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恒定電流

編輯: 高中學習網 關鍵詞: 高三 來源: 逍遙右腦記憶


第十二章 恒定電流
第一課時 知識梳理
一、考點要求
內  容要 求說  明
電流,歐姆定律,電阻和電阻定律
電阻率與溫度的關系
半導體及其應用,超導體及其應用
電阻的串、并聯,串聯電路的分壓作用,并聯電路的分流作用
電功和電功率,串聯、并聯電路的功率分配
電源的電動勢和內電阻,閉合電路歐姆定律,路端電壓
電流、電壓和電阻的測量,電流表、電壓表和多用電表的使用,伏安法測電阻
測定金屬的電阻率
描繪小燈泡的伏安特性曲線
把電流表改裝為電壓表
用電流表和電壓表測電池的電動勢和內電阻Ⅱ

二、知識結構
電流:I=q/t方向:外電路,正極→負極,內電路:負極→正極
電壓:U=W/q又稱電勢差(或電勢降落)
部分電路歐姆定律 電阻:R= 由導體本身決定,ρ與和溫度有關。
歐姆定律
電動勢:數值上等于電路中通過一庫侖電量時電源所提供的能量,由電源本身決定。
閉合電路 路端電壓:U=E-Ir
歐姆定律 歐姆定律:公式:I=E/(R+r)或E=IR+Ir=U外+U內
注意:該定律是能的轉化和守恒定律在電學中的特例,E、r由電源本身決定
串聯
電路的連接
并聯
電功:W=qU=IUt 電功率:P=W/t=IU 焦耳定律:Q=I2Rt
電路中的能量轉化 電源:P游=IE;P出=I U端;P內=I2r;IE=I U端+ I2r
用電器:P電=IU P熱= I2R
描繪小燈泡的伏安特性曲線
測定金屬的電阻率
實驗 把電流表改裝成伏特表
測定電源的電動勢和內電阻
用多用電表探索黑箱內的電學元件
傳感器的簡單應用
三、本章知識考查特點及高考命題趨勢
本章是電路的基礎知識,是電學部分的重要內容,高考中對本章內容的考查熱點在于①基本概念,例如電流、電動勢、功率等.②基本規律,例如歐姆定律、電阻定律、焦耳定律等.③基本方法,例如等效思維方法、動態電路的邏輯分析、電路的故障判斷等.另外,本章內容跟日常生活用電聯系十分緊密,許多題目都源自日常生活用電的實際,關注這類理論聯系實際的題目對考生來說很有必要。本章的知識也容易跟化學中的電解、電鍍、電化學腐蝕等內容綜合,也容易跟生物中的神經活動內容綜合.
本章的復習首先要扎扎實實地打好基礎,深刻理解物理概念的含義,正確應用物理規律,并能熟練地進行有關的計算.
要特別注意由于電路某一部分結構的變化而引起電流、電壓、電阻、電功率等電路特征量的變化的分析和計算;還要注意能量的轉化問題,要從能量轉化和守恒的角度去解決這些問題;另外還要掌握好電路的測量和儀表的使用,如滑動變阻器的連接及其作用,電壓表、電流表的使用等.
四、課前預習
1.電荷的 移動形成電流,電流的方向規定為
電荷定向移動的方向.電路中,電源外部的電流方向是從電源的 極到 極,電源內部的電流方向是從電源的 極到 極.
2.導體中含有大量的自由電荷.金屬導體中的自由電荷是 ,電解液和酸、堿、鹽溶液中的自由電荷是
和 .1m3銅內自由電子的個數約為8.5×1028個.
3.金屬導體中,自由電子定向運動時的三個速率是:①無規則熱運動的平均速率約為 .②定向移動的平均速率約為 .③電場的傳播速率約為 .
4.一電子沿順針方向做勻速圓周運動,周期為10-10s,則等效電流多大?方向怎樣?
5.某電解池中,若在2s內各有1.0×1019個二價正離子和2.0×1019個一價負離子通過某截面,那么通過這個截面的電流是( ).
A.0 B.0.8A C.1.6A D.3.2A
6.某金屬導體兩端的電壓為24V,在30s內有36C的電量通過該導體的某個橫截面.
(1)在30s內有多少個自由電子通過該導體的橫截面?
(2)電流多大? (3)該導體的電阻有多大?
7.如圖所示,電路工作時,要測量電路中的電流,需要什么電表?怎樣用該電表測量回路中的電流大小?由于電表內阻的影響,測量的電流與測量前電流的真實值有怎樣的關系?怎樣的情況下測量值可看作與真實值相等?
8.上題中,要測量電阻R1兩端的電壓,需要什么電表?怎樣用該電表測量電阻R1兩端的電壓?由于電表內阻的影響,測量的電壓值與測量前R1兩端電壓的真實值有怎樣的關系?怎樣的情況下測量值可看作與真實值相等?
