20xx_最新高中物理_3-1恒定電流詳解分析(已修改)

　

【正文】 1 第 1 單元 基本概念和定律 一、 .電流 條件： 導(dǎo)體兩端有持續(xù)的電壓 有可以自由移動(dòng)的電荷 金屬導(dǎo)體――自由電子 電解液――正負(fù)離子 氣體――正負(fù)離子、自由電子 方向：正電荷的定向移動(dòng)的方向 導(dǎo)體中電流由高電勢流向低電勢， 電流在電源外部由正極流向負(fù)極 二 、電流強(qiáng)度 —— （ I 標(biāo)量） —— 表示電流的強(qiáng)弱。 通過導(dǎo)體某一截面的電量 q跟通過這些電量所用時(shí)間的比值，叫電流強(qiáng)度，簡稱電流。 定義式：tqI?適用于任何電荷的定向 移動(dòng)形成的電流。 單位： 1 C / s = 1 A 1 A ＝ 10 3 mA 1 mA ＝ 10 3 μ A 注意：在電解液導(dǎo)電時(shí)，是正負(fù)離子向相反方向定向移動(dòng)形成電流，在用公式 I＝ q／ t計(jì)算電流強(qiáng)度時(shí)應(yīng)引起注意。 電流的微觀表達(dá)式 已知：粒子電量 q 導(dǎo)體截面積 s 粒子定向移動(dòng)的速率 v 粒子體密度（單位體積的粒子的個(gè)數(shù)） n 推導(dǎo)： nqs vItsv tnqtqI ???? 對于金屬導(dǎo)體有 I=nqvS（ n 為單位體積內(nèi)的自由電子個(gè)數(shù)， S為導(dǎo)線的橫截面積， v 為自由電子的定向移動(dòng)速率，約 10 5m/s，遠(yuǎn)小于電子熱運(yùn)動(dòng)的平均速率 105m/s，更小于電場的傳播速率 3 108m/s），這個(gè)公式只適用于金屬導(dǎo)體，千萬不要到處套用。 三、歐姆定律 內(nèi)容：導(dǎo)體中的電流強(qiáng)度跟導(dǎo)體兩端的電壓 U成正比，跟導(dǎo)體的電阻 R成反比 公式： RUI? R電阻， 1V / A ＝ 1Ω 1 KΩ ＝ 1000Ω 1 MΩ ＝ 1000KΩ 由本身性質(zhì)決定 適用范圍：對金屬導(dǎo)體和電解液適用，對氣體的導(dǎo)電 不適用 電阻的伏安特性曲線：注意 IU 曲線和 UI 曲線的區(qū)別。還要注意：當(dāng)考慮到電阻率隨溫度的變化時(shí)，電阻的伏安特性曲線不再是過原點(diǎn)的直線。 四 .電阻定律 —— 導(dǎo)體電阻 R跟它的長度 l成正比，跟橫截面積 S成反比。 slR ?? （ 1） ρ 是反映材料導(dǎo)電性能的物理量，叫材料的電阻率（反映該材料的性質(zhì)，不是每根具體的導(dǎo)線的性質(zhì)）。單位是Ω ?m。 （ 2）純金屬的電阻率小，合金的電阻率大。 ⑶材料的電阻率與溫度有關(guān)系： C22－ SO42－ I O U O I U 1 2 1 2 R1R2 R1R2 v A B v t 2 ①金屬的電阻率隨溫度的升高而增大（可以理解為溫度升高時(shí)金 屬原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，對自由電子的定向移動(dòng)的阻礙增大。）鉑較明顯，可用于做溫度計(jì)；錳銅、鎳銅的電阻率幾乎不隨溫度而變，可用于做標(biāo)準(zhǔn)電阻。 ②半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而減小（可以理解為半導(dǎo)體靠自由電子和空穴導(dǎo)電，溫度升高時(shí)半導(dǎo)體中的自由電子和空穴的數(shù)量增大，導(dǎo)電能力提高）。 ③有些物質(zhì)當(dāng)溫度接近 0 K時(shí)，電阻率突然減小到零 —— 這種現(xiàn)象叫超導(dǎo)現(xiàn)象。能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物體叫超導(dǎo)體。材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度叫超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度TC。我國科學(xué)家在 1989年把 TC提高到 130K。現(xiàn)在科學(xué)家正努力做到室溫超導(dǎo)。 注意：公式 R＝ IU 是電阻的定義式，而 R=ρSL是電阻的決定式 R與 U 成正比或 R 與 I成反比的說法是錯(cuò)誤的，導(dǎo)體的電阻大小由長度、截面積及材料決定，一旦導(dǎo)體給定，即使它兩端的電壓 U＝ 0，它的電阻仍然照舊存在。 五 .電功和電熱 電功 就是 電場力做的功，因此是 W=UIt；由焦耳定律，電熱 Q=I2Rt。其微觀解釋是：電流通過金屬導(dǎo)體時(shí)，自由電子在加速運(yùn)動(dòng)過程中頻繁與正離子相碰，使離子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，而電子速率減小，可以認(rèn)為自由電子只 以某一速率定向移動(dòng)，電能沒有轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能，只轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 電功和電功率 電功：電場力對運(yùn)動(dòng)電荷所做的功，也叫做電流所做的功 UIpUI tW ?? 適用于任何電路 能量轉(zhuǎn)化：把電能轉(zhuǎn)化成其他形式的能 電熱和熱功率（焦耳定律） 電流通過導(dǎo)體時(shí)，釋放的熱量 RIpRtIQ 22 ?? 適用于任何電路 能量轉(zhuǎn)化：電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 純電阻電路 （一來一去，電能全部轉(zhuǎn)化成內(nèi)能（電阻、燈泡、電爐、電烙鐵）） 引：真空中和電阻中電流作功把電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠?它形式的能的不同 （動(dòng)能、內(nèi)能、機(jī)械能、化學(xué)能等） IRURtIU It QW ???? 