高中物理選修3-1恒定電流壓縮版教材Word版

1、恒定電流電流形成電流的條件電荷的定向移動形成電流這就是說，要形成電流，必須有能夠自由移動的電荷自由電荷金屬中的自由電子，電解液（酸、堿、鹽的水溶液）中的正、負離子，都是自由電荷在什么條件下，自由電荷才能發(fā)生定向移動呢？當導體內(nèi)沒有電場時，導體中大量的自由電荷就像氣體中的分子一樣，不停地做無規(guī)則的熱運動自由電荷向各個方向運動的機會都相等，因而對導體的任一橫截面來說，在一段時間內(nèi)從兩側(cè)穿過這個截面的自由電荷是相等的從宏觀角度來看，導體中的自由電荷沒有定向移動，所以沒有電流電源正極的電勢高，負極的電勢低，兩極之間有電壓把導體的兩端分別接到電源的兩極上，導體中有了電場，兩端也有了電壓，于是導體中的自由

2、電荷在電場力的作用下發(fā)生定向移動，形成電流所以，導體中產(chǎn)生電流的條件是：導體兩端存在電壓干電池、蓄電池、發(fā)電機等都是電源，它們的作用是保持導體兩端的電壓，使導體中有持續(xù)的電流電流的方向?qū)w中的電流可以是正電荷的定向移動，也可以是負電荷的定向移動，還可以是正、負電荷沿相反方向的定向移動習慣上規(guī)定正電荷的定向移動方向為電流的方向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正電荷在電場力作用下從電勢高處向電勢低處運動，所以電流的方向是從電勢高的一端流向電勢低的一端，即在電源外部的電路中，電流的方向是從電源的正極流向負極

3、電流的強弱電流有強弱的不同，電流的強弱用電流這個物理量來表示通過導體橫截面的電荷量q跟通過這些電荷量所用的時間t的比值稱為電流.用I表示電流，則有在國際單位制中，電流的單位是安培，簡稱安，符號是A如果在1s內(nèi)通過導體橫截面的電荷量是1C，導體中的電流就是1A電流的常用單位還有毫安（mA）和微安（A）：1mA10-3A1A10-6A圖示AD表示粗細均勻的一段導體,兩端加以一定的電壓.設導體的橫截面積為S，導體每單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)為n,每個自由電荷所帶的電荷量為q，自由電荷沿導體定向移動的速率為v，則導體中的電流I的微觀表達式：InqvS 方向不隨時間而改變的電流叫做直流方向和強弱都不隨時間而

4、改變的電流叫做恒定電流通常的直流電常常是指恒定電流*自由電子定向移動的速率常溫下金屬中自由電子熱運動的平均速率約為105 m/s可見，在金屬導體中，自由電子只不過在速率巨大的無規(guī)則熱運動上附加了一個速率很小的定向移動既然自由電子的定向移動的速率很小，為什么合上開關，電流會立即傳到遠處，使那里的用電器開始工作呢？這是因為“電流的傳播速率”不是自由電子的定向移動速率，而是電場的傳播速率電場的傳播速率是很大的，它等于光速（3.0×108 m/s）金屬導線中各處都有自由電子，電路一旦接通，導線中便以3.0×108 m/s的速率在各處迅速地建立起電場，在這個電場的作用下，導線各處的自

5、由電子幾乎同時開始做定向移動，整個電路中幾乎同時形成了電流有人認為，電路接通后，自由電子從電源出發(fā)，以定向移動的速率在金屬導線中傳播，等到它們傳到用電器，那里才有電流這種看法是不正確的.歐姆定律歐姆定律 電阻既然需要在導體的兩端加上電壓，導體中才能有電流通過，那么，導體中的電流跟導體兩端的電壓有什么關系呢？德國物理學家歐姆（17871854）通過實驗研究得出結(jié)論：導體中的電流I跟導體兩端的電壓U成正比，即IU通常把這個關系寫成 上兩式中的R是電壓與電流的比值實驗表明，對同一個導體來說，不管電壓和電流的大小怎樣變化，比值R都是恒定的對不同的導體來說，R的數(shù)值一般是不同的這表明，R是一個跟導體本身