9.(1995?全國)兩個定值電阻R1、R2串聯后接在輸出電壓U穩定于12V的直流電源上.有人把一個內阻不是遠大于R1、R2的電壓表接在R1兩端,如圖電壓表的示數為8V.如果他把此電壓表改接在R2兩端,則電壓表的示數將( )
A.小于4V B.等于4V
C.大于4V小于8V D.等于或大于8V
10.(1995?上海)如圖電路中,電阻R1、R2、R3的阻值都是1Ω,R4、R5的阻值都是0.5Ω,ab端輸入電壓U=6V. 當cd端接電壓表時,其讀數是 V.當cd端接電流表時,其示數是 A.
第二課時 歐姆定律 電阻定律 半導體 超導體
一、考點理解
(一)歐姆定律
1.內容:導體中的電流I跟導體兩端的電壓U成正比,跟導體的電阻成反比.
2.表達式: 或U=IR.
3.適用范圍:對于金屬導體導電和電解液導電適用,對氣體導電、半導體導電不適用.
4.說明:表達式 中,U為R兩端的電壓,I為流過R的電流.
(二)電阻定律
1.電阻(R)
(1)金屬導體中自由電子在定向移動時,不斷地與金屬正離子發生碰撞,這種碰撞阻礙自由電子的定向移動,形成電阻.
(2)由 得 ,即導體兩端的電壓U跟流過導體的電流I成正比,其比值等于導體的電阻.
導體的電阻R與導體兩端電壓U和流過導體的電流I無關,其大小由導體本身的結構決定.
(3)導體的伏安特性曲線為一條經過坐標原點的直線.如圖所示,具有這一伏安特性曲線的電學元件叫做線性元件.
對歐姆定律不適用的導體和器件,電流和電壓不成正比,伏安特性曲線不是直線,這種電學元件叫做非線性元件.
2.電阻定律
內容:導體的電阻跟它的長度成正比,跟它的橫截面積S成反比,即 .
表達式: .比例常量 為金屬導體的電阻率.
3.電阻率( )
(1)電阻率 與導體的長度、橫截面積和導體的電阻都無關,只跟導體的有關.
(2)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.
不同金屬的電阻率隨溫度的變化情況不同.有的金屬電阻率隨溫度變化顯著,電阻溫度計就是利用這類金屬做成的.有的金屬電阻率隨溫度變化不明顯,甚至幾乎不受溫度的影響,標準電阻就是利用這種材料做成的.
由幾種金屬形成合金的電阻率大于構成該種合金的任一純金屬的電阻率.
(3)國際單位:歐姆?米,符號Ω?m.
(4)銅的電阻率 的含義是:長為1m、橫截面積為1m2的銅導線的電阻是 .
(三)半導體
1.有些材料,它們的導電性能介于導體和絕緣體之間,而且電阻不隨溫度的升高而增大,反隨溫度的升高而減小,這種材料稱為半導體.
2.半導體的導電特性:光敏特性、熱敏特性和摻雜特性,分別用于制成光敏電阻、熱敏電阻和晶體管等.
3.由半導體材料制成各種電子元件,已發展成為集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路,半導體材料在現代科學技術中發揮了重要作用.
(四)超導體
1.有的金屬導體在溫度降低到絕對零度附近時,其電阻率突然減小到零,這種現象叫做超導現象.能夠發生超導現象的物質稱為超導體.
2.材料由正常狀態變為超導狀態的溫度,叫做超導材料的轉變溫度.
3.超導材料的應用前景非常誘人,我國科學家在超導材料的研究方面走在世界前列.
二、方法講解
1.緊扣導體電阻的定義 .
①在導體的溫度變化不大或導體的電阻率隨溫度變化很小的情況下,導體的電阻與U、I無關,其伏安特性為線性關系.處理這類問題運用 來分析解決.
②在導體的溫度變化大,或導體的電阻率隨溫度變化顯著,或者半導體R與U、I有關,其伏安特性為非線性關系,但每個電壓下仍然有 ,只不過U、I改變,R的值不同.
2.通常用I-U圖線(或U-I圖線)來描述導體或半導體的伏安特性,要弄清楚特性曲線的意義,從圖線上獲取所需的信息,伏安特性曲線上每一個點對應一組U、I值, 為該狀態下的電阻值,UI為該狀態下的電功率.
三、考點應用
例1:如圖所示,在相距40km的A、B兩地架有兩條輸電線,電阻共為800Ω.如果在A、B間的某處發生短路,這時接在A地的電壓表示數為10V,電流表示數為40mA.求發生短路處距A地有多遠?
解析:設A地與短路處的電阻為RX,由歐姆定律 .
A地與短路處的距離可認為A地與短路處單根導線的長度,設這個長度為x,導線的截面積為S,材料的電阻率為 ,由電阻定律 .
而A、B兩地間距離L=40km,電阻R=800Ω,同理有
由RX和R的表達式可得
.
即短路處距A地12.5km.
小結:1.將A地與短路處一段導體作為研究對象,由歐姆定律求出它的電阻值是解決問題的關鍵.
2.輸電線路一般由相線和零線兩根導線構成,輸電線的長度是輸電距離的2倍.
3.對同一輸電線,電阻率和截面積相同,由電阻定律 知,R與 成正比.
思考:若在A、B間某處發生漏電事故(漏電事故相當于在兩點間接了一個電阻),應該怎樣估測漏電處與A地的距離?
