高三復習物理課件：描述電路的基本概念

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歡迎進入物理課堂 2 第1講描述電路的基本概念 第十章 恒定電流 3 4 5 6 一 電流1 電流電荷定向移動形成電流 2 形成電流的條件 1 物體內(nèi)要有大量的自由電荷 2 導體兩端要有持續(xù)的電壓 7 自由電荷 能夠自由移動的電荷叫做自由電荷 金屬導體中的自由電荷是自由電子 電解液中是正 負離子 電離的氣體中是正 負離子和自由電子 3 電流方向規(guī)定 正電荷定向移動的方向為電流方向 在電源外部電路中電流方向由電源正極流向電源負極 是電場力做功 在電源內(nèi)部電流方向由電源負極流向電源正極 是非靜電力做功 8 4 電流的分類 1 交流電 電流的大小和方向隨時間作周期性變化的電流 2 直流電 電流方向不隨時間變化的電流 3 恒定電流 電流的大小和方向都不隨時間變化的電流 產(chǎn)生恒定電流的條件是 導體兩端電壓保持恒定 9 5 電流強度 I 1 物理意義 是描述電流強弱的物理量 2 定義 通過導體某橫截面積的電量Q跟通過這些電量所用時間t的比值叫電流強度 簡稱電流 10 3 公式I Q t 注意 電流雖然有方向 但是標量 不遵守矢量運算法則 公式中Q應是指通過導體某橫截面的電量 若正 負電荷做相向運動是兩種電荷之和 若正 負電荷做同向運動是兩種電荷之差 4 單位 安培 A 是國際單位制中的7個基本單位之一 1安 A 103毫安 mA 106微安 A 11 5 電流強度的微觀計算式 如圖10 1 1所示 設(shè)金屬導體的橫截面積為S 導體中單位體積內(nèi)自由電子數(shù)目為n 自由電子定向移動的平均速率為v 那么在時間t內(nèi)通過導體某一橫截面積的自由電子數(shù)目為nSvt 每個電子的電量是e 則在時間t內(nèi)通過橫截面的電量為Q enSvt 根據(jù)公式I Q t neSv 圖10 1 1 12 注意 此式是金屬導體中電子流動時的電流決定式 公式中的v是電子定向移動的平均速率 約為10 5m s 不是電子做熱運動的速度 約為105m s 也不是電流的傳播速率 為光速c 3 108m s 13 銅的原子量為m 密度為 每摩爾銅原子有n個自由電子 今有一根橫截面積為S的銅導線 當通過的電流為I時 電子定向移動的平均速率為 A 光速cB I neSC I nemSD mI ne S D 14 假設(shè)電子的定向移動的平均速率為v 那么在t秒內(nèi)通過導體橫截面的自由電子數(shù)相當于在體積vtS中的自由電子數(shù) 而體積為vtS的銅的質(zhì)量為vt S 摩爾數(shù)為vt S m 自由電子數(shù)為vt nS m 所以電量q vt neS m 因電流I q t nv eS m 于是得v Im ne S 15 二 電阻和電阻定律1 電阻 表示導體對電流阻礙作用的物理量 2 電阻定律 在溫度不變時 導體的電阻跟它的長度成正比 跟它的橫截面積成反比 表達式 R L S說明 該式為導體電阻大小的決定式 表明導體的電阻由導體本身因素 電阻率 長度L 橫截面積S 決定 與其他因素無關(guān) 由此可更加明確電阻的定義式R U I中R與U I無關(guān)這一點 使我們對比值定義物理量有了更好更深刻的理解 16 3 電阻率 1 物理意義 反映材料導電性能的物理量 2 計算 由R L S得 RS L 可見 只要知道導體的電阻R 橫截面積S 長度L 即可求出制作該電阻所用材料的電阻率 但是對某一材料而言 電阻率由材料本身而定 由 RS L可見 電阻率在數(shù)值上等于用該材料制成的長為1m 橫截面積為1m2的導體的電阻大小 17 3 單位 國際單位 歐姆 米 中文符號是歐 米 國際符號是 m 4 各種不同材料的電阻率 純金屬的電阻率較小 合金的電阻率較大 橡膠的電阻率最大 各種材料的電阻率都隨溫度而變化 金屬的電阻率隨溫度的升高而增大 