。搞清电路各元件之间的连接关系,画出结构清晰的等效电路,是利用欧姆定律解决电路问题的重要前提。我们通常采用节点跨接法来分析电路结构。具体方法为:首先标明电路中各节点名称,经过电源和用电器的节点名称应不同,而一段导线两端的节点名称不变。理想的电压表可视为断路。理想的电流表可
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- 高中 恒定 电流 专题 复习
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