例2:家用電熱驅蚊器中電熱部分的主要元件是PTC,它是由鈦酸鋇等半導體材料制成的電阻器,其電阻率 與溫度T的關系圖象如圖所示.電熱驅蚊器的原理是:通電后電阻器開始發熱,溫度上升,使藥片散發出驅蚊藥,當電熱器產生的熱與向外散發的熱平衡時,溫度達到一個穩定值.由圖象可以判定:通電后,PTC電阻器的功率變化情況是 ,穩定時的溫度應取 區間的某一值.
解析:通電后應認為電壓U不變.隨著溫度的升高,在T0~T1范圍內,電阻率隨溫度的升高而減小,因此電阻減小,電功率增大,驅蚊器溫度持續上升;在T1~T2范圍內,電阻率隨溫度的升高而增大,因此電阻增大,電功率減小.當電熱器產生的熱與向外散發的熱平衡時,溫度、電阻、電功率都穩定在某一值.故整個過程功率的變化情況是先增大后減小,最后穩定在某一值,這時溫度應在T1~T2間.
例3:影響物質材料電阻率的因素很多,一般金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增大,而半導體材料的電阻率則與之相反,隨溫度的升高而減小.某課題研究組在研究某種導電材料的用電器件Z的導電規律時,利用如圖(a)所示的分壓電路測得其電壓與電流的關系如表所示:
U/V0.400.600.801.001.201.501.60
I/A0.200.450.801.251.802.813.20
(1)根據表中數據,判斷用電器件Z可能屬于上述哪類材料?
(2)把用電器件Z接入如圖(b)所示的電路中,閉合開關,電流表的讀數為1.8A,電池的電動勢為3V,內阻不計,試求電阻R的電功率.
(3)根據表中的數據找出該用電器Z的電流隨電壓變化的規律是I=kυn,試求出n和k的數值,并寫出k的單位。
解析:(1)表中所列數據顯示,加在電器件Z上電壓增大,流過電器件Z的電流隨之增大,Z消耗的電功率增大,溫度升高,而U與I的比值在減小,即電器件Z的電阻隨溫度升高而減小,所以Z屬于半導體材料.
(2)查表I=1.8A時,Z的電壓為1.2V,則R兩端電壓
UR=E-U2=3V-1.2V=1.8V
W.
(3)任選表中兩組數據代入 中,
0.8=K?0.8n 1.25=k?1n
解得n=2,k=1.25A/V2
即I=1.25υ2
點評:1.半導體材料I與U成非線性關系,為非線性材料.本題的計算結果顯示,I=1.25U2.
2.研究物理規律時,根據設想設計物理實驗,將大量實驗數據列表進行分析,從分析實驗數據中探索物理規律.
例4:(2001?廣東)圖(甲)是在溫度為10℃左右的環境中工作的某自動恒溫箱的原理簡圖.箱內的電阻 , , ,Rt為熱敏電阻,它的電阻隨溫度變化的圖線如圖(乙)所示.當a、b兩端電壓Uab<0時,電壓鑒別器會令開關S接通,恒溫箱內的電熱絲發熱,使箱內溫度提高;Uab>0時,電壓鑒別器使S斷開,停止加熱,恒溫箱內的溫度恒定在
  A.10℃ B.20℃ C.35℃ D.45℃
解析:將圖甲簡化為如圖丙所示.依題意,恒溫箱內溫度穩定時,Uab=0.
設電源正、負極的電勢分別為 、 ,則電源路端電壓為 .且a、b的電勢.
.
.
由 , 得 、 、 、 間的關系為 ,或 .代入 、 、 的值,得 時, ,從Rt-t圖線上查得 時,t=35℃.
答案:C
點評:圖丙所示電路為橋式電路, 時為平衡電橋電路,本題內容為平衡電橋在自動控制中的應用.
四、課堂練習
1.若加在某導體兩端的電壓變為原來的3/5時,導體中的電流減小了0.4A.如果所加電壓變為原來的2倍,則導體中的電流多大?
2.如圖所示為A、B兩個導體的伏安特性曲線.
(1)A、B電阻之比RA:RB為 .
(2)若兩個導體中電流相等(不為零)時,電壓之比UA:UB為 .
(3)若兩個導體的電壓相等(不為零)時,電流之比IA:IB為 .
3.關于超導現象,下列說法正確的是( )
A.超導現象只有在溫度降低到絕對零度時才會出現
B.任何物體都可能變為超導體
C.超導體的電阻等于零
D.能夠發生超導現象的物質叫做超導體
4.如圖所示,厚薄均勻的矩形金屬薄片邊長ab=10cm,bc=5cm,當將A與B接入電壓為U(V)的電路中時,電流強度為1A;若將C與D接入電壓為U(V)的電路中,則電流強度為( )
A.4A B.2A C. A D. A
5.人體通過50mA的電流時,就會引起呼吸器官麻痹.如果人體的最小電阻為800Ω,求人體的安全工作電壓.根據以上所給的數據說明:為什么人體觸到220V的電線時會發生危險,而接觸到干電池的兩極時卻沒有感覺?


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