電工基礎(第3版)3課件

第二章電路的基本知識第二章電路的基本知識電路在日常生活中無處不在，它是由實際元器件按一定方式連接起來的電流路徑。本章將介紹電路的基本概念、電路中的基本物理量、歐姆定律、焦耳-楞次定律、常用儀器儀表的使用及電路基本物理量的測量等內(nèi)容?！緦W習目標】掌握電路、電路模型的基本概念及電路的狀態(tài)。掌握電路中的基本物理量及其意義。掌握電源與電源電動勢的基本概念。掌握電阻和歐姆定律，理解負載獲得最大功率的條件。掌握焦耳-楞次定律。掌握常用儀器儀表的使用方法及電路基本物理量的測量方法。·本章學習目標·電路在日常生活中無處不在，它是由實際元器件按一定方式連接起來觀察與思考當你打開電視機欣賞精彩節(jié)目的時候，供電線路和電視機內(nèi)部的控制電路等就構(gòu)成了一個閉合的電流通路，這樣眩目的聲光效果就產(chǎn)生了！這就是生活中最常見的一個電路，如圖2-1所示。你還能列舉出電路的例子嗎？觀看“打開電視機構(gòu)成閉合回路.swf”動畫，該動畫演示了電視機的電路組成和電視機電路的效果。圖2-1觀察與思考當你打開電視機欣賞精彩節(jié)目的時候，供電線路和電視機章節(jié)目錄2.1電路和電路模型2.2電路中的基本物理量2.3電源與電動勢2.4電阻和歐姆定律2.5負載獲得最大負載功率的條件2.6焦耳-楞次定律2.7實驗1儀器儀表的認識2.8實驗2電阻的認識和測量2.9思考與練習章節(jié)目錄2.1電路和電路模型2.1電路和電路模型2.1.1電路大家一定列舉了很多現(xiàn)實生活中電路的例子吧，這些電路類型多種多樣，結(jié)構(gòu)形式也各不相同。但從大的方面來看，電路一般都是由電源、負載和中間環(huán)節(jié)3部分按照一定方式連接起來的電流路徑，如圖2-2所示：圖2-22.1電路和電路模型2.1.1電路大家一定列舉了很多現(xiàn)實電源是電路中提供電能的裝置，含有交流電源的電路叫交流電路，含有直流電源的電路叫直流電路。常見的直流電源有干電池、蓄電池、直流發(fā)電機等，如圖2-3所示：負載是各種用電設備的總稱，它是將電能或電信號轉(zhuǎn)化為需要的其他形式的能量或信號的器件。例如，電燈將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，電動機將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。如圖2-4所示：圖2-4圖2-3電源是電路中提供電能的裝置，含有交流電源的電路叫交流電路，含連接電源和負載的部分統(tǒng)稱為中間環(huán)節(jié)，它起傳輸和分配電能的作用。中間環(huán)節(jié)包括導線、電器控制的元器件等。導線是連接電源、負載和其他電器元器件的金屬線，常用的有銅導線、鋁導線等。如圖2-5所示：電器控制元器件是對電路進行控制的元器件，如圖2-6所示的空氣開關、熔斷器等。如下圖所示：空氣開關熔斷器圖2-5圖2-6連接電源和負載的部分統(tǒng)稱為中間環(huán)節(jié)，它起傳輸和分配電能的作用觀看“電路組成及各部分功能.swf”動畫，該動畫演示了電路的組成及電路中電源、負載和中間環(huán)節(jié)的作用和功能。觀看“電路組成及各部分功能.swf”動畫，該動畫演示了電路實際應用中電路實現(xiàn)的功能是多種多樣的，但從總體上可概括為如下兩方面。（1）進行電能的傳輸、分配與轉(zhuǎn)換，如圖2-7(a)所示的電力系統(tǒng)輸電電路示意。其中，發(fā)電機是電源，家用電器、工業(yè)用電器等是負載，而變壓器、輸電線等則是中間環(huán)節(jié)。（2）信號的傳遞與處理，如圖2-7(b)所示的擴音機示意。其中，話筒是輸出信號的設備，稱為信號源，相當于電源；但與上述的發(fā)電機、電池等電源不同，信號源輸出的電壓或電流信號是取決于其所加信息的。揚聲器是負載，放大器等則是中間環(huán)節(jié)。圖2-7實際應用中電路實現(xiàn)的功能是多種多樣的，但從總體上可概括為如下觀看“電力系統(tǒng)示意圖.swf”動畫，該動畫演示了電力系統(tǒng)的組成。觀看“擴音機電路示意圖.swf”動畫，該動畫演示了擴音機電路的組成。觀看“電力系統(tǒng)示意圖.swf”動畫，該動畫演示了電力系統(tǒng)的2.1.2電路模型采用圖2-7所示的電路示意圖進行電路分析和計算的方法是很不方便的，故通常人們采用一些簡單的理想元器件來代替實際部件。這樣一個實際電路就可以由若干個理想元件的組合來模擬，這樣的電路稱為實際電路的電路模型。將實際電路中各個部件用其模型符號來表示，這樣畫出的電路圖稱為實際電路的電路模型圖，也稱作電路原理圖，圖2-8所示為手電筒電路及其電路模型圖。圖2-8手電筒電路及其電路模型圖2.1.2電路模型采用圖2-7所示的電路示意圖進行電路分析和觀看“手電筒電路模型swf

”動畫，該動畫演示了手電筒電路的組成及其電路模型。觀看“手電筒電路模型swf”動畫，該動畫演示了手電筒電路的建立電路模型的意義十分重要，運用電路模型可以大大簡化電路的分析，電路模型圖中常用的元器件符號如表2-1所示。電路圖常用的元器件符號表2-1建立電路模型的意義十分重要，運用電路模型可以大大簡化電路的分2.1.3電路的狀態(tài)電路有3種狀態(tài)，如圖2-9所示圖2-92.1.3電路的狀態(tài)電路有3種狀態(tài)，如圖2-9所示圖2-9（1）工作狀態(tài)，也稱為有載狀態(tài)或通路、閉路等。在如圖2-9（a）所示的電路中，當開關S閉合后，電源與負載接成閉合回路，電源處于有載工作狀態(tài)，電路中有電流流過，如圖2-10所示。（2）開路狀態(tài)，或者稱斷路狀態(tài)。在如圖2-9（b）所示的電路中，當開關S斷開或電路中某處斷開時，電路處于開路狀態(tài)，被切斷的電路中沒有電流流過，如圖2-11所示。被拉閘的電動機如圖2-12所示。圖2-10電路的工作狀態(tài)圖2-11電路的開路狀態(tài)圖2-12被拉閘的電動機（1）工作狀態(tài)，也稱為有載狀態(tài)或通路、閉路等。在如圖2-9（（3）短路狀態(tài)，在如圖2-9（c）所示的電路中，當a、b兩點接通，電源被短路，此時電源的兩個極性端直接相連。電源被短路時會產(chǎn)生很大的電流，有可能造成嚴重后果，如導致電源因大電流而發(fā)熱損壞或引起電氣設備的機械損傷等，因此要絕對避免電源被短路，如圖2-13所示。

