恒定电流

第十二章　恒定电流
第一课时　知识梳理
一、考点要求
内　　容要　求说　　明
电流，欧姆定律，电阻和电阻定律
电阻率与温度的关系
半导体及其应用,超导体及其应用
电阻的串、并联,串联电路的分压作用,并联电路的分流作用
电功和电功率,串联、并联电路的功率分配
电源的电动势和内电阻,闭合电路欧姆定律,路端电压
电流、电压和电阻的测量,电流表、电压表和多用电表的使用,伏安法测电阻
测定金属的电阻率
描绘小灯泡的伏安特性曲线
把电流表改装为电压表
用电流表和电压表测电池的电动势和内电阻Ⅱ
Ⅱ
二、知识结构
电流：I=q/t方向：外电路，正极→负极，内电路：负极→正极
电压：U=W/q又称电势差（或电势降落）
部分电路欧姆定律 电阻：R= 由导体本身决定，ρ与和温度有关。
欧姆定律
电动势：数值上等于电路中通过一库仑电量时电源所提供的能量，由电源本身决定。
闭合电路 路端电压：U=E-Ir
欧姆定律 欧姆定律：公式：I=E/（R+r）或E=IR+Ir=U外+U内
注意：该定律是能的转化和守恒定律在电学中的特例，E、r由电源本身决定
串联
电路的连接
并联
电功：W=qU=IUt 电功率：P=W/t=IU 焦耳定律：Q=I2Rt
电路中的能量转化 电源：P游=IE；P出=I U端；P内=I2r；IE=I U端+ I2r
用电器：P电=IU P热= I2R
描绘小灯泡的伏安特性曲线
测定金属的电阻率
实验 把电流表改装成伏特表
测定电源的电动势和内电阻
用多用电表探索黑箱内的电学元件
传感器的简单应用
三、本章知识考查特点及高考命题趋势
本章是电路的基础知识,是电学部分的重要内容,高考中对本章内容的考查热点在于①基本概念,例如电流、电动势、功率等.②基本规律,例如欧姆定律、电阻定律、焦耳定律等.③基本方法,例如等效思维方法、动态电路的逻辑分析、电路的故障判断等.另外,本章内容跟日常生活用电联系十分紧密,许多题目都源自日常生活用电的实际,关注这类理论联系实际的题目对考生来说很有必要。本章的知识也容易跟化学中的电解、电镀、电化学腐蚀等内容综合,也容易跟生物中的神经活动内容综合.
本章的复习首先要扎扎实实地打好基础,深刻理解物理概念的含义,正确应用物理规律,并能熟练地进行有关的计算.
要特别注意由于电路某一部分结构的变化而引起电流、电压、电阻、电功率等电路特征量的变化的分析和计算;还要注意能量的转化问题,要从能量转化和守恒的角度去解决这些问题;另外还要掌握好电路的测量和仪表的使用,如滑动变阻器的连接及其作用,电压表、电流表的使用等.
四、课前预习
1.电荷的 移动形成电流,电流的方向规定为
电荷定向移动的方向.电路中,电源外部的电流方向是从电源的 极到 极,电源内部的电流方向是从电源的 极到 极.
2.导体中含有大量的自由电荷.金属导体中的自由电荷是 ,电解液和酸、碱、盐溶液中的自由电荷是
和 .1m3铜内自由电子的个数约为8.5×1028个.
3.金属导体中,自由电子定向运动时的三个速率是:①无规则热运动的平均速率约为 .②定向移动的平均速率约为 .③电场的传播速率约为 .
4.一电子沿顺针方向做匀速圆周运动,周期为10-10s,则等效电流多大?方向怎样?
5.某电解池中,若在2s内各有1.0×1019个二价正离子和2.0×1019个一价负离子通过某截面,那么通过这个截面的电流是( ).
A.0 B.0.8A C.1.6A D.3.2A
6.某金属导体两端的电压为24V,在30s内有36C的电量通过该导体的某个横截面.
(1)在30s内有多少个自由电子通过该导体的横截面?
(2)电流多大? (3)该导体的电阻有多大?
7.如图所示,电路工作时,要测量电路中的电流,需要什么电表?怎样用该电表测量回路中的电流大小?由于电表内阻的影响,测量的电流与测量前电流的真实值有怎样的关系?怎样的情况下测量值可看作与真实值相等?
8.上题中,要测量电阻R1两端的电压,需要什么电表?怎样用该电表测量电阻R1两端的电压?由于电表内阻的影响,测量的电压值与测量前R1两端电压的真实值有怎样的关系?怎样的情况下测量值可看作与真实值相等?