6、有關的量導體的R值越大，在同一電壓下通過的電流越小可見，比值R反映導體對電流的阻礙作用，叫做導體的電阻體兩端的電壓U成正比，跟導體的電阻R成反比這就是我們在初中學過的歐姆定律電阻的單位是歐姆，簡稱歐，符號是它是根據(jù)歐姆定律規(guī)定的：如果在某段導體的兩端加上1V的電壓，通過的電流是1A，那么，這段導體的電阻就是1所以，11V/A常用的電阻單位還有千歐（k）和兆歐（M）：1k1031M106導體的伏安特性導體中電流I和電壓U的關系可以用圖線來表示用縱軸表示電流I，用橫軸表示電壓U，畫出的IU圖線叫做導體的伏安特性曲線 在金屬導體中，電流跟電壓成正比，伏安特性曲線是通過坐標原點的直線具有這種伏安特性的

7、電學元件叫做線性元件歐姆定律是在金屬導體的基礎上總結(jié)出來的，對其他導體是否適用，還需要經(jīng)過實驗的檢驗實驗表明，除金屬外，歐姆定律對電解液也適用，但對氣態(tài)導體（如日光燈管中的氣體）和某些導電器件（如晶體管）并不適用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電阻定律 電阻率電阻定律 電阻率導體的電阻是導體本身的一種性質(zhì)，它的大小決定于導體的材料、長度和橫截面積現(xiàn)在用實驗定量地研究這個問題實驗表明，導體的電阻R跟它的長度L成正比，跟它的橫截面積S成反比這就是電阻定律寫成公式，則有式中的比例常量跟導體的材料有關，是一個反映材料導電性能的物理量，稱為

8、材料的電阻率橫截面積和長度都相同的不同材料的導體，值越大，電阻越大當L1m，S1m2時，的數(shù)值等于R值可見，材料的電阻率在數(shù)值上等于這種材料制成的長為1m、橫截面積為1m2的導體的電阻式中R的單位是，L的單位是m，S的單位是m2，所以的單位是·m（歐姆米，簡稱歐米） 幾種導體材料在20時的電阻率從上表可以看出，純金屬的電阻率小，合金的電阻率大連接電路用的導線一般用電阻率小的鋁或銅來整理，電爐、電阻器的電阻絲一般用電阻率大的合金來整理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電阻溫度計就是利用金屬的電阻隨溫度變化而制成的常用的電阻溫度計是利用金屬鉑做的已知鉑絲的電阻隨

9、溫度的變化情況，測出鉑絲的電阻就可以知道溫度有些合金如錳銅合金和鎳銅合金的電阻率幾乎可不受溫度變化的影響，常用來整理標準電阻半導體我們知道，容易導電的物體稱為導體，不容易導電的物體稱為絕緣體其實，導體和絕緣體之間沒有絕對的界限絕緣體并非絕對不導電，只是絕緣體的電阻率很大在室溫下，金屬導體的電阻率一般約為10-8·m10-6·m，絕緣體的電阻率一般約為108·m1018·m長為1m、橫截面積為1×10-4m2的一段絕緣體，兩端加以1V電壓，通過的電流約為10-14A10-4A可見電流是多么微小了有些材料，它們的導電性能介于導體和絕緣體之間，而且電

10、阻不隨溫度的增加而增加，反隨溫度的增加而減小，這種材料稱為半導體，半導體的電阻率約為10-5·m106·m鍺、硅、砷化鎵、銻化銦等都是半導體材料半導體的導電性能可以由外界條件所控制，如改變半導體的溫度，使半導體受到光照，在半導體中加入其他微量雜質(zhì)等，都可以使半導體的導電性能成百萬倍地發(fā)生變化這種性能是導體和絕緣體所沒有的正因為半導體具備這種特性，人們用半導體制成了熱敏電阻、光敏電阻、晶體管等各種電子元件，并且發(fā)展成為集成電路把晶體管以及電阻、電容等元件，同時整理在很小的一塊半導體晶片上，并且把它們按照電子線路的要求連接起來，使之成為具有一定功能的電路，這就是集成電路在超大規(guī)