圖2-13電路的短路狀態(tài)觀看“電路的3種狀態(tài).swf

”動畫，該動畫演示了電路的工作、開路和短路3種狀態(tài)的特點。注：電路中可以出現(xiàn)短路，有時還可以利用短路現(xiàn)象解決一些實際問題，但是電源是絕對不允許短路的，一定要避免電源被短路。（3）短路狀態(tài)，在如圖2-9（c）所示的電路中，當a、b兩點（1）列舉一個電路實例，并說明電路是由哪幾部分組成的？（2）畫出所列舉的電路實例的電路模型圖，說明電路圖的基本功能。（3）簡述電路的3種工作狀態(tài)，列舉實際電路不同的情況下對應的不同狀態(tài)?！菊n堂練習】（1）列舉一個電路實例，并說明電路是由哪幾部分組成的？【課堂2.2電路中的基本物理量2.2.1電流金屬導體中的自由電子是運動的，并且是在做無序不規(guī)則的運動。當存在外電場時，金屬導體中的自由電子在電場力作用下就會發(fā)生定向移動，這就形成了電流，如圖2-14所示，即電荷在電路中有規(guī)則的定向移動就形成了電流。此外，電解液中正負離子在電場力作用下的移動，陰極射線管中的電子流等，都能夠形成電流。圖2-14電流形成示意圖2.2電路中的基本物理量2.2.1電流金屬導體中的自由電因此，產(chǎn)生電流必須具備如下兩個條件：（1）導體內(nèi)要有做定向移動的自由電荷，這是形成電流的內(nèi)因。（2）要有使自由電荷做定向移動的電場，這是形成電流的外因。電流表示的是一種物理現(xiàn)象，同時電流還是一個表示帶電粒子定向運動能力強弱的物理量，其示意圖如圖2-15所示。圖2-15電流物理量的示意圖觀看“電流形成示意圖.swf”動畫，該動畫演示了電流形成的原因及示意圖。觀看“電流物理量定義.swf”動畫，該動畫演示了電流物理量的定義及示意圖。因此，產(chǎn)生電流必須具備如下兩個條件：圖2-15電流物理量實驗結(jié)果證明：單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷越多，流過導體的電流越強；反之，電流就越弱。電流的符號為I，其數(shù)值等于單位時間內(nèi)通過導體截面的電荷量，用公式表示為：(2-1)在國際單位制中，電流的基本單位是安培，簡稱安，符號為A。如果在1秒（s）內(nèi)通過導體橫截面的電荷是1庫侖（C），則導體中的電流就是1安（A）。實驗結(jié)果證明：單位時間內(nèi)通過導體橫截面的電荷越多，流過導體的常用的電流單位還有千安（kA）、毫安（mA）、微安（mA）等，它們之間的換算關系如下：(2-2)電流不但是有大小，而且還是有方向的。規(guī)定正電荷定向運動的方向為電流的方向。對于一段電路來說，其電流的方向是客觀存在的，是確定的，但在具體分析電路時，有時很難判斷出電流的實際方向。為解決這一問題，引入電流參考方向的概念，其具體分析步驟如下:（1）在分析電路前，可以任意假設一個電流的參考方向，如圖2-16中I的方向。圖2-16電流的參考方向常用的電流單位還有千安（kA）、毫安（mA）、微安（mA）等（2）參考方向一經(jīng)選定，電流就成為一個代數(shù)量，有正、負之分。若計算電流結(jié)果為正值，則表明電流的設定參考方向與實際方向相同，如圖2-16(a)所示；若計算電流結(jié)果為負值，則表明電流的設定參考方向與實際方向相反，如圖2-16(b)所示。圖2-16電流的參考方向觀看“電流參考方向.swf”動畫，該動畫演示了電流參考方向的概念以及電流參考方向的具體分析步驟。注：在未設定參考方向的情況下，電流的正負值是毫無意義的，本書電路圖中所標注的電流方向都是參考方向，而不一定是電流的實際方向。（2）參考方向一經(jīng)選定，電流就成為一個代數(shù)量，有正、負之分。電流的參考方向除了可以用箭頭表示外，還可以用雙下標表示，如Iab表示電流的參考方向為由a指向b，而Iba表示電流的參考方向為由b指向a。按照隨時間變化的情況，電流可以分為如下兩大類：（1）直流電流，即電流的方向不隨時間變化，記作DC，用I表示。（2）交流電流，其電流方向隨時間變化，記作AC，用i表示。直流電流中電流的大小隨時間變化，而方向不隨時間變化的稱為脈動直流電流，如正弦波脈動直流電流、三角波脈動直流電流等。圖2-17所示為電流的幾種類型。圖2-17電流的幾種類型電流的參考方向除了可以用箭頭表示外，還可以用雙下標表示，如I【例2-1】請說明圖2-18所示電流的實際方向。圖2-18例2-1圖解：圖2-18（a）所示電流的參考方向為由a到b，I=2A>0，為正值，說明電流的實際方向和參考方向相同，即從a到b。圖2-18（b）所示電流的參考方向為由a到b，I=?2A<0，為負值，說明電流的實際方向和參考方向相反，即從b到a。圖2-18（c）所示電流的參考方向為由b到a，I

=

2A>0，為正值，說明電流的實際方向和參考方向相同，即從b到a。圖2-18（d）所示電流的參考方向為由b到a，I

=?2A<0，為負值，說明電流的實際方向和參考方向相反，即從a到b。【例2-1】請說明圖2-18所示電流的實際方向。圖2-12.2.2電壓金屬導體中自由電子的運動是雜亂無章的，沒有外部電場的作用是無法形成電流的。當存在外電場時，電場力將迫使自由電子做定向移動，即形成電流。此時，電場力要對電荷做功，如圖2-19所示。A、B是兩個電極，A帶正電，B帶負電，這樣在A和B之間就會產(chǎn)生電場，方向由A指向B。如果用導線將A和B兩極通過燈泡連接起來，燈泡就會發(fā)光，這說明燈絲中有電流通過。原來，電場力移動電荷從A點經(jīng)過導線流向B點形成了電流，對電荷做了功。圖2-19電壓的概念觀看“電壓的概念.swf

”動畫，該動畫演示了電壓形成的原因及電壓的概念。2.2.2電壓金屬導體中自由電子的運動是雜亂無章的，沒有為了衡量電場力對電荷做功的能力，引入了電壓這個物理量。電場力將單位正電荷從A點移到B點所做的功，叫做電壓，記作：(2-3)式中，W—電場力由A點移動電荷到B點所做的功，單位焦耳（J）。q—由A點移到B點的電荷量，單位庫侖（C）?！狝、B兩點間的電壓。

在國際單位制中，電壓的單位是伏特，簡稱伏，符號為V。如果將1庫侖（C）正電荷從A點移到B點，電場力所做的功為1焦耳（J），則A和B兩點間的電壓為1伏（V）。為了衡量電場力對電荷做功的能力，引入了電壓這個物理量。電場力常用的電壓單位還有千伏（kV）、毫伏（mV）和微伏（mV），它們之間的換算關系為:(2-4)電壓同電流一樣，不但有大小，也是有方向的。電壓的方向總是對電路中的兩點而言的，如果正電荷從a點移動到b點是釋放能量，則a點為高電位，b點為低電位。規(guī)定電壓的實際方向是由高電位指向低電位的方向。電壓方向可以用箭頭來表示，也可以用雙下標表示，雙下標中前一個字母代表正電荷運動的起點，后一個字母代表正電荷運動的終點，電壓的方向則由起點指向終點。除此之外還可以用“+”、“?”符號來表示電壓的方向。圖2-20所示為電壓方向的3種表示方法。圖2-20電壓方向的3種表示方法常用的電壓單位還有千伏（kV）、毫伏（mV）和微伏（mV），觀看“電壓的表示方法及方向.swf”動畫，該動畫演示了電壓方向的3種表示方法。注：電壓與電流一樣，電路中任意兩點之間的電壓的實際方向往往不能預先確定，因此在對電路進行分析計算之前，先要設定該段電路電壓的參考方向。若計算電壓結(jié)果為正值，則說明電壓的參考方向與實際方向一致；若計算電壓結(jié)果為負值，則說明電壓的參考方向與實際方向相反。觀看“電壓的表示方法及方向.swf”動畫，該動畫演示了電壓【例2-2】元件R上的電壓參考方向如圖2-21所示，請說明電壓的實際方向圖2-21例2-2圖解：圖2-21（a）中因U