利用它可制作電阻溫度計 有些合金 如錳銅和康銅 的電阻率幾乎不受溫度變化的影響 利用它可制作標準電阻 18 有一段粗細均勻的導體 電阻是4 把它對折起來作為一條導線用 電阻是多大 如果把它均勻拉長到原來的兩倍 電阻又是多大 由R L S知 當 不變時 電阻R隨L S而變化 設(shè)導線電阻率為 原長為L 原橫截面積為S 則 19 當導線對折后 其長橫截面積S 2S 所以 導線電阻當導線拉長后 其長L 2L 橫截面積所以 導線電阻 20 4 半導體 1 概念 導電性能介于導體和絕緣體之間的物質(zhì) 如鍺 硅 砷化鎵等 其電阻率約為10 5 m 106 m 2 半導體的特性半導體的導電性能可由外界條件控制 如改變溫度 光照 摻入雜質(zhì)等 都可以使其導電性質(zhì)發(fā)生顯著的變化 這種性能是半導體所特有的 21 3 半導體的應用 熱敏電阻 能夠?qū)囟鹊淖兓D(zhuǎn)成電信號 測量這種電信號 就可以知道溫度的變化 光敏電阻 光敏電阻在需要對光照有靈敏反應的自動控制設(shè)備中起到自動開關(guān)的作用 晶體二極管 晶體三極管 電容等電子元件可連成集成電路 二極管具有單向?qū)щ娦?半導體可制成半導體激光器 半導體太陽能電池等 22 5 超導體 1 超導現(xiàn)象 金屬的電阻率隨溫度的降低而減小 某些物質(zhì)在溫度降到某一數(shù)值時 電阻率突然降到幾乎為零的現(xiàn)象 2 轉(zhuǎn)變溫度 TC 材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度 3 應用 超導電磁鐵 超導電機等 23 關(guān)于電阻率 下列說法中不正確的是 A 電阻率是表征材料導電性能好壞的物理量 電阻率越大 其導電性能越好B 許多材料的電阻率都與溫度有關(guān) 金屬的電阻率隨溫度升高而增大 A 24 C 所謂超導體 當其溫度降低到接近絕對零度的某個臨界溫度時 它的電阻率突然變?yōu)榱鉊 某些合金的電阻率幾乎不受溫度變化的影響 通常都用它們制作標準電阻電阻率越大 導電性能越差 選項A錯誤 25 6 滑動變阻器 1 原理 利用改變連入電路的電阻絲的長度來改變電阻 2 構(gòu)造 如圖10 1 2所示 是滑動變阻器的原理圖 AB是一根純金屬桿 其電阻可視為零 CD是電阻較大 長度較長且均勻的電阻絲 P是滑片 能將AB桿與電阻絲連通 若將AB直接接入電路當中 其電阻為零 圖10 1 2 26 若將CD直接接入電路中 電阻是整個電阻絲的電阻 是一個定值 滑動變阻器就起不到改變電阻的作用 正確的連接方法是接A與D或B與C或A與C或B與D 即 一上一下 如接A與D 連入電路的電阻就是DP部分 當將P滑到A端時電阻最大 27 3 靈敏度問題 如圖10 1 3所示 將一滑動變阻器接在電壓為U的電路中 設(shè)滑動變阻器的最大阻值為R 而此時連入電路中的電阻為Rx 因為P的移動至少移動一匝線圈所對應的電阻 設(shè)每匝線圈的電阻為 Rx 于是有I U Rx 圖10 1 3 28 當移動一匝時 電流的改變量為可見當Rx很小時 電流的變化量大 而當Rx很大時 電路中的電流變化量就很小 也就是說隨著變阻器聯(lián)入電路電阻的增大 移動P時對電路的影響就越來越小 靈敏度降低 29 其最小靈敏度因此我們做實驗時 并不是選擇總電阻越大的滑動變阻器就越好 要根據(jù)具體情況具體分析 選擇適當R的滑動變阻器就可以了 4 滑動變阻器的缺點就是不能適時知道連入電路中的電阻阻值的具體數(shù)值 而實驗室中的另一常用變阻器件 變阻箱卻能適時知道電阻的值 30 如圖10 1 4所示 滑動變阻器R接在電壓U為10V的電路中 當滑片P在最右端時 電路中的電流為1A 那么當滑片P在正中央時 電路中的電流為A 如果整個滑動變阻器由100匝均勻的電阻絲繞制而成 那么滑片P移動的過程中 電流的最小變化量為A 圖10 1 4 2 0 01 31 當P在滑動變阻器的最右端時 