11、模集成電路中，在面積比小拇指的指甲還小的一塊半導體晶片上可以集成上百萬個電子元件集成電路的制成開辟了微電子技術的時代集成電路的制成，微電子技術的發(fā)展，使電子計算機得以更新?lián)Q代，由20世紀40年代約為30噸重的第一臺龐大的電子計算機發(fā)展成為今天日益普及的個人計算機個人計算機中的處理器（包括運算器和控制器）、存儲器都是由大規(guī)模集成電路制成的半導體，它在現(xiàn)代科學技術中發(fā)揮了重要的作用超導體金屬的電阻率隨溫度的降低而減小人們發(fā)現(xiàn)，有些物質(zhì)當溫度降低到絕對零度附近時，它們的電阻率會突然減小到無法測量的程度，可以認為它們的電阻率突然變?yōu)榱氵@種現(xiàn)象叫做超導現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導現(xiàn)象的物質(zhì)稱為超導體材料由正常狀態(tài)

12、轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度，叫做超導材料的轉(zhuǎn)變溫度Tc例如鉛的轉(zhuǎn)變溫度Tc7.0K，水銀的轉(zhuǎn)變溫度Tc4.2K，鋁的轉(zhuǎn)變溫度Tc1.2K，鎘的轉(zhuǎn)變溫度Tc=0.6K超導體的電阻率幾乎為零，如果用超導體材料制成一個閉合線圈，在這個線圈里一旦激發(fā)出電流，不需要電源，電流就可以持續(xù)幾十天之久而不減小，并且發(fā)熱的功率很小在遠距離輸電中，在很長的輸電線上白白地消耗掉大量的電能，如果使用超導輸電線，將可避免電能的大量消耗在大型的電磁鐵和電機中，通過線圈的電流很強，損耗的電能很多如果用超導材料做成線圈，耗損的功率大大降低，則可以制成強大功率的超導電磁鐵和超導電機各種電子器件如果能實現(xiàn)超導化將會大大提高它們的性能電

13、子計算機實現(xiàn)超導化，將使個人計算機具有超級計算機的性能超導體的應用具有十分誘人的前景超導材料的轉(zhuǎn)變溫度很低，要維持這樣低的溫度，在技術上是非常困難的幾十年來，科學家們積極進行高溫超導的研究我國的研究工作走在世界的前列，在1989年，我國科學家發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度Tc=130K的超導材料目前在世界范圍內(nèi)掀起了高溫超導研究的熱潮，期望得到在室溫下就能工作的超導材料以便使它能有廣泛的實際應用電功和電率 電功和電率電流通過一段電路時，自由電荷在電場力的作用下發(fā)生定向移動，電場力對自由電荷做功設一段電路兩端的電壓為U，通過的電流為I在時間t內(nèi)將電荷q由這段電路的一端移動到另一端，電場力所做的功WqU，而qIt

14、，所以W=UIt （1）在一段電路中電場力所做的功，也就是通常說的電流所做的功，簡稱電功單位時間內(nèi)電流所做的功叫做電功率用P表示電功率，則有電壓U、電流I和通電時間t的單位分別是V、A和s，由（1）式和（2）式求出的電功W和電功率P的單位分別是J和W電功率和熱功率電場力對電荷做功的過程，是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的過程在真空中，正電荷由電勢高的某處移向電勢低的另一處時，電場力對電荷做正功，電荷做加速運動，減少的電勢能轉(zhuǎn)化為電荷的動能在電阻元件中電能的轉(zhuǎn)化情況與真空中有所不同在金屬導體中，除了自由電子，還有金屬正離子在電場力的作用下，做加速定向移動的自由電子要頻繁地與離子發(fā)生碰撞，并把定向移動的動