=

4V>0，為正值，說明電壓的實際方向和參考方向相同，即從a到b。圖2-21（b）中因U

=?4V>0，為負值，說明電壓的實際方向和參考方向相反，即從b到a。圖2-21（c）中因U

=

4V>0，為正值，說明電壓的實際方向和參考方向相同，即從b到a。圖2-21（d）中因U

=?4V>0，為負值，說明電壓的實際方向和參考方向相反，即從a到b。【例2-2】元件R上的電壓參考方向如圖2-21所示，請說【例2-3】設一正電荷的電荷量為0.003C，它在電場中由a點移到b點時，電場力所做的功為0.06J，試求a和b兩點間的電壓？另有一正電荷的電荷量為0.04C，此電場力把它由a點移到b點，所做的功是多少？答：a和b兩點間的電壓為20V，移動0.04C正電荷所做的功為0.8J?！纠?-3】設一正電荷的電荷量為0.003C，它在電場中2.2.3電位在電路中任選一個參考點，電路中某一點到參考點的電壓就稱為該點的電位。電位的符號用V表示。在如圖2-22（a）所示的電路中，A點和參考點O間的電壓UAO稱為A點的電位，記作VA，電位的單位也是伏特（V）。要注意以下內(nèi)容：電壓和電位都是表征電路能量特征的物理量，兩者有聯(lián)系也有區(qū)別。電壓是指電路中兩點之間的電位差。因此，電壓是絕對的，它的大小與參考點的選擇無關。電位是相對的，它的大小與參考點的選擇有關。圖2-22電位示意圖2.2.3電位在電路中任選一個參考點，電路中某一點到參考（1）參考點的選擇是任意的，電路中各點的電位都是相對于參考點而言的。（2）通常規(guī)定參考點的電位為零，因此參考點又叫做零電位點。比參考點高的電位為正，比參考點低的電位為負，如圖2-22（b）所示。（3）在一般的電子線路中，通常將電源的一個極作為參考點；在工程技術中則選擇電路的接地點為參考點。圖2-22電位示意圖由電位的定義可知，電位實際就是電壓，只不過電壓是指任意兩點之間，而電位則是指某一點和參考點之間的電壓。電路中任意兩點之間的電壓即為此兩點之間的電位差，如a、b兩點之間的電壓可記為：（1）參考點的選擇是任意的，電路中各點的電位都是相對于參考點根據(jù)Va和Vb的大小，上式可以有以下3種不同情況（1）當時，說明a點的電位Va高于b點電位Vb。（2）當時，說明a點的電位Va低于b點電位Vb。（3）當時，說明a點的電位Va等于b點電位Vb觀看“電位的概念.swf

”動畫，該動畫演示了電位的概念及電壓與電位的不同。根據(jù)Va和Vb的大小，上式可以有以下3種不同情況（1）當【例2-4】在圖2-23所示電路中，已知試分別以a點和c點作參考點，求b點的電位和b、c兩點間的電壓。圖2-23例2-4圖【例2-4】在圖2-23所示電路中，已知注：若選擇不同的參考點，則同一點的電位是不一樣的，但是任何兩點間的電壓不會隨參考點的不同而變化。注：若選擇不同的參考點，則同一點的電位是不一樣的，但是任何兩2.2.4電能和電功電能是實際存在的電力所具備的能量，它是通過其他形式的能量轉(zhuǎn)化而來的，如通過火力發(fā)電、水力發(fā)電、風力發(fā)電、太陽能發(fā)電以及各種電池將不同形式的能轉(zhuǎn)化的電能等，供工業(yè)生產(chǎn)和日常生活使用，如圖2-24（a）所示。當在導體兩端加上電壓時，導體內(nèi)就建立了電場。電場力在推動自由電子定向移動過程中要做功，也稱電流做功，電流所做的功就是電功。電流做功的過程就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量的過程，如電流通過燈泡將電能轉(zhuǎn)化為光能、熱能等，電流通過電熱爐將電能轉(zhuǎn)化為熱能等，如圖2-24（b）所示圖2-24電能與其他能的轉(zhuǎn)化2.2.4電能和電功電能是實際存在的電力所具備的能量，它假設導體兩端的電壓為U，通過導體橫截面的電荷量為q，產(chǎn)生的電流為I，根據(jù)電壓的定義可得出電場力對電荷量q所做的功，即電路所消耗的電能為(2-5)根據(jù)式（2-1），可知，故(2-6)由式（2-6）可以看出，在一段電路中，電場力使電荷通過導體所做的功W與加在這段電路兩端的電壓U、通過導體的電流I以及通電時間t成正比。在國際單位制中，W、U、I、t的單位分別是焦耳（J）、伏特（V）、安培（A）、秒（s）。在實際應用中，電功的另一個常用單位是千瓦小時（kWh），1kWh就是一度電。假設導體兩端的電壓為U，通過導體橫截面的電荷量為q，產(chǎn)生的電【例2-5】劉老太家的一臺小型電動磨面機，工作電壓是220V，工作電流是1.5A，請大家?guī)兔λ闼氵@臺電動機正常工作2h所用的電能?！纠?-5】劉老太家的一臺小型電動磨面機，工作電壓是222.2.5電功率單位時間內(nèi)電流所做的功稱為電功率，它是衡量電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量速率的物理量，用字母P表示為：(2-7)代入W=UIt，可以得到(2-8)式中，P為電功率，單位W；U為電壓，單位V；I為電流，單位A。若電流在1s內(nèi)所做的功為1J，則電功率就是1W。常用的電功率單位還有千瓦（kW）、毫瓦（mW）等。(2-9)2.2.5電功率單位時間內(nèi)電流所做的功稱為電功率，它是衡注：電功和電功率是兩個不同的概念，兩者既有聯(lián)系又有區(qū)別。電功是指一段時間內(nèi)電流所做的功，或者說一段時間內(nèi)負載消耗的能量；電功率是指單位時間內(nèi)電流所做的功，或者說單位時間內(nèi)負載消耗的電能。電功率用瓦特表測量，電功和電能用瓦時表（即電能表）來計算。電功及電能和電功率常用的單位分別是千瓦小時（kwh）和瓦（W）。注：【例2-6】一臺電爐通電時其電壓為220V，通過電爐絲的電流為10A，試求電爐通電30min消耗的電能是多少？該電爐的功率是多大？【例2-6】一臺電爐通電時其電壓為220V，通過電爐絲的【課堂練習】（1）電流的正方向是如何規(guī)定的？電壓的正方向是如何規(guī)定的？（2）判斷圖2-25中電流的實際方向。（3）判斷圖2-26中電壓的實際方向。（4）電位和電壓有什么不同？（5）已知Uac=30V，Uab=20V，Ubd=20V，判斷圖2-27中以c點作為參考點時各點的電位。（6）什么叫電功？什么叫電功率？它們有什么異同？（7）一個燈泡工作時，端電壓為220V，通過的電流為0.5A，試求燈泡工作10h消耗多少電能？其功率多大？

圖2-25練習2圖圖2-26練習3圖圖2-27練習5圖【課堂練習】圖2-25練習2圖圖2-26練習3圖圖22.3電源與電動勢2.3.1電源【觀察與思考】使用電器時，要插上電源插頭，否則電器就不能工作；使用手電筒、MP3和手機時，要裝上電池，大家知道這是為什么嗎？電器要工作，必須有電源。電源是電路中產(chǎn)生電壓、流過電流的前提條件。電源的種類很多，如圖2-28所示。常用的有電池和發(fā)電機，電池是把化學能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，而發(fā)動機是把機械能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。