2 非純電阻電路 （一來多去電能的一部分轉(zhuǎn)化成熱能（電動(dòng)機(jī)、電解槽，電感，電容??） W＝ I2 R t＋其他形式的能量，即 2WQU It I R t U IR? 對于電動(dòng)機(jī) UI ＝ I2 R ＋ 機(jī)械 P 輸入功率 內(nèi)耗功率 輸出功率 總功率 熱功率 機(jī)械功率 消耗 功率 損失功率 有用功率 例：電動(dòng)機(jī)， U＝ 220V， I＝ 50A， R＝ 求： ①電功率 p＝ UI＝ 220 5＝ 11KW ②熱功率 p＝ I2 R＝ 502 ＝ 1 KW I2R 機(jī)械 p UI 3 【例 1】 下圖所列的 4 個(gè)圖象中，最能正確地表示家庭常用的白熾電燈在不同電壓下消耗的電功率 P與電壓平方 U 2之間的函數(shù)關(guān)系的是以下哪個(gè)圖象 A. B. C. D. 解：此圖象描述 P隨 U 2變化 的規(guī)律，由功率表達(dá)式知：RUP 2?， U越大，電阻越大，圖象上對應(yīng)點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率越小。選 C。 關(guān)于用電器的額定值問題 額定電壓是指用電器在正常工作的條件下應(yīng)加的電壓，在這個(gè)條件下它消耗的功率就是額定功率，流經(jīng)它的電流就是它的額定電流。 如果用電器在實(shí)際使用時(shí)，加在其上的實(shí)際電壓不等于額定電壓，它消耗的功率也不再是額定功率，在這種情況下，一般可以認(rèn)為用電器的電阻與額定狀態(tài)下的值是相同的，并據(jù)此來進(jìn)行計(jì)算。 【例 2】 某電動(dòng)機(jī)，電壓 U1=10V時(shí)帶不動(dòng)負(fù)載，不轉(zhuǎn)動(dòng)，電 流為 I1=2A。當(dāng)電壓為 U2=36V時(shí)能帶動(dòng)負(fù)載正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電流為 I2=1A。求這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率是多大？ 解：電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)可視為為純電阻，由歐姆定律得， ??? 511IUR ，這個(gè)電阻可認(rèn)為是不變的。電動(dòng)機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸入的電功率為 P 電 =U2I2=36W，內(nèi)部消耗的熱功率 P 熱= RI22 =5W，所以機(jī)械功率 P=31W 由例題可知：電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)電流較大，容易被燒壞；正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電流反而較小。 【例 3】 某一直流電動(dòng)機(jī)提升重物的裝置，如圖所示 ，重物的質(zhì)量 m=50kg，電源提供給電動(dòng)機(jī)的電壓為 U=110V，不計(jì)各種摩擦，當(dāng)電動(dòng)機(jī)以 v=，電路中的電流強(qiáng)度 I=，求電動(dòng)機(jī)的線圈電阻大小（取 g=10m/s2） . 解析：電動(dòng)機(jī)的輸入功率 P＝ UI，電動(dòng)機(jī)的輸出功率 P1=mgv，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的線圈電阻大小為 r=4Ω 【例 4】 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，形成電流強(qiáng)度為 1mA的 細(xì)柱形質(zhì)子流。已知質(zhì)子電荷 e= 1019C。這束質(zhì)子流每秒打到靶上的質(zhì)子數(shù)為 _________。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=_______。 P U2 o P U2 o P U2 o P U2 o 4 L 4L 質(zhì)子源 v1 v2 解：按定義，., 15????? eItntneI 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個(gè)， 由vnlne vIvlttneI 1, ????? 得和。而12,2 12212 ?????? ssnnsvasv 針對練 習(xí) ，下列說法中不正確的是 ，電阻率越大，其導(dǎo)電性能越好 ，金屬的電阻率隨溫度升高而增大 ，當(dāng)其溫度降低到接近絕對零度的某個(gè)臨界溫度時(shí)，它的電阻率突然變?yōu)榱? ，通常都用它們制作標(biāo)準(zhǔn)電阻 ，厚薄均勻的矩形金屬薄片邊長 ab=10 cm， bc=5 cm，當(dāng)將 A與 B接入電壓為 U的電路中時(shí)，電流強(qiáng)度為 1 A，若將 C與 D接入電壓為 U的電路中，則電流為 A A A A ，兩段材料相同、長度相等、但橫截面積不等的導(dǎo)體接在電路中，總電壓為 U，則 . ①通過兩段導(dǎo)體的電流相等 ②兩段導(dǎo)體內(nèi)自由電子定向移動(dòng)的平均速率不同 ③細(xì)導(dǎo)體兩端的電壓 U1大于粗導(dǎo)體兩端的電壓 U2 ④細(xì)導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度大于粗導(dǎo)體內(nèi)的電場強(qiáng)度 A.① B.①② C.①②③ D.①②③④ ，兩端加上電壓 U時(shí)，通過導(dǎo)線中的電流 強(qiáng)度為 I，導(dǎo)線中自由電子定向移動(dòng)的平均速度為 v，若導(dǎo)線均勻拉長，使其半徑變?yōu)樵瓉淼?21 ，再給它兩端加上電壓 U，則 4I 6I 4v 6v ，當(dāng) 滑動(dòng)變阻器的滑鍵從最左端向右滑