15、能傳給離子，使離子的熱運動加劇平均起來看，可以認為大量自由電子以某一不變的速率做定向移動可見，在電阻元件中，通過自由電子與離子的碰撞，電能完全轉(zhuǎn)化成內(nèi)能如果在一段電路中只有電阻元件，在這段電路中電場力所做的功W等于電流通過這段電路時發(fā)出的熱量Q，即QWUIt由歐姆定律UIR，熱量Q的表達式可寫成Q=I2Rt （3）這個關系最初是焦耳用實驗直接得到的，這就是我們在初中學過的焦耳定律單位時間內(nèi)發(fā)熱的功率PQ/t通常稱為熱功率由（3）式可得熱功率為P=I2R （4）（1）式和（3）式，或者（2）式和（4）式，意義是不同的（2）式表示輸入給一段電路的全部電功率，或者說在這段電路上消耗的全部電功率（4）

16、式是這段電路上因發(fā)熱而消耗的功率在電路中只有電阻元件時，二者是相等的當電路中有電動機、電解槽等用電器時，電能要分別轉(zhuǎn)化成機械能、化學能等，只有一部分轉(zhuǎn)化成內(nèi)能，這時電功率大于熱功率，二者并不相等例如一臺電動機，額定電壓是220V，線圈電阻是0.4，在額定電壓下通過的電流是50A在額定電壓下輸入給電動機的電功率PUI11kW，熱功率P=I2R=1kW，大部分電能（功率為10kW）轉(zhuǎn)化成機械能串聯(lián)電路和并聯(lián)電路串聯(lián)電路把若干個電阻或電學元件一個接一個地連接起來，這種連接方式叫做串聯(lián)在串聯(lián)電路中，電流只能沿著一條通路流過各個電阻，所以串聯(lián)電路中各處的電流相同電流通過串聯(lián)電路的各個電阻時，沿電流方向每

17、通過一個電阻，電勢就要降低一定的數(shù)值，因此電阻兩端的電壓又叫做電勢降串聯(lián)電路兩端的電壓等于各個電阻兩端的電壓之和設串聯(lián)電路有n個電阻，則有U=U1+U2+Un （1）串聯(lián)電路中的n個電阻可以設想用這樣一個電阻R來代替，當把電阻R連入電路中時，在相同的電壓下，通過電路的電流跟原來的相同，電阻R叫做串聯(lián)電路的等效電阻或總電阻根據(jù)歐姆定律可得，上式表示，串聯(lián)電路的總電阻等于各個電阻之和由U1IR1，U2IR2UnIRn可得上式表示，串聯(lián)電路中電壓的分配與電阻成正比串聯(lián)電路中的每個電阻都分擔了一部分電壓，阻值越大的電阻，分擔的電壓越大 各個電阻上消耗的功率分別為P1I2R1，P2I2R2PnI2Rn由

18、此可得上式表示，串聯(lián)電路中功率的分配與電阻成正比在串聯(lián)電路中，阻值越大的電阻，消耗的功率越大【例題1】 有一盞弧光燈，額定電壓U140V，正常工作時通過的電流I5.0A應該怎樣把它連入U220V的家庭電路中，它才能正常工作？分析 解答并聯(lián)電路把若干個電阻或電學元件并列地連接起來，這種連接方式叫做并聯(lián)并聯(lián)電路的各個支路有兩個公共接點A和B，支路中每個電阻兩端的電壓都等于A、B兩點間的電壓，所以并聯(lián)電路各個支路兩端的電壓相同實驗表明，流入A點的電流I等于從該點流出的電流I1、I2、I3之和，即并聯(lián)電路干路中的電流等于各個支路中的電流之和設并聯(lián)電路有n個支路，則有I=I1+I2+In （1）并聯(lián)的n

19、個電阻也可以設想用一個電阻R來代替，電阻R叫做并聯(lián)電路的等效電阻或總電阻根據(jù)歐姆定律可得,上式表示，并聯(lián)電路總電阻的倒數(shù)等于各個電阻倒數(shù)之和由并聯(lián)電路各個支路兩端的電壓U相同，以及歐姆定律可得上式表示，并聯(lián)電路各個支路中電流的分配與電阻成反比支路中的電阻越小，通過的電流越大各支路電阻上消耗的功率分別為P1U2/R1，P2U2/R2PnU2/Rn，由此可得P1R1=P2R2=PnRn=U2 （4）上式表示，并聯(lián)電路中功率的分配與電阻成反比由這個功率分配關系知道，并聯(lián)在家庭電路中的額定電壓相同（220V）的燈泡，額定功率大的，燈絲電阻小【例題2】 有一個電阻元件R1=100，允許通過的最大電流為5