圖2-28各種類型的電源2.3電源與電動勢2.3.1電源【觀察與思考】圖2-2下面就以干電池為例來介紹電源。由圖2-29所示可以看出，電源都有兩個極，電位高的極是正極，電位低的極是負極。為了使電路中能維持一定的電流，電源內(nèi)部必須有一種非電場力，在電池中，就是化學力；而在發(fā)電機中則是電磁力等。這種力能持續(xù)不斷地把正電荷從電源的負極（低電位處）移送到正極（高電位處），以保持兩極具有一定的電位差，這個電位差稱為電源的端電壓，有時也簡稱為電源電壓。例如，平時所用的1.5V干電池，其正負極之間電位差為1.5V，其端電壓為1.5V。圖2-29干電池示意圖電源具有的移送正電荷的這種能力稱做電源力。電源中外力移送電荷的過程就是電源將其他形式的能量轉(zhuǎn)換為電能的過程。在電路中，電源以外的部分叫外電路，電源以內(nèi)的部分叫內(nèi)電路，如圖2-30所示。電源的作用就是把正電荷由低電位的負極經(jīng)內(nèi)電路送到高電位的正極，內(nèi)電路和外電路連接而成一閉合電路，這樣外電路中就有了電流。圖2-30電源的內(nèi)、外電路下面就以干電池為例來介紹電源。由圖2-29所示可以看出，電源2.3.2電源的電動勢在電源內(nèi)部，非電場力使電荷在電源的正負兩極間做定向運動，非電場力移動電荷要克服正負兩極間電場力做功，同時將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。在移動的電量不變時，非電場力做功越多，電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化成為電能的本領就越大。在如圖2-31所示的電路中，正電荷由電位高點A點（即電源的正極）經(jīng)外電路到電位低點B點（即電源的負極），流經(jīng)燈泡使其發(fā)光。正負電荷不斷中和，為保證能夠產(chǎn)生持續(xù)的電流，作為電源的干電池需要把正電荷從電源的負極源源不斷地移到電源的正極。圖2-31閉合電路示意圖2.3.2電源的電動勢在電源內(nèi)部，非電場力使電荷在電源的這就類似于如圖2-32所示的簡易自來水傳送示意圖，自來水從地勢高即水壓高的蓄水池中流到地勢低的用戶的家中，為保證供水，需要采用水泵將水從井中抽到蓄水池中，這里水泵的作用就類似電源的作用。圖2-32自來水傳送示意圖這就類似于如圖2-32所示的簡易自來水傳送示意圖，自來水從地為了衡量電源移動正電荷的本領，引入電動勢這個物理量。電動勢是電源力將單位正電荷從電源的負極移到正極所做的功，用符號E表示為(2-10)式中，E為電源電動勢，單位V；W為非電場力移動正電荷做的功，單位J；q為非電場力移動的電荷量，單位C。若外力把1C正電荷從電源的負極移到正極所做的功是1J，則電源的電動勢等于1V。電源的電動勢不僅有大小，而且有方向。電動勢在數(shù)值上等于電源兩極間的電位差，方向規(guī)定為電源力推動正電荷運動的方向，即電位升高的方向，從電源的負極指向正極，如圖2-33所標注的E的方向。圖2-33電動勢的方向為了衡量電源移動正電荷的本領，引入電動勢這個物理量。電動勢是觀看“電源的電動勢.swf”動畫，該動畫演示了電源的電動勢的形成、概念及方向。注：電源電動勢的大小只取決于電源本身的性質(zhì)。對于同一電源，它移動單位正電荷所做的功是一定的。但對于不同的電源，電源把單位正電荷從負極搬運到電源正極所做的功就不同，這也就是說同一電源其電動勢是固定的，不同電源其電動勢則不一定相等。觀看“電源的電動勢.swf”動畫，該動畫演示了電源的電動勢2.3.3電動勢與電壓的區(qū)別電動勢和電壓的單位都是伏特，都反映電位差，也都有方向，但兩者還是有區(qū)別的。（1）電動勢與電壓具有不同的物理意義。電動勢是衡量電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能這一本領的物理量，表示非電場力（外力）做功的本領；而電壓是衡量電路把電能轉(zhuǎn)化成其他形式能這一本領的物理量，表示電場力做功的本領。（2）對一個電源來說，既有電動勢又有電壓，但電動勢僅存于電源內(nèi)部。電動勢的大小決定于電源本身，與電源材料和結(jié)構(gòu)有關，而與外電路的負載無關。電源的電動勢在數(shù)值上等于電源兩端的開路電壓，即電源兩端不接負載時的電壓。（3）電動勢與電壓的方向相反。電動勢是從低電位指向高電位，即電位升高的方向；而電壓是從高電位指向低電位，即電位降低的方向。2.3.3電動勢與電壓的區(qū)別電動勢和電壓的單位都是伏特，【課堂練習】（1）列舉不同類型的電源，說明電源所起的作用。（2）什么是電源的電動勢，其方向如何？（3）說明電動勢與電壓的關系?！鹃喿x材料】保護環(huán)境，從我做起我國年產(chǎn)電池已達140億～150億只，年耗90億只，占了世界產(chǎn)量的1/4。廢電池隨意丟棄或不當堆埋，時間過長就會造成汞、鎳、鉛、鉻等有害物質(zhì)流散。這些有害物質(zhì)對地下水源和土壤的破壞是巨大的，一節(jié)一號電池的溶出物就足以使1m2的土壤喪失農(nóng)用價值，而一粒鈕扣電池能污染60萬升水（這是一個人一生的用水量）。顯而易見，舊電池的回收和處理決不可以“小事”觀之。廢電池的危害是大家有目共睹的，如果對此漠不關心，最終受傷的只能是我們自己的家園。保護環(huán)境，從我做起，請將廢舊電池放到指定位置。【課堂練習】【閱讀材料】2.4電阻與歐姆定律2.4.1電阻自然界中的各種物質(zhì)，按其導電性能來分，可分為導體、絕緣體和半導體3大類，如圖2-34所示。其中，導電性能良好的物質(zhì)叫做導體，如圖2-35（a）所示的鐵、銅、鋁等金屬，導體內(nèi)部有大量的自由電荷；導電性能很差的物質(zhì)稱為絕緣體，如圖2-35（b）所示的橡皮、干木頭、塑料等，絕緣體中幾乎沒有自由電荷存在。導電性能介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)叫做半導體，如圖2-35（c）所示的硅、鍺等，半導體在一定條件下可以導電。

圖2-34根據(jù)導電性的分類（a）導體（b）絕緣體（c）半導體

圖2-35導體、絕緣體和半導體2.4電阻與歐姆定律2.4.1電阻自然界中的各種物質(zhì)，按金屬導體中有大量自由電子，因而具有導電的能力。但這些自由電子在受電場力作用而作定向移動時，除了會不斷地相互碰撞外，還要和組成導體的原子相互碰撞摩擦，這些碰撞阻礙了自由電子的定向移動，即表現(xiàn)為導體對電流的阻礙作用，這稱為電阻。電阻用R表示，單位為歐姆，符號為W。常用的電阻單位還有千歐（kW）和兆歐（MW），換算關系如下。(2-11)注：任何物體都有電阻，而導體的電阻是由它本身的性質(zhì)所決定的，它不隨導體兩端電壓的大小而變化，即使沒有加上電壓，導體仍有電阻。金屬導體中有大量自由電子，因而具有導電的能力。但這些自由電子實驗證明：在一定溫度下，截面均勻的導體的電阻與導體的長度成正比，與導體的截面面積成反比，還與導體的材料有關，如圖2-36所示，這就是著名的電阻定律。圖2-36電阻定律示意圖(2-12)式中，r—導體的電阻率或稱電阻系數(shù)，單位為歐·米（W·m）；它與導體材料的性質(zhì)和所處的條件（如溫度等）有關，而與導體的幾何尺寸無關。l—導體的長度，單位米（m）。S—導體的橫截面積，單位平方米（m2）。