9.(1995?全国)两个定值电阻R1、R2串联后接在输出电压U稳定于12V的直流电源上.有人把一个内阻不是远大于R1、R2的电压表接在R1两端,如图电压表的示数为8V.如果他把此电压表改接在R2两端,则电压表的示数将( )
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)如图电路中,电阻R1、R2、R3的阻值都是1Ω,R4、R5的阻值都是0.5Ω,ab端输入电压U=6V. 当cd端接电压表时,其读数是 V.当cd端接电流表时,其示数是 A.
第二课时　欧姆定律 电阻定律 半导体 超导体
一、考点理解
(一)欧姆定律
1.内容:导体中的电流I跟导体两端的电压U成正比,跟导体的电阻成反比.
2.表达式: 或U=IR.
3.适用范围:对于金属导体导电和电解液导电适用,对气体导电、半导体导电不适用.
4.说明:表达式 中,U为R两端的电压,I为流过R的电流.
(二)电阻定律
1.电阻(R)
(1)金属导体中自由电子在定向移动时,不断地与金属正离子发生碰撞,这种碰撞阻碍自由电子的定向移动,形成电阻.
(2)由 得 ,即导体两端的电压U跟流过导体的电流I成正比,其比值等于导体的电阻.
导体的电阻R与导体两端电压U和流过导体的电流I无关,其大小由导体本身的结构决定.
(3)导体的伏安特性曲线为一条经过坐标原点的直线.如图所示,具有这一伏安特性曲线的电学元件叫做线性元件.
对欧姆定律不适用的导体和器件,电流和电压不成正比,伏安特性曲线不是直线,这种电学元件叫做非线性元件.
2.电阻定律
内容:导体的电阻跟它的长度成正比,跟它的横截面积S成反比,即 .
表达式: .比例常量 为金属导体的电阻率.
3.电阻率( )
(1)电阻率 与导体的长度、横截面积和导体的电阻都无关,只跟导体的有关.
(2)各种材料的电阻率都随温度而变化,金属的电阻率随温度的升高而增大.
不同金属的电阻率随温度的变化情况不同.有的金属电阻率随温度变化显著,电阻温度计就是利用这类金属做成的.有的金属电阻率随温度变化不明显,甚至几乎不受温度的影响,标准电阻就是利用这种材料做成的.
由几种金属形成合金的电阻率大于构成该种合金的任一纯金属的电阻率.
(3)国际单位:欧姆?米,符号Ω?m.
(4)铜的电阻率 的含义是:长为1m、横截面积为1m2的铜导线的电阻是 .
(三)半导体
1.有些材料,它们的导电性能介于导体和绝缘体之间,而且电阻不随温度的升高而增大,反随温度的升高而减小,这种材料称为半导体.
2.半导体的导电特性:光敏特性、热敏特性和掺杂特性,分别用于制成光敏电阻、热敏电阻和晶体管等.
3.由半导体材料制成各种电子元件,已发展成为集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路,半导体材料在现代科学技术中发挥了重要作用.
(四)超导体
1.有的金属导体在温度降低到绝对零度附近时,其电阻率突然减小到零,这种现象叫做超导现象.能够发生超导现象的物质称为超导体.
2.材料由正常状态变为超导状态的温度,叫做超导材料的转变温度.
3.超导材料的应用前景非常诱人,我国科学家在超导材料的研究方面走在世界前列.
二、方法讲解
1.紧扣导体电阻的定义 .
①在导体的温度变化不大或导体的电阻率随温度变化很小的情况下,导体的电阻与U、I无关,其伏安特性为线性关系.处理这类问题运用 来分析解决.
②在导体的温度变化大,或导体的电阻率随温度变化显著,或者半导体R与U、I有关,其伏安特性为非线性关系,但每个电压下仍然有 ,只不过U、I改变,R的值不同.
2.通常用I-U图线(或U-I图线)来描述导体或半导体的伏安特性,要弄清楚特性曲线的意义,从图线上获取所需的信息,伏安特性曲线上每一个点对应一组U、I值, 为该状态下的电阻值,UI为该状态下的电功率.
三、考点应用
例1:如图所示,在相距40km的A、B两地架有两条输电线,电阻共为800Ω.如果在A、B间的某处发生短路,这时接在A地的电压表示数为10V,电流表示数为40mA.求发生短路处距A地有多远?
解析:设A地与短路处的电阻为RX,由欧姆定律 .
A地与短路处的距离可认为A地与短路处单根导线的长度,设这个长度为x,导线的截面积为S,材料的电阻率为 ,由电阻定律 .
而A、B两地间距离L=40km,电阻R=800Ω,同理有
由RX和R的表达式可得
.
即短路处距A地12.5km.
小结:1.将A地与短路处一段导体作为研究对象,由欧姆定律求出它的电阻值是解决问题的关键.
2.输电线路一般由相线和零线两根导线构成,输电线的长度是输电距离的2倍.
3.对同一输电线,电阻率和截面积相同,由电阻定律 知,R与 成正比.
