中職物理 第4章

第4章直流電及其應用簽到掃碼下載文旌課堂APP掃碼簽到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）簽到方式教師通過“文旌課堂APP”生成簽到二維碼，并設置簽到時間，學生通過“文旌課堂APP”掃描“簽到二維碼”進行簽到。。本章導讀3電路是由電源、導線、開關和用電器等組合起來，能使電流流通的整體。簡單地說，電路就是電流的路徑。電路的主要作用：實現電能的傳輸、分配和轉換；實現信號的傳遞和處理。直流電的電流方向、大小不隨時間改變，交流電的電流方向、大小隨時間周期性變化。本章主要介紹直流電相關的一些定律。學習目標 了解電流的形成與電流強度的定義。 掌握部分電路歐姆定律和電阻定律。 了解電源電動勢的含義。 掌握全電路歐姆定律。目錄Contents4.1電阻定律4.2全電路歐姆定律4.1電阻定律4.1電阻定律4.1.1電流1．電流的形成我們以前學過，電荷的定向移動形成電流。要形成電流，必須要有大量能夠自由移動的電荷，即自由電荷。那么，自由電荷怎樣形成定向移動呢？當導體兩端存在電壓時，將在導體內部產生電場，導體中的自由電荷就在電場力的作用下發(fā)生定向移動，形成了電流，如下圖所示。4.1電阻定律正、負電荷的定向移動都可以形成電流。習慣上規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向。在形成電流時，正、負電荷定向移動的方向相反。例如，在金屬導體中，電流的方向與自由電子定向移動的方向相反；在電解質溶液中，電流的方向與正離子定向移動的方向相同，與負離子定向移動的方向相反。4.1電阻定律電流既有方向，也有大小。電流的大小用電流強度來表示。如右圖所示，通過導體某一橫截面的電荷量q與通過這些電荷量所用時間t的比值叫作電流強度，簡稱電流。用I表示電流，則有2．電流強度電流的單位是安培，簡稱安，寫作A。電流常用的單位還有毫安（mA）和微安（μA）。4.1電阻定律4.1.2部分電路歐姆定律1．部分電路歐姆定律自由電荷在導體中的定向移動并非是無阻礙的直線運動，而是經常與導體內部的離子、原子發(fā)生碰撞，從而受到阻礙，這種阻礙作用叫作電阻，其單位是歐姆，簡稱歐，寫作。電阻的導體中的電流I與導體兩端的電壓U成正比，與導體的電阻R成反比。這就是部分電路歐姆定律，簡稱歐姆定律，可用公式表示為

歐姆定律僅適用于金屬導體和電解質溶液，但不適用于氣態(tài)導體和某些半導體。4.1電阻定律2．伏安特性曲線用縱坐標表示電流I，橫坐標表示電壓U，畫出的U-I圖像叫作伏安特性曲線。對金屬導體來說，其電阻通常是個定值，它的伏安特性曲線是通過坐標原點的傾斜直線，如右圖所示。具有這種伏安特性曲線的元件叫作線性元件。4.1電阻定律4.1.3電阻定律1．電阻定律電阻是導體本身的一種性質，那么導體的電阻與哪些因素有關呢？通過實驗發(fā)現，導體的電阻與其材料、橫截面積和長度等因素有關。這些因素與電阻之間的關系可通過控制變量的實驗方法進行研究。4.1電阻定律演示實驗4-1探究電阻與材料、橫截面積及長度的關系準備a、b、c、d共4段不同的金屬導體，如下圖（a）所示。a與b的材料、橫截面積都相同，長度不同；b與c的材料、長度都相同，橫截面積不同；c與d的長度、橫截面積都相同，材料不同。按照如下圖（b）所示的電路圖連接電路，在點A和點B之間依次接入a、b、c、d這4段金屬導體。調節(jié)滑動變阻器，保持導體兩端的電壓相等并讀出電壓表數值，同時測出相應的電流，通過歐姆定律求出這4段導體的電阻，進而判斷電阻與不同因素間的關系。4.1電阻定律4.1電阻定律通過實驗可以得出結論，對于同種材料的導體，橫截面積S一定時，電阻R與長度L成正比，即同種材料的導體，長度L一定時，電阻R與橫截面積S成反比，即對于相同橫截面積、相同長度，而材料不同的導體，其電阻R也不相同。4.1電阻定律實驗表明，在一定溫度下，導體的電阻R與其長度L成正比，與其橫截面積S成反比，這就是電阻定律，可用公式表示為式中的比例常數稱為材料的電阻率。