R—導體的電阻，單位歐（W）。實驗證明：在一定溫度下，截面均勻的導體的電阻與導體的長度成正幾乎所有導體的電阻值都隨溫度的改變而發(fā)生變化，通常情況下幾乎所有金屬材料的電阻率都隨溫度的升高而增大，因此當導體溫度很高時，電阻的變化也是很顯著的；另外，也有些材料（如碳、石墨、電解液等）在溫度升高時，導體的電阻值反而減小，這種特性在一些電氣設備中可以起自動調(diào)節(jié)和補償?shù)淖饔?。觀看“電阻定律.swf

”動畫，該動畫演示了電阻定律示意圖、內(nèi)容以及電阻定律中各個量之間的關系。幾乎所有導體的電阻值都隨溫度的改變而發(fā)生變化，通常情況下幾乎【例2-7】張奶奶家電爐的爐絲長度為0.5m，直徑為0.5mm的鎳鉻絲，請同學們幫她算算該鎳鉻絲的電阻為多少？【例2-7】張奶奶家電爐的爐絲長度為0.5m，直徑為0.2.4.2歐姆定律歐姆定律是電路分析中的基本定律之一，用來確定電路各部分的電壓與電流的關系，其內(nèi)容是導體中的電流跟它兩端的電壓成正比，跟它的電阻成反比。圖2-37所示為一段不含電動勢而只有電阻的部分電路。根據(jù)歐姆定律可寫出(2-13)式中，I—電路中的電流，單位為安培（A）U—電路兩端的電壓，單位為伏特（V）。R—電路的電阻，單位為歐姆（W）。

圖2-37部分電路2.4.2歐姆定律歐姆定律是電路分析中的基本定律之一，用式（2-13）稱為部分電路的歐姆定律，部分電路中電阻兩端的電壓與流經(jīng)電阻的電流之間的關系曲線稱為電阻的伏安特性曲線，如圖2-38所示。圖2-37部分電路圖2-38電阻伏安特性曲線由圖2-37所示的電路可以看出，電阻兩端的電壓方向是由高電位指向低電位，并且電位是逐點降落的，因而通常把電阻兩端的電壓稱為“電壓降”或“壓降”。式（2-13）稱為部分電路的歐姆定律，部分電路中電阻兩端的電含有電源的閉合電路稱為全電路，如圖2-39所示。全電路中的電流I與電源的電動勢E成正比，與電路的總電阻（外電路的電阻R和內(nèi)電路的電阻r0之和）成反比，即(2-14)式中，I—電路中的電流，單位為安培（A）

E—電源的電動勢，單位為伏特（V）

R—外電路電阻，單位為歐姆（W）

r0—電源內(nèi)阻，單位為歐姆（W）式（2-14）稱為全電路歐姆定律。由式（2-14）可得(2-15)式中，U是外電路中的電壓降，即電源兩端的電壓，Ir0是電源內(nèi)部的電壓降。將電阻值不隨電壓、電流變化而改變的電阻稱為線性電阻，由線性電阻組成的電路稱為線性電路。阻值隨電壓、電流的變化而改變的電阻稱為非線性電阻，含有非線性電阻的電路稱為非線性電路。歐姆定律只適用于線性電路。含有電源的閉合電路稱為全電路，如圖2-39所示。全電路中的電一般情況下，電源的電動勢是不變的，但由于電源存在一定內(nèi)阻，當外電路的電阻變化時，端電壓也隨之改變。由式（2-14）可知，當外電路的電阻R增大時，電流I要減小，端電壓U就增大；當外電路的電阻R減小時，電流I要增大，端電壓U就減小。電源的端電壓U與負載電流I變化的規(guī)律稱為電源的外特性，電源的外特性曲線如圖2-40所示。圖2-39全電路圖2-40電源的外特性曲線觀看“歐姆定律.swf”動畫，該動畫演示了部分電路和全電路歐姆定律的內(nèi)容以及各個量之間的關系。注：電源端電壓的穩(wěn)定性取決于電源內(nèi)阻的大小，在相同的負載電流下，電源內(nèi)阻越大，電源端電壓下降得越多，外特性就越差。一般情況下，電源的電動勢是不變的，但由于電源存在一定內(nèi)阻，當【例2-8】如果人體的最小電阻為800W，已知通過人體的電流為50mA時，就會引起呼吸困難，試求安全工作電壓?！纠?-9】一段導體兩端電壓是3V時，導體中的電流是0.5A，如果電壓增大到6V，導體中的電流是多大？如果電壓減小到1.5V時，電流又是多大？解：對于某一段導體來說，它的電阻是一定的，在電阻一定時，導體中的電流跟這段導體兩端的電壓成正比。本題的易錯點一是將“增大到”理解成“增大了”，“減小到”理解成“減小了”；二是將“成正比”做成“成反比”。因為導體的電阻是一定的，6V是3V的2倍，所以導體中的電流是2×0.5A＝1A。又因為1.5V是3V的1/2，所以導體中的電流為

(1/2)×0.5A＝0.25A?！纠?-8】如果人體的最小電阻為800W，已知通過人體的【閱讀材料】安全電壓和安全電流人體電阻除人的自身電阻外，還應附加上人體以外的衣服、鞋、褲等電阻，雖然人體電阻一般可達5000W，但是，影響人體電阻的因素很多，如皮膚潮濕出汗、帶有導電性粉塵、加大與帶電體的接觸面積和壓力以及衣服、鞋、襪的潮濕油、污等情況，均能使人體電阻降低，所以通常流經(jīng)人體電流的大小是無法事先計算出來的。因此，為確定安全條件，往往不采用安全電流，而是采用安全電壓來進行估算：在一般情況下，也就是干燥而觸電危險性較大的環(huán)境下，安全電壓規(guī)定為36V；對于潮濕而觸電危險性較大的環(huán)境（如金屬容器、管道內(nèi)施焊檢修），安全電壓規(guī)定為12V。這樣，觸電時通過人體的電流，可被限制在較小范圍內(nèi)，在一定的程度上保障人身安全?！鹃喿x材料】【例2-10】圖2-41所示的電路中，已知電源的電動勢E

=

24V，內(nèi)阻r0

=

2W，負載電阻R

=

10W，求（1）電路中的電流；（2）電源的端電壓；（3）負載電阻R上的電壓；（4）電源內(nèi)阻上的電壓降。答：（1）電路中的電流為2A；（2）電源的端電壓為20V；（3）負載電阻R上的電壓為20V；（4）電源內(nèi)阻上的電壓降為4V。【例2-10】圖2-41所示的電路中，已知電源的電動勢E【例2-11】圖2-42所示的電路中，R1=3Ω，R2=6Ω，R3=6Ω，電源電動勢E=24V，內(nèi)阻不計。當電鍵S1、S2均開啟和均閉合時，燈泡L都同樣正常發(fā)光。（1）寫出兩種情況下流經(jīng)燈泡的電流方向：S1、S2均開啟時；S1、S2均閉合時。（2）求燈泡正常發(fā)光時的電阻R和電壓U。圖2-42例2-11圖解：

畫出S1、S2均開啟和閉合時的等效電路圖（圖2-43），即可判知電流方向。燈泡L能同樣正常發(fā)光，表示兩情況中通過燈泡的電流相同。（1）S1、S2均開啟時，流經(jīng)燈泡的電流方向從b→a；S1、S2均閉合時，流經(jīng)燈泡的電流方向從a→b。其等效電路分別如圖2-43所求?！纠?-11】圖2-42所示的電路中，R1=3Ω，R2=（2）設燈泡的電阻為R。S1、S2均開啟時，由全電路歐姆定律得流過燈泡的電流S1、S2均閉合時，由全電路歐姆定律和并聯(lián)分流的關系得流過燈泡的電流兩情況中，燈泡L同樣正常發(fā)光，表示I1=I2即（2）設燈泡的電阻為R。S1、S2均開啟時，由全電路歐姆定律解得燈泡正常發(fā)光時的電壓由等效電路圖根據(jù)串聯(lián)分壓得解得燈泡正常發(fā)光時的電壓由等效電路圖根據(jù)串聯(lián)分壓得【課堂練習】（1）電阻定律的內(nèi)容是什么？（2）寫出部分電路和全電路歐姆定律的公式及公式中物理量的單位。（3）運用歐姆定律分析電路3種狀態(tài)中U、I、R的關系。（4）由歐姆定律可以知道某一段電路的電阻與其兩端電壓成正比，所以所加電壓越大，其電阻越大，對嗎？（5）電源的電動勢E

