第十二章2闭合电路的欧姆定律.docx

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1、第十二章2闭合电路的欧姆定律问题？图中小灯泡的规格都相同，两个电路中的电池也相同。多个并联的小灯泡的亮度明显比 单独一个小灯泡暗。如何解释这一现象呢？如图12.2-1,由导线、电源和用电器连成的电路叫作闭合电路(closed circuit)。用电 器和导线组成外电路，电源内部是内电路。外电路ES内电路图12.2-1闭合电路电动势在金属导体中，能够自由移动的电荷是自由电子。但电流的方向为正电荷移动的方向, 下面按正电荷的移动进行讨论。思考与讨论在外电路中，正电荷由电源正极流向负极。如果电路中只存在静电力的作用，电源正极 的正电荷与负极的负电荷很快就会中和，电路中不能维持稳定的电流。电源之所以能

2、维持外 电路中稳定的电流，是因为它有能力把负极的正电荷经过电源内部不断地搬运至正极。那么，电源的这种能力是怎么来的呢？在电源内部，存在着由正极指向负极的电场。在这个电场中，静电力阻碍正电荷向正极 移动。因此，在电源内部要使正电荷向正极移动，就一定要有一种与静电力方向相反的力作 用于电荷才行（图12.2-2）。我们把这种力叫作非静电力。也就是说，电源把正电荷从负极 搬运到正极的过程中，这种非静电力在做功，使电荷的电势能增加。图12.2-2电源的示意图从能量转化的角度看，电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。 思考与讨论在化学电池中，非静电力是化学作用，它使化学能转化为电势能；在

3、发电机中，非静电 力是电磁作用，它使机械能转化为电势能想一想，不同电源把其他形式的能转化为电势能的本领相同吗？在电源内部，电源移动电荷，增加电荷的电势能。在物理学中，我们用非静电力所做的 功与所移动的电荷量之比来表示电源的这种特性，叫作电动势（electromotive force）。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。如果移动电荷量q时非静电力所做的功为W,那么，电动势E表示为式中功W的单位是焦耳（J）,电荷量q的单位是库仑（C）,电动势E的单位与电 势、电压的单位相同，是伏特（V） o电动势由电源中非静电力的特性决定，跟外电路无关。 对于常用的干电池

4、来说，电动势跟电池的体积无关。按照国家标准，电动势也用字母E表示，使用时要注意与电场强度E的区别。闭合电路欧姆定律及其能量分析导体中的电流/跟导体两端的电压U成正比，跟导体的电阻R成反比。这是我们在 初中学过的部分电路欧姆定律（Ohm，slaw）,即I =殳1R对于闭合电路而言，在外电路中，正电荷在恒定电场的作用下由正极移到负极；在电源 内部，非静电力把正电荷由负极移到正极。正电荷在静电力的作用下从电势高的位置向电势低的位置移动，电路中正电荷的定向移 动方向就是电流的方向，所以，在外电路中，沿电流方向电势降低。通常在电源内部也存在电阻，内电路中的电阻叫内电阻，简称内阻。我们可以将电源看 作一个

5、没有电阻的理想电源与电阻的串联（图12.2-3）,这个电阻的电势也会沿电流方向降 低。内电路图12.2-3电源与内阻思考与讨论对于闭合电路来说，内、外电路都会出现电势降低，电势能减少。那么，电流I跟电源 的电动势E及内阻八外电路的电阻R之间会有怎样的关系呢？我们知道，电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程。用电流做功的多少可以 量度电能转化为其他形式能的多少。有了电动势的概念，我们就能更加方便地分析闭合电路 中能量的转化情况。在图12.2-4中，A为电源正极，B为电源负极。设电源电动势为E,电源内阻为r, 外电路电阻为R,闭合电路的电流为/o对于电源来说，因非静电力做功将其他形式的能转

6、化为电能，转化的数值与非静电力做的功W相等。时间r内电源输出的电能为W = Eq = EltR_/SA B .1 IE图 12.2-4电流通过电阻R时，电流做功，电能转化为内能。在时间t内，外电路转化的内能为。外=I2Rt同理，电流通过内阻r时，电流做功，电能转化为内能。在时间t内，内电路转化的 内能为。内=I2rt根据能量守恒定律，非静电力做的功应该等于内、外电路中电能转化为其他形式能的总 和，即W =Q外+ 。内将W、Q外和。内的表达式代入上述关系式有Elt = I2Rt + I2rtE = IR Ir 也就是上式表示：闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。 这