思考:若在A、B间某处发生漏电事故(漏电事故相当于在两点间接了一个电阻),应该怎样估测漏电处与A地的距离?
例2:家用电热驱蚊器中电热部分的主要元件是PTC,它是由钛酸钡等半导体材料制成的电阻器,其电阻率 与温度T的关系图象如图所示.电热驱蚊器的原理是:通电后电阻器开始发热,温度上升,使药片散发出驱蚊药,当电热器产生的热与向外散发的热平衡时,温度达到一个稳定值.由图象可以判定:通电后,PTC电阻器的功率变化情况是 ,稳定时的温度应取 区间的某一值.
解析:通电后应认为电压U不变.随着温度的升高,在T0～T1范围内,电阻率随温度的升高而减小,因此电阻减小,电功率增大,驱蚊器温度持续上升;在T1～T2范围内,电阻率随温度的升高而增大,因此电阻增大,电功率减小.当电热器产生的热与向外散发的热平衡时,温度、电阻、电功率都稳定在某一值.故整个过程功率的变化情况是先增大后减小,最后稳定在某一值,这时温度应在T1～T2间.
例3:影响物质材料电阻率的因素很多,一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大,而半导体材料的电阻率则与之相反,随温度的升高而减小.某课题研究组在研究某种导电材料的用电器件Z的导电规律时,利用如图(a)所示的分压电路测得其电压与电流的关系如表所示:
U/V0.400.600.801.001.201.501.60
I/A0.200.450.801.251.802.813.20
(1)根据表中数据,判断用电器件Z可能属于上述哪类材料？
(2)把用电器件Z接入如图(b)所示的电路中,闭合开关，电流表的读数为1.8A,电池的电动势为3V,内阻不计,试求电阻R的电功率.
（3）根据表中的数据找出该用电器Z的电流随电压变化的规律是I=kυn，试求出n和k的数值，并写出k的单位。
解析:(1)表中所列数据显示,加在电器件Z上电压增大,流过电器件Z的电流随之增大,Z消耗的电功率增大,温度升高,而U与I的比值在减小,即电器件Z的电阻随温度升高而减小,所以Z属于半导体材料.
(2)查表I=1.8A时,Z的电压为1.2V,则R两端电压
UR=E-U2＝3V-1.2V=1.8V
W.
（3）任选表中两组数据代入 中,
0.8=K?0.8n 1.25=k?1n
解得n=2，k=1.25A/V2
即I=1.25υ2
点评:1.半导体材料I与U成非线性关系,为非线性材料.本题的计算结果显示,I=1.25U2.
2.研究物理规律时,根据设想设计物理实验,将大量实验数据列表进行分析,从分析实验数据中探索物理规律.
例4:(2001?广东)图(甲)是在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱的原理简图.箱内的电阻 , , ,Rt为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图(乙)所示.当a、b两端电压Uab＜0时,电压鉴别器会令开关S接通,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度提高;Uab＞0时,电压鉴别器使S断开,停止加热,恒温箱内的温度恒定在
　　A.10℃ B.20℃ C.35℃ D.45℃
解析:将图甲简化为如图丙所示.依题意,恒温箱内温度稳定时,Uab=0.
设电源正、负极的电势分别为 、 ,则电源路端电压为 .且a、b的电势.
.
.
由 , 得 、 、 、 间的关系为 ,或 .代入 、 、 的值,得 时, ,从Rt-t图线上查得 时,t=35℃.
答案:C
点评:图丙所示电路为桥式电路, 时为平衡电桥电路,本题内容为平衡电桥在自动控制中的应用.
四、课堂练习
1.若加在某导体两端的电压变为原来的3/5时,导体中的电流减小了0.4A.如果所加电压变为原来的2倍,则导体中的电流多大?
2.如图所示为A、B两个导体的伏安特性曲线.
(1)A、B电阻之比RA:RB为 .
(2)若两个导体中电流相等(不为零)时,电压之比UA:UB为 .
(3)若两个导体的电压相等(不为零)时,电流之比IA:IB为 .
3.关于超导现象,下列说法正确的是( )
A.超导现象只有在温度降低到绝对零度时才会出现
B.任何物体都可能变为超导体
C.超导体的电阻等于零
D.能够发生超导现象的物质叫做超导体
4.如图所示,厚薄均匀的矩形金属薄片边长ab=10cm,bc=5cm,当将A与B接入电压为U(V)的电路中时,电流强度为1A;若将C与D接入电压为U(V)的电路中,则电流强度为( )
A.4A B.2A C. A D. A
5.人体通过50mA的电流时,就会引起呼吸器官麻痹.如果人体的最小电阻为800Ω,求人体的安全工作电压.根据以上所给的数据说明:为什么人体触到220V的电线时会发生危险,而接触到干电池的两极时却没有感觉?


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