=

25V，內(nèi)阻r0

=

2W，負載電阻R

=

248W，求：電路的電流；電源的端電壓；負載的電壓；內(nèi)阻上的電壓?！菊n堂練習】【閱讀材料】歐姆和歐姆定律喬治·西蒙·歐姆（1787—1854）生于德國埃爾蘭根城，父親是個技術熟練的鎖匠。父親自學了數(shù)學和物理方面的知識，并教給少年時期的歐姆，喚起了歐姆對科學的興趣。父親對他的技術啟蒙，使歐姆養(yǎng)成了動手的好習慣，他心靈手巧，做什么都像樣。物理是一門實驗學科，如果只會動腦不會動手，那么就好像是用一條腿走路，走不快也走不遠。16歲時他進入埃爾蘭根大學研究數(shù)學、物理與哲學，由于經(jīng)濟困難，中途輟學，到1813年才完成博士學業(yè)。1827年歐姆在《伽伐尼電路的數(shù)學論述》一書中，發(fā)表了有關電路的法則，這就是聞名于世的歐姆定律。歐姆還在自己的許多著作里證明了：電阻與導體的長度成正比，與導體的橫截面積和傳導性成反比；在穩(wěn)定電流的情況下，電荷不僅在導體的表面上，而且還在導體的整個截面上運動。該書的出版一開始招來不少諷刺和詆毀，為此歐姆十分傷心，他在給朋友的信中寫道：“伽伐尼電路的誕生已經(jīng)給我?guī)砹司薮蟮耐纯啵艺姹г顾环陼r，因為深居朝庭的人學識淺薄，他們不能理解它的母親的真實感情?！薄鹃喿x材料】當然也有不少人為歐姆抱不平，發(fā)表歐姆論文的《化學和物理》雜志主編施韋格（即電流計發(fā)明者）寫信給歐姆說：“請您相信，在烏云和塵埃后面的真理之光最終會透射出來，并含笑驅(qū)散它們?！敝钡狡甙四曛?，隨著研究電路工作的進展，人們逐漸認識到歐姆定律的重要性，歐姆本人的聲譽也大大提高，1841年被英國皇家學會授予科普利獎章，1845年被接納為巴伐利亞科學院院士。人們?yōu)榧o念他，將電阻的單位以歐姆的姓氏命名，定為歐姆。當然也有不少人為歐姆抱不平，發(fā)表歐姆論文的《化學和物理》雜志2.5負載獲得最大功率的條件由前面的學習可以知道對全電路應用歐姆定律時，可以得到兩邊同乘（R+r0）得(2-16)式（2-16）兩邊同乘I，可得(2-17)式（2-17）中，EI是電源產(chǎn)生的電功率，UI是電源的輸出電功率（即負載吸取的電功率），是內(nèi)阻上消耗的電功率，可見電源產(chǎn)生的電功率等于電源的輸出電功率與內(nèi)阻上消耗的電功率之和，故式（2-17）又稱為電路的功率平衡方程式。2.5負載獲得最大功率的條件由前面的學習可以知道對全電路應用某些情況下人們希望電源的輸出電功率越大越好，那么在什么條件下電源的輸出電功率最大呢？在給定電源的條件下，負載功率的大小是與負載電阻的大小有關的。全電路歐姆定律中故電源輸出的功率即負載R上獲得的功率為(2-18)對于同一電源，式（2-18）的E和r0都為常數(shù)，則P是隨R變化的,變化曲線如圖2-44所示。要使負載獲得功率最大，只有在的情況下，也就是當上述公式中分母最小，P值最大。，某些情況下人們希望電源的輸出電功率越大越好，那么在什么條件下圖2-44負載的功率曲線可見，負載電阻從電源獲得最大功率的條件為(2-19)由于負載獲得的最大功率就是電源輸出的最大功率，故式（2-19）也是電源輸出最大功率的條件，此時負載獲得的最大功率為(2-20)負載獲得的功率與電源提供的功率之比稱為電源的效率，用h

表示，可以得出(2-21)觀看“負載獲得最大功率的計算.swf

”動畫，該動畫演示了負載獲得最大功率的條件及計算方法和步驟注：當負載電阻R與電源內(nèi)阻r0相等時，負載獲得最大功率，但此時電源內(nèi)阻上消耗的功率和負載獲得的功率是相等的，因此電源的效率只有50%圖2-44負載的功率曲線可見，負載電阻從電源獲得最大功率【例2-12】電源電動勢E

=

40V，內(nèi)阻r0

=

30W，當負載電阻R

=

10W、30W、770W時，求負載功率和電源效率。解：已知則當R=10W時當R=30W時【例2-12】電源電動勢E=40V，內(nèi)阻r0=3當R=770W時答：當負載電阻尺R

=

10W、30W、770W時，負載效率和電源效率分別為10W和25%、13.3W和50%、1.925W和96.25%。從這個例子你能得出什么結(jié)論？當R=770W時答：當負載電阻尺R=10W、30W、77【課堂練習】（1）寫出全電路功率平衡方程式。（2）什么情況下負載獲得最大功率，請分析說明。（3）全電路中電源電動勢E

=

15V，內(nèi)阻r0

=

10W，當負載電阻R

=

5W、10W、90W時，求負載功率和電源效率?！菊n堂練習】2.6焦耳定律【觀察與思考】在日常生活中，電爐、電飯鍋、電熱毯、電暖器等家用電器是必不可少的。注意觀察會發(fā)現(xiàn)，它們都有一個共同的特點，就是通電后能夠發(fā)熱，如圖2-45所示。那么，電和熱之間有什么關系呢？電源通過導體使導體內(nèi)自由電子在電場力作用下定向運動，不斷與原子發(fā)生碰撞而產(chǎn)生熱量，如圖2-46所示，并使導體溫度升高，電能轉(zhuǎn)化為熱量，這種現(xiàn)象叫做電流的熱效應，其原因是導體有電阻。圖2-45電爐通電后發(fā)熱圖2-46電流的熱效應觀看“電流熱效應.swf”動畫，該動畫演示了電流熱效應產(chǎn)生的原因及應用的實例。2.6焦耳定律【觀察與思考】圖2-45電爐通電后發(fā)熱圖2英國物理學家焦耳和俄國科學家楞次各自做了大量的實驗，證明了電流的這種熱效應現(xiàn)象，稱為焦耳-楞次定律。它的內(nèi)容是電流流過導體產(chǎn)生的熱量Q與電流I的平方成正比，與導體的電阻R成正比，與通電時間t成正比，用公式表示為根據(jù)電壓電流關系，可以得到(2-22)式（2-22）中，電流的單位為安培（A），電壓的單位為伏特（V），電阻的單位為歐姆（W），時間的單位為秒（s），則熱量Q的單位是焦耳（J）。觀看“焦耳-楞次定律.swf

”動畫，該動畫演示了焦耳-楞次定律的內(nèi)容及適用的條件。英國物理學家焦耳和俄國科學家楞次各自做了大量的實驗，證明了電焦耳-楞次定律只適用于純電阻電路，如電爐等，此時電流所做的功將全部轉(zhuǎn)變成熱量，如圖2-47所示。若不是純電阻電路，如圖2-48所示的電路中包含有電動機、電解槽等用電器，則電能除部分轉(zhuǎn)化為熱能使溫度升高外，還要轉(zhuǎn)化為機械能、化學能等其他形式的能。此時，電功就不等于而是大于生成的熱量了。