7、个结论叫作闭合电路的欧姆定律。我们用U外表示/R,它是外电路总的电势降落；用U内表示，它是内电路的电势 降落。则闭合电路的欧姆定律也可以写为E = U外+ U内这就是说，电源的电动势等于内、外电路电势降落之和。路端电压与负载的关系我们常常把外电路中的用电器叫作负载，把外电路的电势降落叫作路端电压。负载变化 时，电路中的电流就会变化，路端电压也随之变化。根据闭合电路的欧姆定律E = U外+ U内，若将。外记为路端电压U,考虑到U 内=，贝！JU = E - Ir（2）对于确定的电源来说，电动势E和内阻r是一定的。当外电阻R减小时，由（1）式 可知，电流1增大，因而内电路的电势降落增大。由（2）式

8、可知，这时路端电压U减 小。这可以解释了节前“问题”栏目中的实验现象。电池正常工作时，其电动势可以看作不变。在较短的用电时间内，电池内阻也可以看作 不变。思考与讨论（2）式表示的是U和/这两个变量之间的函数关系。把它改写为U = ri + E然后和一次函数的标准形式y = kx + b对比就能知道它的U-I图像是一条直线（图12.2-5）。r=0rO。 /图 1225根据U-/图像，当外电路断开时，路端电压是多少？当电源两端短路时，电流会是无 穷大吗？断路 当外电路断开时，电流/为0,也为0,由（2）式可知，U = E。这就是说， 断路时的路端电压等于电源的电动势。我们常根据这个道理测量电源的

9、电动势。电源短路 当电源两端短路时，外电阻H = 0。由（1）式可知，此时电流/ _ EL一r电源的内阻r 一般都很小，例如，铅蓄电池的内阻只有0.0050.lQ,干电池的内阻通 常也不到1Q,所以短路时电流很大。电流过大，会导致温度过高，烧坏电源，甚至引起火 灾。绝对不允许将电源两端用导线直接连接在一起！拓展学习欧姆表的原理欧姆表是在电流表的基础上改装而成的。为了使测量电阻时电流表指针能够偏转，表内应有电源。图12.2-6是一个简单的欧姆表电路。Rx图12.2-6欧姆表电路设电源的电动势为E,内阻为r,电流表的电阻为Rg,可变电阻为Ri ,电流表满偏 电流为4 ,欧姆表的总电阻为Rq o当红

10、、黑表笔直接接触时（相当于被测电阻为0）,电流表指针指在最大值Ig处，由 闭合电路的欧姆定律可得1 = E= _E_g Rg + r + Ri Rc若已知E和4的值，就可以求得Rq。当红、黑表笔之间接有待测电阻Rx时，电流表指针指在/x处，由闭合电路的欧姆定 律可得j =g = Ex Ag + + Ri + & Rc + Rx得& = -Rq由上式可知，电阻与电流存在一一对应的关系。因此，只要将原来的电流刻度转换成对 应的电阻刻度，指针就能够指示出被测电阻值，0与A之间不是线性关系，所以刻度盘上 电阻值的刻度不均匀。练习与应用1 .某个电动势为E的电源工作时，电流为/,乘积员的单位是什么？从电

11、动势的意义 来考虑，/表示什么？2 .小张买了一只袖珍手电筒，里面有两节干电池。他取出手电筒中的小灯泡，看到上 面标有“2.2V0.25A”的字样。小张认为，产品设计人员的意图是使小灯泡在这两节干电池 的供电下正常发光。由此，他推算出了每节干电池的内阻。如果小张的判断是正确的，那么 内阻是多少？提示：串联电池组的电动势等于各个电池的电动势之和，内阻等于各个电池的内阻之和。3 .许多人造地球卫星都用太阳电池供电（图12.2-7） o太阳电池由许多片电池板组成。 某电池板不接负载时的电压是600 |1V,短路电流是30|iA。这块电池板的内阻是多少？4 .电源的电动势为4.5 V、外电阻为4.0

12、Q时Z路端电压为4.0V。如果在外电路并联 一个6.0C的电阻，路端电压是多少？如果6.0。的电阻串联在外电路中，路端电压又是多 少？5 .现有电动势为1.5V、内阻为1.0Q的电池多节，准备用几节这样的电池串联起来对 一个工作电压为6.0V、工作电流为0.1 A的用电器供电。问：最少需要用几节这种电池？电路还需要一个定值电阻来分压，请计算这个电阻的阻 值。图 12.2-76 .图12.2-8是汽车蓄电池供电简化电路图。当汽车启动时，启动开关S闭合，电动机 工作，车灯会变暗；当汽车启动之后，启动开关S断开，电动机停止工作，车灯恢复正常亮 度。请分析以上现象发生的原因。图 12.2-87 .充电宝内部的主要部件是锂电池，充电宝中的锂电池在充电后，就是一个电源，可 以给手机充电。充电宝的铭牌通常标注的是“mAh”（毫安时）的数量，即锂电池充满电 后全部放电的电荷量。机场规定：严禁携带额定能量超过160Wh的充电宝搭乘飞机。某 同学查看了自己的充电宝铭牌，上面写着10000mA-h和“3.7V”，你认为能否把它带 上飞机？