20、mA在圖1517所示的并聯(lián)電路中，已知干路中的電流I1A，并聯(lián)電阻R2應為多大？分析 解答電壓表和電流表電壓表和電流表常用的電壓表和電流表都是由小量程的電流表G（表頭）改裝而成的常用的表頭主要由永磁鐵和放入永磁鐵磁場中的可轉(zhuǎn)動的線圈組成當線圈中有電流通過時，線圈在磁場力的作用下帶著指針一起偏轉(zhuǎn)電流越大，指針偏轉(zhuǎn)的角度越大，由指針在標有電流值的刻度盤上所指的位置就可以讀出通過表頭的電流值由歐姆定律知道，通過表頭的電流跟加在表頭兩端的電壓成正比如果在刻度盤上標出電壓值，由指針所指的位置就可以讀出加在表頭兩端的電壓值電流表G的電阻Rg通常叫做電流表的內(nèi)阻指針偏轉(zhuǎn)到最大刻度時的電流Ig叫做滿偏電流電流

21、表G通過滿偏電流時，加在它兩端的電壓Ug叫做滿偏電壓由歐姆定律可知，UgIgRg電流表G的滿偏電壓和滿偏電流一般都比較小，測量較大電壓時要串聯(lián)分壓電阻把電流表改裝成電壓表，測量較大電流時要并聯(lián)分流電阻把小量程的電流表改裝成大量程的電流表【例題1】 有一電流表G，內(nèi)阻Rg10，滿偏電流Ig3mA把它改裝成量程為3V的電壓表，要串聯(lián)一個多大的分壓電阻？分析 解答【例題2】 有一電流表G，內(nèi)阻Rg25，滿偏電流Ig3mA把它改裝成量程為0.6A的電流表，要并聯(lián)一個多大的分流電阻？分析 解答滑動變阻器初中學過滑動變阻器，滑動變阻器有兩種用途，一種是限流，移動滑片P可以改變連入電路中的電阻值，從而可以控

22、制負載R中的電流另一種是分壓移動滑片P可以改變加在負載R上的電壓【例題】 在圖中所示的電路中，U6V，變阻器的電阻R50，負載電阻R100（1）滑片P移到A端時，R上的電壓是多大？滑片P移到B端時，R上的電壓是多大？滑片P在AB的中點時，R上的電壓是多大？（2）滑片從A端向B端移動時，R上的電壓怎樣變化？分析 解答電動勢 閉合電路歐姆定律電動勢我們知道，從能量轉(zhuǎn)化的觀點來看，電源是把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的裝置干電池、蓄電池把化學能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機把機械能轉(zhuǎn)化為電能把電源連接到電路中，電路中就有了電流，由于電流做功，由電源提供的電能在電路中轉(zhuǎn)化為其他形式的能量不同類型的電源把其他形式的能量

23、轉(zhuǎn)化為電能的本領是不同的我們用一個叫做電動勢的物理量來表示電源的這種特性在電路中通過單位電荷時電源所提供的電能在數(shù)值上等于電源的電動勢，電動勢通常用E來表示設電路中通過的電荷量為q，電源所提供的電能為W，則有，復習一下電勢和電勢差的定義及其單位，就會知道，電動勢的單位也是伏特我們在初中所說的電源的電壓，其實指的是電源的電動勢干電池的電動勢為1.5V，這表示在干電池的電路中每通過1C的電荷量，干電池提供的電能為1.5J鉛蓄電池的電動勢為2.0V，這表示在鉛蓄電池的電路中每通過1C的電荷量，鉛蓄電池提供的電能為2.0J閉合電路歐姆定律把電源接入電路，閉合電路中就有了電流閉合電路可以看作是由兩部分組