電阻率的單位是歐米（）。不同材料的電阻率是不同的，表4-2給出了不同材料20℃時的電阻率。4.1電阻定律4.1電阻定律由表4-2可以看出，金屬及金屬合金的電阻率都很小，而電木和橡膠的電阻率都很大。在實際生產中，我們可以根據需要選擇合適的導電材料。例如，在用電線路中，就要選擇金屬材料制作導線；而為了安全考慮，就要使用橡膠、電木等材料作為電器的絕緣部分。純金屬的電阻率隨著溫度的升高而增大，利用純金屬的這種特性可以制作電阻溫度計；有些合金，如錳銅合金、鎳銅合金，它們的電阻率幾乎不受溫度影響，可以用來制作標準電阻；而絕緣體和半導體的電阻率隨著溫度的升高而減小，可以用來制作特殊器件。4.1電阻定律將某燈泡的燈絲與小燈泡串聯接入電路，使小燈泡發(fā)光。用酒精燈給燈絲加熱，觀察小燈泡的明暗變化，想想這是為什么？4.1電阻定律有一類特殊的電阻元件，它們的電阻值不是常數，而是與工作環(huán)境（如光照強度、溫度、電壓等）有關。常見的這類電阻元件有光敏電阻、熱敏電阻和壓敏電阻。4.1電阻定律2．超導體經過大量科學實驗發(fā)現，當溫度降低到絕對零度附近時，大多數金屬的電阻會突然減小到0，這種現象被稱為超導現象。電阻為0的導體叫作超導體。導體由普通狀態(tài)向超導態(tài)轉變時的溫度稱為超導轉變溫度或超導臨界溫度。為了使超導材料具有實用性，人們開始了探索高溫超導的歷程。從1911年至1986年，超導轉變溫度由汞的4.2K提高到23.22K；1986年1月，人們發(fā)現鋇鑭銅氧化物的超導轉變溫度是30K；1989年，我國已研制成超導轉變溫度為132.2K的超導材料。4.1電阻定律后來人們還做過這樣一個實驗（見右圖）：在一個淺平的錫盤中，放入一個體積很小但磁性很強的永久磁體，然后把錫盤溫度降低，使錫盤出現超導性，這時可以看到，永久磁體離開了錫盤表面，慢慢地飄起，懸浮不動。這種效應后來被應用在磁懸浮列車的生產中。如今，超導技術已經在電機、輸電、磁流體發(fā)電、交通運輸和醫(yī)療等方面得到了廣泛地開發(fā)和應用，同時，它還在電子技術、空間技術等方面展現出廣闊的應用前景。4.1電阻定律課后實踐請同學們在課后完成以下任意一項任務。第一項任務：收集并觀察電路中常用的電阻器，了解常見電阻器的形狀、材料、外觀顏色、標志及其在電路中的作用，并與同學分享交流。第二項任務：查閱資料，收集我國在超導材料研究領域所取得的偉大成就，并與同學分享調查結果。4.2全電路歐姆定律4.2全電路歐姆定律4.2.1電源電動勢1．電源電源就是把其他形式的能量轉化為電能的裝置。電源在電路中及時地把從電源負極經導線流到電源正極的自由電子通過電源內部搬運回電源負極，從而確保電源正、負極上的電荷一定，以使導線兩端的電壓維持恒定，這樣電路中才有持續(xù)的、穩(wěn)定不變的電流。常見的電源是電池，日常生活中常用的電池主要有干電池、鋅汞電池、鉛蓄電池、鋰電池和太陽能電池等。電池放電時能輸出的總電荷量，即電池的容量，通常以安培·小時（）或毫安·小時（）為單位。容量為

的干電池，若以1.5A的電流給用電器供電，大約能工作10h。4.2全電路歐姆定律2．電動勢為了表示電源把其他形式的能轉化為電能的能力，我們引入電動勢的概念。電動勢是電源本身的屬性，取決于電源正、負極材料及電解液的化學性質，與電源的體積、是否接入外電路無關。不接用電器時，電源兩端的電壓就等于電源的電動勢。電動勢用符號E表示，它的單位是伏特，寫作V。干電池的電動勢為1.5V，鉛蓄電池的電動勢為2V，大型發(fā)電機的電動勢可達到幾萬伏。電源內部是由導體組成的，也有電阻，這個電阻叫作電源的內阻，用r表示，它反映電源內部導體對電流的阻礙作用。電源的內阻一般都很小，如鉛蓄電池的內阻只有0.005～，干電池的內阻通常不到。1745年，普魯士的克萊斯特利用導線將摩擦所起的電引向裝有鐵釘的玻璃瓶。當他用手觸及鐵釘時，受到猛烈的一擊。在這個發(fā)現的啟發(fā)下，萊頓大學的馬森布羅克在1746年發(fā)明了收集電荷的“萊頓瓶”。