圖2-47純電阻電路圖2-48非純電阻電路電爐焦耳-楞次定律只適用于純電阻電路，如電爐等，此時電流所做的功電流的熱效應現(xiàn)象在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應用，如圖2-49所示的電烤箱、電熨斗、電烙鐵等設備就是利用電流的熱效應來工作的，而白熾燈則是通過使鎢絲發(fā)熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光。（a）電烤箱（b）電熨斗（c）電烙鐵（d）白熾燈圖2-49電流熱效應的應用但電流的熱效應現(xiàn)象在很多情況下也是有害的，如會使通電導線溫度升高，加速絕緣材料的老化變質(zhì)，導致漏電甚至燒毀設備等電流的熱效應現(xiàn)象在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應用，如圖2-另外，電動機、變壓器等在運行中會發(fā)熱，溫度過高會影響其使用，故應設計散熱裝置，延長使用壽命，如圖2-50所示。圖2-50消除電流熱效應的不良影響另外，電動機、變壓器等在運行中會發(fā)熱，溫度過高會影響其使用，【例2-13】有一功率為1000W的電爐，工作5min中產(chǎn)生的熱量是多少？解：

答：1

000W的電爐5min產(chǎn)生的熱量是3x105J?！纠?-14】

在圖2-51的電路中，電池的電動勢E=5V，內(nèi)電阻r0=10Ω，固定電阻R=90Ω，R0是可變電阻，在R0由0增加到400Ω的過程中，求：（1）可變電阻R0上消耗熱功率最大的條件和最大熱功率。（2）電池的內(nèi)電阻r0和固定電阻R上消耗的最小熱功率之和。圖2-51例2-14圖【例2-13】有一功率為1000W的電爐，工作5min解：根據(jù)焦耳定律，熱功率P=I2R，內(nèi)阻r0和R都是固定電阻，電流最小時，其功率也最小。對可變電阻R0，則需通過熱功率的表達式找出取最大值的條件才可確定。（1）電池中的電流可變電阻R0的消耗的熱功率為了求出使P取極大值的條件，對上式作變換解：可變電阻R0的消耗的熱功率為了求出使P取極大值的條件，對當時，P有極大值，其值為：（2）在電池內(nèi)阻r0和固定電阻R上消耗的熱功率為當R0調(diào)到最大值400Ω時，P'有最小值，其值為當根據(jù)電源輸出功率最大的條件，如把題中固定電阻“藏”在電源內(nèi)部，即等效內(nèi)阻r0'=r0＋R（圖2），于是立即可知，當R0=r0'=r0＋R=100Ω時，輸出功率（即R0上消耗的功率）最大，其值為圖2-52等效電阻圖這種等效電源的方法（稱等效電壓源定理）在電路中很有用。對于外電路中的固定電阻，則通過它的電流越小，消耗的功率越小根據(jù)電源輸出功率最大的條件，如把題中固定電阻“藏”在電源內(nèi)部【課堂練習】（1）通電的燈泡為什么會發(fā)熱？（2）寫出焦耳-楞次定律的內(nèi)容并標明各個物理量的單位。（3）舉例說明電流熱效應的廣泛應用?！菊n堂練習】【閱讀材料】電流生熱的奧秘用焦耳和楞次的名字命名的電流熱效應定律是為了紀念兩位物理學家。焦耳是英國物理學家，他一生中只受過很少的正規(guī)教育，是一位自學成才的科學家，他的知識基本上是利用空閑時間通過自學而得來的。他對科學特別酷愛，尤其對實驗非常感興趣，把業(yè)余時間全部用于實驗研究，后來更是全心全意地投入科學研究事業(yè)。楞次是俄國物理學家，1833年，楞次研究金屬在不同溫度下的導電性時指出：通了電流的導體會發(fā)熱，這是電流熱效應的最先描述。焦耳和楞次是相互獨立地開始進行電流的熱效應研究，他們用完全不同的實驗方法，經(jīng)過艱苦探索，分別發(fā)現(xiàn)了通電導體產(chǎn)生熱量的客觀規(guī)律，為了紀念這兩位科學家做出的貢獻，人們就把電流熱效應所遵從的客觀規(guī)律叫做焦耳-楞次定律。焦耳-楞次定律描述了電流產(chǎn)生熱量的基本規(guī)律，這在生產(chǎn)中具有非常大的應用價值。如在遠距離輸電過程中，線路的熱損耗不可避免?！鹃喿x材料】通過應用焦耳-楞次定律分析計算，人們認識到輸電電壓越高時，線路的熱損耗就越小，故在遠距離輸電過程中，利用高壓輸電方式。目前，我國的高壓輸電電壓一般是110kV和220kV。在少數(shù)地區(qū)已經(jīng)開始利用500kV的超高壓輸電。由此不難看出，理論對生產(chǎn)實踐具有多么大的指導意義??！通過應用焦耳-楞次定律分析計算，人們認識到輸電電壓越高時，線2.7實驗1儀器儀表的認識實驗目的·

認識常用的電工儀器儀表?！?/p>

學會正確使用常用的電工儀器儀表。2.7實驗1儀器儀表的認識實驗目的·認識常用的電工儀器1．基礎知識常用的電工測量儀表按被測量物理量的類型可分為電流表、電壓表、電阻表、功率表等；按工作原理分為磁電式、整流式、電磁式和電動式幾大類；按照電流的種類可分為直流儀表、交流儀表和交直流兩用儀表。（1）電壓表。①電壓表的圖形符號為，文字符號為PV，電壓表有直流、交流之分。②直流電壓表的標記是“?”或“DC”，接線端有“+”、“?”。③交流電壓表的標記是“～”或“AC”。④電壓表按測量范圍分為微伏表、毫伏表和伏特表。⑤電壓表在使用時一定要并聯(lián)接入被測電路。（2）電流表。①電流表的圖形符號為，文字符號為PA，電流表有直流、交流之分，標記符號與電壓表相同。②電流表按測量范圍分為微安表、毫安表和安培表。③電流表一定要串聯(lián)接入被測電路。1．基礎知識④電壓表和電流表面板如圖2-53和圖2-54所示。圖2-53電壓表面板圖2-54電流表面板（3）萬用表。萬用表又叫繁用表或多用表，它具有多種用途、多種量程、攜帶方便等優(yōu)點，在電工維修和測試中廣泛使用。一般萬用表可以測量直流電流、直流電壓、交流電壓、電阻等量，有的還可以測量交流電流和電容、電感等。④電壓表和電流表面板如圖2-53和圖2-54所示。圖2-5萬用表有指針式和數(shù)字式兩類，分別如圖2-55和圖2-56所示。圖2-55指針式萬用表圖2-56數(shù)字式萬用表萬用表有指針式和數(shù)字式兩類，分別如圖2-55和圖2-56所示①指針式萬用表其主要由表殼、表頭、機械調(diào)零旋鈕、歐姆調(diào)零旋鈕、選擇開關（量程選擇開關）、表筆插孔、表筆等組成。②數(shù)字式萬用表是一種多功能、多量程的數(shù)字顯示儀表。采用大規(guī)模集成電路和液晶數(shù)碼顯示技術使其具有體積小、重量輕、精度高、數(shù)碼顯示清晰等優(yōu)點。一般情況下數(shù)字萬用表除有可測量交直流電壓、電流、電阻等功能外，還具有的測量晶體管、電容等功能，并且具有自動回零、過量程指示、極性選擇等特點。①指針式萬用表其主要由表殼、表頭、機械調(diào)零旋鈕、歐姆調(diào)零旋2．實驗內(nèi)容（1）使用電流表測量電路中的電流。（2）使用電壓表測量電路中的電壓。（3）使用萬用表測量電壓和電流。2．實驗內(nèi)容3．實驗步驟（1）使用電流表。按照圖2-57所示將電流表串聯(lián)到電路中，記錄測試數(shù)據(jù)。使用電流表要注意以下幾點。選擇合適的量程。電流表選用量程一般應為被測電流值的1.5～2倍，如果被測電流為50A以上，可采用電流互感器以擴大量程。注意電流的極性。電流表的“+”接線柱接電源正極或靠近電源正極的一端，“?”接線柱接電源負極或靠近電源負極的一端，如圖2-53所示電流表要串聯(lián)在待測電路中。千萬不能直接將電流表接到電源的兩端。