24、成的一部分是電源外部的電路，叫做外電路外電路的電阻通常稱為外電阻另一部分是電源內(nèi)部的電路，叫做內(nèi)電路電流通過內(nèi)電路時，例如通過發(fā)電機線圈的導線或通過電池內(nèi)部的溶液時，要受到阻礙作用，所以內(nèi)電路也有電阻內(nèi)電路的電阻通常稱為電源的內(nèi)阻閉合電路中有電流通過時，在外電路和內(nèi)電路中，電源提供的電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量設電路中有電流通過時電源提供的電能為W，外電路中消耗的電能為W1，內(nèi)電路中消耗的電能為W2，則由能量守恒定律可知，WW1+W2設電路中通過的電流為I由電動勢的定義可知，電源提供的電能WEqEIt設外電路為電阻電路，外電阻為R，由焦耳定律可知，外電路中消耗的電能W1I2Rt設內(nèi)阻為r，由焦耳定

25、律可知，內(nèi)電路中消耗的電能W2I2rt代入上式可得EItI2Rt+I2rt消去t，解出I，可得上式表示，閉合電路中的電流跟電源的電動勢成正比，跟內(nèi)、外電路中的電阻之和成反比這個結(jié)論通常叫做閉合電路的歐姆定律電動勢跟電路中電壓的關系電路中有電流通過時，電路的各部分都有電壓現(xiàn)在我們來研究電源的電動勢跟電路各部分電壓的關系由（1）式可得E=IR+Ir設外電路兩端的電壓為U，內(nèi)電路的電壓為U由歐姆定律知道，UIR，UIr上式可以寫成EUU （2）外電路兩端的電壓通常稱為外電壓，外電壓也叫路端電壓，內(nèi)電路的電壓通常稱為內(nèi)電壓上式表示，電源的電動勢等于外電壓和內(nèi)電壓之和【例題1】 在圖中所示的電路中，電源

26、的電動勢為1.5V，內(nèi)阻0.12，外電路的電阻為1.38，求電路中的電流和路端電壓解答路端電壓跟外電阻的關系用電器都是接在外電路中的，電源的“有效”電壓是路端電壓，所以研究路端電壓的變化規(guī)律是很重要的實驗表明，當外電阻減小時，電流增大，路端電壓減小就某個電源來說，電動勢E和內(nèi)阻r是一定的由（1）式可知，當外電阻R改變時，電路中的電流I要發(fā)生改變現(xiàn)在把（2）式改寫為UEUEIr （3）可見，當電路中的電流I發(fā)生改變時，路端電壓U發(fā)生改變現(xiàn)在我們根據(jù)來討論路端電壓的變化規(guī)律當外電阻R減小時，可知I增大，內(nèi)電壓UIr增大，路端電壓U減小當外電路短路時，R趨近于零，I趨近于E/r，路端電壓U趨近于零電

27、源的內(nèi)阻一般都很小，例如鉛蓄電池的內(nèi)阻只有0.0050.1，所以短路時電流很大電流太大會燒壞電源，還可能引起火災，一定要注意防止當外電阻R增大時，可知I減小，內(nèi)電壓UIr減小，路端電壓U增大當外電路斷開時，R變?yōu)闊o限大，I變?yōu)榱?，Ir也變?yōu)榱悖琔E這就是說，開路時的路端電壓等于電源的電動勢圖示為路端電壓U與電流I的關系曲線，也就是（3）式的函數(shù)圖象這種關系曲線反映出電源的特性，是一條向下傾斜的直線當R變?yōu)闊o限大時，I0，UE隨著R的減小，I逐漸增大，U逐漸減小直線傾斜的程度跟內(nèi)阻r有關系內(nèi)阻越大，傾斜得越厲害內(nèi)阻越小，這條直線越平；內(nèi)阻趨于零時，這條直線趨近于跟橫軸平行，這表示不論電流是多大，路端電壓總等于電源的電動勢閉合電路中的功率在EUU的兩端乘以電流I，得到EIUIUII2RI2r （4）上式中I2R是外電阻上消耗的熱功率，I2r是內(nèi)阻上消耗的熱功率EIWIqWt，是單位時間內(nèi)電源提供的電能上式表示電源提供的電能，一部分消耗在內(nèi)阻上，其余部分輸出到外電路中【例題2】