整個滑動變阻器的電阻都連在電路中 由此可以得出滑動變阻器的總阻值R U I 10 當滑片P在正中央時 連入電路中的電阻為R 2 5 所以此時電路中的電流 32 由于滑動變阻器由100匝線圈繞成 每匝的電阻r R 100 0 1 由 6 滑動變阻器 中的靈敏度問題可知 當P在最右端處時 有電流的最小改變量 33 三 部分電路歐姆定律1 內(nèi)容 導體中的電流跟它兩端的電壓成正比 跟它的電阻成反比 這就是歐姆定律 2 表達式 I U R 3 適用條件 金屬導電和電解液導電 注意 歐姆定律公式中的I U R必須對應金屬導體或一段純電阻電路 不含電源 電動機 電解槽 歐姆定律不適用于氣體導電 34 4 導體的伏安特性曲線 研究部分電路歐姆定律時 常畫成I U或U I圖象 對于線性元件伏安特性曲線是直線 對于非線性元件 伏安特性曲線不是直線 I U圖象的斜率U I圖象的斜率k R 可據(jù)此由圖線比較電阻的大小 如圖10 1 5所示 35 說明 利用物理圖象求斜率時 切忌運用直線傾角的正切來求 因為物理圖象坐標軸單位長度是可以表示不同大小的物理量 不同I U圖象上表示同一電阻的伏安特性曲線時 直線傾角可能不同 圖10 1 5 36 四 電功 電熱及電功率1 電功 1 表達式 W UIt 電路兩端電壓為U 電路中電流為I 通電時間為t 2 電功實質(zhì) 電場力移動電荷做的功 電流做功的過程是電能轉(zhuǎn)化成其他形式能的過程 電功反映了電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的多少 3 單位 在國際單位制中是焦耳 J 實用單位是度 kW h 37 2 電熱 焦耳定律 1 定義 電流通過導體時所產(chǎn)生的熱量 2 公式 Q I2Rt 焦耳定律 3 單位 焦耳 J 3 電功率 1 定義 電流所做的功跟完成這些功所用時間的比值 叫做電功率 2 公式 計算電功率的普適公式為和P UI 38 3 單位 在國際單位制中的單位是瓦 符號為W 4 意義 電功率表示電流做功的快慢 5 用電器的額定功率與實際功率 額定功率是指用電器在額定電壓下正常工作時所消耗的功率 此時流經(jīng)用電器的電流就是它的額定電流 用電器在實際使用時 若加在它上面的實際電壓不等于額定電壓 那么它消耗的實際功率就不等于額定功率 因此 在實際計算用電器的功率時 要注意兩者的區(qū)別 39 說明 在用電器上通常都標明它的額定電壓和額定功率 如果在用電器上的實際電壓小于額定電壓 則實際消耗的功率小于額定功率 此時用電器不能正常工作 如果加在用電器上的實際電壓大于額定電壓 則實際消耗的功率大于額定功率 此時有燒壞用電器的危險 所以將用電器接通電源前 必須查清用電器的額定電壓與電源的電壓是否一致 40 如圖10 1 6所示為電阻R1和R2的伏安特性曲線 并且把第一象限分為了 三個區(qū)域 現(xiàn)把R1和R2并聯(lián)在電路中 消耗的電功率分別用P1和P2表示 并聯(lián)的總電阻設(shè)為R 下列關(guān)于P1與P2的大小關(guān)系及R的伏安特性曲線應該在的區(qū)域正確的是 圖10 1 6 C 41 A 特性曲線在 區(qū) P1P2D 特性曲線在 區(qū) P1 P2并聯(lián)之后電阻比R1和R2電阻都小 根據(jù)此圖中圖線的斜率的倒數(shù)是電阻 所以并聯(lián)之后的特性曲線在 區(qū) BD錯 由原圖可得R1P2 C對 42 兩個額定電壓為220V的白熾燈L1和L2的U I特性曲線如圖10 1 7所示 L2的額定功率約為W 現(xiàn)將L1和L2串聯(lián)后接在220V的電源上 電源內(nèi)阻忽略不計 此時L2的實際功率約為W 99 17 5 圖10 1 7 43 由圖線可知U 220V時 I 0 45A 故L2的額定功率P2 UI 99W 據(jù)串聯(lián)電路的特征可知通過L1和L2的電流相等 同時兩者電壓之和應為220V 從圖線可知 