1786年，意大利解剖學家伽伐尼發(fā)現，用相連的不同金屬分別接觸青蛙的腿部肌肉，會引起青蛙肌肉的抽搐。伽伐尼認為這是“生物電”。意大利物理學家伏打在多次實驗后認為：伽伐尼的“生物電”之說并不正確，青蛙的肌肉只是起到檢驗作用，產生電流的關鍵在于不同的金屬。為了論證自己的觀點，伏打把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進行實驗。結果發(fā)現，這兩種金屬片中，只要有一種與溶液發(fā)生了化學反應，金屬片之間就能夠產生電流。1799年，伏打把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里，發(fā)現連接兩塊金屬的導線中有電流通過。于是，他就將鋅片與銀片夾以浸透鹽水的絨布或紙片疊起電堆，用手觸摸4.2全電路歐姆定律知識角其兩端時，會感到強烈的電流刺激。伏打用這種方法制成了世界上第一個電池——“伏打電堆”。這個“伏打電堆”實際上就是串聯的電池組，它成為早期電學實驗及電報機的電力來源。1836年，英國的丹尼爾對“伏打電堆”進行了改良，制造出第一個能保持恒定電流的鋅-銅電池，又稱“丹尼爾電池”。此后，又陸續(xù)有去極化效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問世，但這些電池都存在電壓隨使用時間延長而下降的問題。1860年，法國的普朗泰發(fā)明出用鉛做成電極的電池。這種電池的獨特之處在于，當電池使用一段時間后電壓下降時，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升到初始值。這種電池能充電，可以反復使用，所以稱它為“蓄電池”。1887年，英國人赫勒森發(fā)明了最早的干電池。干電池的電解液為糊狀，不會溢漏，便于攜帶，因此也獲得了廣泛應用。4.2全電路歐姆定律知識角4.2全電路歐姆定律4.2.2全電路歐姆定律用導線把電源和用電器連接起來，就組成了閉合電路，如右圖所示。其中，用電器、導線組成外電路，即右圖中虛線框以外的部分；電源內部是內電路，即右圖中虛線框以內的部分。外電路的電阻叫作外電阻，用R表示；內電路的電阻叫作內阻，用r表示。一般情況下，在電路圖中不會將電源內阻特意畫出。4.2全電路歐姆定律在閉合電路中，電源內阻分得的電壓叫作內電壓；外電阻分得的電壓叫作外電壓，通常也叫作端電壓。內電壓與外電壓之和就等于電源的電動勢，即設閉合電路中的電流為I，外電阻為R，內阻為r，根據部分電路歐姆定律，有即所以有這就是全電路歐姆定律，即閉合電路中的電流與電源的電動勢成正比，與電路的總電阻成反比。4.2全電路歐姆定律演示實驗4-2探究閉合電路中的電流與端電壓、外電阻的關系按照如下圖所示的實驗電路圖連接電路。撥動滑動變阻器的滑片，改變其電阻R，觀察電流表和電壓表的示數如何隨著R的改變而改變。4.2全電路歐姆定律理想電壓表的內阻無限大，在分析電路時，理想電壓表所在支路可以看成斷路，其內部通過的電流可以忽略不計。理想電流表的內阻無限小，在分析電路時，理想電流表部分可以看成短路，其內阻導致的電壓降低可忽略不計。我們在進行電路分析時，一般認為電壓表都是理想電壓表，電流表都是理想電流表。4.2全電路歐姆定律演示實驗4-2表明，隨著電阻R的增大，電流I逐漸減小，端電壓U逐漸增大。外電路斷開時的情況叫作斷路，如下圖（a）所示。此時電路中的電流I為0，因此電源內阻分得的電壓也為0，端電壓U就等于電源電動勢E。此時，電壓表的數值就等于電源的電動勢。這是因為，在電源電動勢E和內阻r不變的情況下，電阻R變大，則電路總電阻變大，電路中的電流I減??；由于電流I減小，所以內阻r分得的內電壓也減小，而電動勢不變，由于端電壓為，所以端電壓不斷增大。4.2全電路歐姆定律當外電路如上圖（b）所示時，叫作短路。此時，外電路的電阻等于0，端電壓也就等于0，電路中的電流。由于電源的內阻r一般都很小，所以短路電流I會非常大，不但會燒壞電源，還有可能引起火災。