符合上述條件的電流值應為I 0 25A 此時L2對應的電壓U2 70V 故L2的實際功率P2 U2I 70 0 25W 17 5W 44 五 電路和電路圖1 電路 由電源 用電器 開關(guān)和導線組成的一條電流的路徑 2 電源 能提供持續(xù)電流的裝置 電源的作用是在電源的內(nèi)部不斷地使正極聚集正電荷 負極聚集負電荷 以持續(xù)對外供電 在電源外部 電流的方向是從電源的正極流向負極 干電池 蓄電池 發(fā)電機都是電源 45 3 電路中有持續(xù)電流的條件 1 電路里必須有電源 2 電路必須閉合 4 通路 開路和短路 1 通路 接通的電路叫做通路 通路時電路是處處相通的 電路中有電流流過 用電器工作 2 開路 斷開的電路叫開路 又稱斷路 開路時電路中有一處或幾處是斷開的 電路中沒有電流 用電器不工作 開關(guān)斷開 導線斷裂 接頭松脫 接觸不良等都可能導致開路 46 3 短路 用導線直接連在電源的兩端或用電器兩端的電路叫短路 短路有整體短路和局部短路兩種情況 5 電路圖用符號表示電路連接的圖叫做電路圖 畫電路圖時應注意的問題是 1 電路元件的符號是統(tǒng)一規(guī)定的 2 導線要畫成橫平豎直 有棱有角 線路要畫得整潔 美觀 3 元件的位置要安排得當 分布均勻 元件不要畫在線路的拐角處 47 6 串 并聯(lián)電路 48 49 50 如圖10 1 8所示 P為一塊均勻的半圓形薄電阻合金片 先將它按圖甲方式接在電極A B之間 測出電阻為R 然后再將它按圖乙方式接在C D之間 這時P的電阻為 圖10 1 8 D 51 A RB 1 2RC R 4D 4R將半圓形合金片從中間 圖中虛線所示 割開 分成完全相同的兩塊 設(shè)每塊電阻為R0 則圖甲連接方式相當于兩個電阻并聯(lián) 圖乙連接相當于兩個電阻串聯(lián) RAB R0 2 R RCD 2R0 4R 52 在 用電流表測電流 的實驗中 某同學連接的電路如圖10 1 9所示 圖10 1 9 53 1 閉合開關(guān) 觀察到燈泡L1和L2的發(fā)光情況是 2 針對上述現(xiàn)象 該電路存在的問題是 3 請在原圖上只改動一根導線 使兩只電流表A1 A2分別測干路和支路的電流 要求 在需改動的導線上畫 用筆將改動后的導線畫出 導線不許交叉 L2發(fā)光 L1不發(fā)光 L1 A2所在電路短路 54 3 如下圖 55 氫火焰離子化監(jiān)測器 可以檢測出無機物氣體中極其微量的有機分子的含量 其裝置如圖10 1 13所示 在氫火焰的作用下 有機物的分子電離為一價正離子和自由電子 而無機物的分子不會電離 設(shè)單位時間內(nèi)有nmol被檢測氣體進入檢測器 調(diào)節(jié)滑動變阻器 使得電流表的示數(shù)逐漸變大 直到最大值I 56 求有機物分子占被檢測氣體分子的數(shù)目比K是多少 阿伏加德羅常量為NA 電子的電量為e 圖10 1 13 57 電流的定義及其微觀表達 電離出的正離子和自由電子定向移動形成電流 電流達到最大值I后 表明電離出來的離子全部到達了陰極 設(shè)經(jīng)過時間t到達極板的電量為q 則q It 電離出來的是一價正離子 則被電離的有機物分子的數(shù)目則有機物分子占待測氣體的數(shù)目比為 58 如圖10 1 14 來自質(zhì)子源的質(zhì)子 初速度為零 經(jīng)一加速電壓為800kV的直線加速器加速 形成電流為1mA的細柱形質(zhì)子流 已知質(zhì)子電荷e 1 60 10 19C 這束質(zhì)子流每秒打到靶上的質(zhì)子數(shù)為個 假定分布在質(zhì)子源到靶之間的加速電場是均勻的 在質(zhì)子束中與質(zhì)子源相距L和4L的兩處 各取一段極短的相等長度的質(zhì)子流 其中的質(zhì)子數(shù)分別為n1和n2 則n1 n2 圖10 1 14 6 25 1015 2 1 59 按定義 所以個 由于各處電流相同 設(shè)這段長度為l 其中的質(zhì)子數(shù)為n 則由和得故n 而v2 2as 由于則 60 材料的電阻率 隨溫度變化的規(guī)律為 0 1 t 其中 稱為電阻溫度系數(shù) 0是材料在t 0 時的電阻率 在一定的溫度范圍內(nèi) 是與溫度無關(guān)的常量 金屬的電阻一般隨溫度的增加而增加 具有正溫度系數(shù) 而某些非金屬如碳等則相反 具有負溫度系數(shù) 利用具有正負溫度系數(shù)的兩種材料的互補特性 可制成阻值在一定溫度范圍內(nèi)不隨溫度變化的電阻 已知 在0 時 61 銅的電阻率為1 7 10 8 m 碳的電阻率為3 5 10 5 m 在0 附近 銅的電阻溫度系數(shù)為3 9 10 3 1 碳的電阻溫度系數(shù)為 5 0 10 4 1 將橫截面積相同的碳棒與銅棒串接成長1 0m的導體 要求其電阻在0 附近不隨溫度變化 求所需碳棒的長度 忽略碳棒和銅棒的尺寸隨溫度的變化 62 電阻定律 設(shè)所需碳棒的長度為L1 電阻率為 1 電阻溫度系數(shù)為 1 銅棒的長度為L2 電阻率為 2 電阻溫度系數(shù)為 2 根據(jù)題意有 1 10 1 1t 2 20 1 2t 式中 10 20分別為碳和銅在0 時的電阻率 63 設(shè)碳棒的電阻為R1 銅棒的電阻為R2 有 式中S為碳棒與銅棒的橫截面積 碳棒與銅棒連接成的導體的總電阻和總長度分別為R R1 R2 L0 L1 L2 式中L0 1 0m 64 聯(lián)立以上各式得 要使R不隨t變化 式中t的系數(shù)必須為零 即 10 1L1 20 2L2 0 聯(lián)立 式得 代入數(shù)據(jù)解得L1 3 8 10 3m 65 小燈泡的一段伏安特性曲線如圖10 1 15所示 由圖可見 燈絲的電阻因溫度的影響改變了多少 圖10 1 15 66 求因溫度變化而使電阻改變了多少 即求 R RB RA 雖然小燈泡的伏安特性是非線性的 然而小燈泡屬于純電阻用電器 滿足歐姆定律 我們只要求出伏安特性曲線中兩端點的阻值RA和RB 即可求出 R 67 對應曲線上的A點 燈絲的電阻為對應曲線上的B點 燈絲的電阻為所以對應A到B的電阻變化為 R RB RA 40 30 10 68 如圖10 1 16所示為電動機提升重物的裝置 電動機線圈電阻為r 1 電動機兩端電壓為5V 電路中的電流為1A 物體A重20N 不計摩擦力 求 圖10 1 16 69 1 電動機線圈電阻上消耗的熱功率是多少 2 電動機輸入功率和輸出功率各是多少 3 10s內(nèi) 可以把重物A勻速提升多高 4 這臺電動機的機械效率是多少 電功 電熱及電功率 70 首先要知道輸入功率是電機消耗的總功率 而輸出功率是機械功率 消耗的電能轉(zhuǎn)化為機械能和內(nèi)能兩部分 由能量守恒定律可求解 1 根據(jù)焦耳定律 熱功率為PQ I2r 12 1W 1W 2 電功率等于輸入電流與電動機兩端電壓的乘積P入 IU 1 5W 5W輸出功率等于輸入功率減去發(fā)熱消耗的功率 71 P出 P入 PQ 5W 1W 4W 3 電動機輸出的功率用來提升重物轉(zhuǎn)化為機械功率 在10s內(nèi) P出t mgh解得 4 機械效率點評 在非純電阻電路中 U IR 應該從能量的觀點分析解決問題 72 某一直流電動機提升重物的裝置如圖10 1 17所示 重物的質(zhì)量m 50kg 電源提供給電動機的電壓為U 110V 不計各種摩擦 當電動機以v 0 9m s的恒定速率向上提升重物時 電路中的電流強度I 5 0A 求電動機的線圈電阻大小 取g 10m s2 圖10 1 17 73 電動機的輸入功率P UI 電動機的輸出功率P1 mgv 電動機發(fā)熱功率P2 I2r而P2 P P1 即I2r UI mgv代入數(shù)據(jù)解得電動機的線圈電阻大小為r 4 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全