因此，平時絕不允許將電流表（通常電阻很?。┗蛞桓鶎Ь€直接接在電源的兩極上。為了保護電源，保證用電器的安全使用，通常會在電路中安裝熔斷器等保護裝置。4.2全電路歐姆定律課后實踐請在課后觀察汽車發(fā)動機啟動時車燈亮度的變化，用全電路歐姆定律分析產生這種現象的原因，并與同學分享交流。學生實驗2多用表的使用1．實驗目的（1）學習多用表的使用方法。（2）能夠獨立使用多用表測量電阻、直流電流、直流電壓。（3）在教師指導下測量交流電壓。2．實驗器材指針式多用表、直流電源、小燈泡、定值電阻、單刀開關、導線。多用表是一種多用儀表，一般可用來測量電阻、直流電的電流與電壓以及交流電的電壓等，并且每種測量都有幾個量程擋位。多用表由表頭、選擇開關和測量電路3部分組成，表頭是一塊高靈敏度磁電式電流表，它與選擇開關及測量電路相配合，可測量電流、電壓及電阻等。常用的多用表有指針式和數字式兩種。本實驗使用指針式多用表，如右圖所示。表的上半部分有表盤、指針、調零螺絲，下半部分有選擇開關及調零旋鈕。選擇開關可以轉動，周圍標有測量項目和不同的量程。其中，電壓擋中“?”表示直流電，“～”表示交流電。學生實驗2多用表的使用3．實驗原理（1）觀察多用表，進行調零，并接好表筆的一端。進行測量前，要觀察多用表的外形，根據測量的要求將選擇開關旋轉至相應的測量項目和擋位（即量程擋位）。隨后，檢查多用表的指針是否指在零刻度線上，即檢查多用表指針是否指零。如果指針沒有指零，要用螺絲刀輕輕地轉動表盤下方中間的調零旋鈕，使指針指零，也即機械調零。多用表有兩只表筆，一只紅表筆，一只黑表筆，將紅表筆一端插入標有“+”號的插孔中，黑表筆一端插入標有“-”號的插孔中。使用多用表進行測量時，為了便于準確讀數，要盡可能使指針指在表盤中間部位，所以需要恰當地選擇量程。如果不知道被測電壓、電流、電阻的大小，應先選用最高擋位，而后再調至較小擋位直至選出合適的擋位來測試，以免指針偏轉過度而損壞表頭。所選用的擋位愈靠近被測值，測量的數值就愈準確。學生實驗2多用表的使用4．實驗步驟（2）電阻的測量。①選擇合適的電阻擋位，對多用表再次調零（即電阻調零），方法是把兩只表筆短接，相當于在兩只表筆之間接入阻值為0的電阻，此時指針應指零；如果未指零，則需轉動電阻調零旋鈕，使指針指零。②將兩只表筆分別與待測電阻（即定值電阻）的兩端相接，讀出指針指示的刻度值，將該值乘以擋位的倍率即為待測電阻的電阻值。例如，指針指在“9”的位置，擋位的倍率是“”，則所測電阻的電阻值為90Ω。③再測2次，電阻值取3次實驗結果的平均值。學生實驗2多用表的使用（3）直流電流的測量。①將直流電源、小燈泡和單刀開關用導線連成閉合電路。②斷開單刀開關，將電路斷開一個開口，把多用表接入電路中，使多用表的紅表筆接到靠近電源正極的一端，黑表筆接到遠離電源正極的一端。③選擇合適的擋位后，閉合單刀開關，讀取電流數據。④再測2次，電流值取3次實驗結果的平均值。學生實驗2多用表的使用（4）直流電壓的測量。①將直流電源、小燈泡和單刀開關用導線連成閉合電路。②斷開單刀開關，將電路斷開一個開口，把多用表接入電路中，使多用表的紅表筆接到靠近電源正極的一端，黑表筆接到遠離電源正極的一端。③選擇合適的擋位后，閉合單刀開關，讀取電壓數據。④再測2次，電壓值取3次實驗結果的平均值。學生實驗2多用表的使用（5）交流電壓的測量。測量交流電壓的方法與測量直流電壓相似，不同的是交流電沒有正、負方向之分，所以測量交流電壓時，表筆不需要分正、負。由于交流電壓較高，因此需要將多用表的選擇開關旋到交流電壓的最高擋，并在教師的指導下，測量實驗室電源插座中的交流電壓。在進行測量時，一定要注意人身安全，拿好表筆的絕緣部分，不要碰到表筆的金屬觸針。共測3次，電壓值取3次實驗結果的平均值。學生實驗2多用表的使用（1）測量電阻時，不要用手觸及待測電阻的兩端（或兩支表筆的金屬部分），以免人體電阻與被測電阻并聯，使測量結果不準確。（2）測量電阻前，需對歐姆擋進行調零，將兩支表筆短接，若電阻調零旋鈕已調至最大，指針仍然不指零，這種現象通常是由表內電