圖2-57電流表接線圖3．實驗步驟圖2-57電流表接線圖（2）使用電壓表。按照圖2-58所示將電壓表并聯(lián)到電路中，記錄測試數(shù)據(jù)。使用電壓表時要注意以下幾點。選擇合適的量程。注意電壓的極性。電壓表的“+”接線柱接電源正極或靠近電源正極的一端，“?”接線柱接電源負極或靠近電源負極的一端，如圖2-54所示。電壓表要并聯(lián)在待測電路中。圖2-58電壓表接線圖（2）使用電壓表。圖2-58電壓表接線圖（3）使用萬用表。操作前要注意以下幾點：將“ON-OFF”開關置于“ON”位置，如果電池電壓不足，顯示屏上將有低壓顯示，這時應更換一個新電池后再使用。測試之前，將功能開關置于需要的量程。（3）使用萬用表。（4）電壓測量。①將黑色表筆插入“COM”插孔，紅色表筆插入“V/”插孔，如圖2-59所示。②測直流電壓時，將功能開關置于直流電壓量程范圍，如圖2-59所示，并將測試表筆連接到待測電源或負載上，同時便可讀出顯示值，紅色表筆所接端的極性將同時顯示于顯示屏上。圖2-59使用萬用表測量電壓要注意以下內(nèi)容：如果被測電壓范圍未知，則首先將功能開關置于最大量程后，視情況降至合適量程。如果只顯示“1”，則表示超量程，此時功能開關應置于更高量程。（4）電壓測量。圖2-59使用萬用表測量電壓要注意以下內(nèi)（5）電流測量。①將黑色表筆插入COM插孔，紅色表筆根據(jù)待測量電流的大小，插入到合適的電流插孔，例如當測量最大值為120A的電流時，紅色表筆插入10A插孔，如圖2-60所示。②將功能開關置于直流電流的合適量程，且將表筆與待測負載串聯(lián)接入電路，電流值即時顯示并同時顯示出紅色表筆的極性。圖2-60使用萬用表測量電流（5）電流測量。圖2-60使用萬用表測量電流4.實驗器材（1）直流穩(wěn)壓電源1臺。（2）電流表1臺。（3）電壓表1臺。（4）數(shù)字（或指針式）萬用表兩塊。（5）信號發(fā)生器1臺。4.實驗器材5．預習要求（1）了解常用的電工儀表（如電壓表、電流表、萬用表等）的特點。（2）掌握常用電工儀表（如電流表、電壓表、萬用表）的使用方法和注意事項等。（3）閱讀有關直流電源、信號發(fā)生器、電流表、電壓表、萬用表、實驗系統(tǒng)等常用儀器使用說明書。（4）制定本實驗有關數(shù)據(jù)記錄表格。5．預習要求6．實驗報告（1）闡述常用的電工儀表（如電壓表、電流表、萬用表等）的特點、使用方法及注意事項。（2）寫出學校實驗室所提供的各種儀器設備，并填入表2-2。表2-2

各種儀器設備6．實驗報告表2-2 各種儀器設備（3）寫出本次實驗所用儀器的型號、名稱及各自作用。（4）填寫實驗過程測量的各種數(shù)據(jù)（3）寫出本次實驗所用儀器的型號、名稱及各自作用。7．注意事項（1）注意電流表、電壓表和萬用表的極性。（2）萬用表的紅表筆切忌插錯位置，特別是不要插在電流插孔測量電壓信號，否則會損壞萬用表。（3）在使用萬用表測量時，不能在測量的同時換擋，否則易燒壞萬用表，應先斷開表筆，換擋后再測量。（4）萬用表使用完畢，應將轉(zhuǎn)換開關置于最大交流電壓擋。長期不用，還應將電池取出。7．注意事項2.8實驗2電阻的認識和測量實驗目的認識各種類型的電阻，能夠準確讀取其參數(shù)。掌握使用萬用表測量電阻的方法和注意事項。掌握使用伏安法測量電阻的方法。2.8實驗2電阻的認識和測量實驗目的認識各種類型的電1．基礎知識電阻的種類很多，結(jié)構(gòu)、規(guī)格也各有差異，按其阻值是否可調(diào)可分為固定電阻和可調(diào)電阻；按其構(gòu)造和材料特性可分成線繞電阻和非線繞電阻，非線繞電阻又可分為膜式、實芯式兩種；根據(jù)用途可分為通用電阻、高阻電阻、高壓電阻、高頻電阻、精密電阻等。圖2-61所示為常見電阻的外形，其中碳膜電阻、金屬膜電阻和線繞電阻都是固定電阻，其表示符號為，滑線變阻器和電位器都是可調(diào)電阻，其表示符號為（a）碳膜電阻（b）金屬膜電阻（c）線繞電阻（d）滑線變阻器（e）電位器圖2-61常見電阻的外形1．基礎知識（a）碳膜電阻（b）金屬膜電阻（c）線繞電阻（對于電阻人們最關心的就是其阻值大小，稱為標稱電阻值。另外，在電阻的生產(chǎn)過程中，由于技術原因，實際電阻值與標稱電阻值之間難免存在偏差，因而規(guī)定了一個允許的偏差參數(shù)，也稱為精度。常用電阻的允許偏差分別為±5%、±10%、±20%，對應的精度等級分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級。標稱電阻值和容許偏差的表示方法有3種。（1）直接法，即直接在電阻上標注該電阻的標稱阻值和容許偏差，圖2-62所示表示電阻阻值50kW，容許偏差為

±

10%。（2）文字表示法，即字母和數(shù)字符號用規(guī)律的組合來表示標稱電阻值，如圖2-63所示，K為符號位（K、M、G），表示電阻值的數(shù)量級別，5K7中的K表示電阻值的單位為kW（千歐），符號前面的數(shù)字表示電阻值整數(shù)部分的大小，符號位后面的數(shù)字表示小數(shù)點后面的數(shù)值，即該電阻的阻值為5.7kW。文字符號法一般在大功率電阻器上應用較多，具有識讀方便、直觀的特點。

圖2-62直接標稱的電阻圖2-63文字表示的電阻對于電阻人們最關心的就是其阻值大小，稱為標稱電阻值。另外，在（3）色環(huán)表示法，又稱色碼帶表示法，這樣表示的電阻上有3個或3個以上的色環(huán)（色碼帶）。最靠近電阻一端的第1條色環(huán)的顏色表示第1位數(shù)字；第2條色環(huán)的顏色表示第2位數(shù)字；第3條色環(huán)的顏色表示乘數(shù)；第4條色環(huán)的顏色表示允許誤差，如圖2-64所示，其含義如表2-3所示。如果有5條色環(huán)，則第1、第2、第3條色環(huán)表示第1、第2、第3位數(shù)，第4條表示乘數(shù)，第5條表示允許誤差。圖2-64電阻的色環(huán)表示法（3）色環(huán)表示法，又稱色碼帶表示法，這樣表示的電阻上有3個或表2-3

電阻色環(huán)表示各位含義表2-3 電阻色環(huán)表示各位含義若某一電阻器最靠近某一端的色碼帶按順序排列分別為紅、紫、橙、金色，則查表可知該電阻器的阻值為27kW，允許誤差為±5%。除了阻值和容許偏差，表征電阻的主要特性參數(shù)還包括額定功率、最高工作電壓等。觀看“電阻的認識.swf”動畫，該動畫演示了電阻的認識方法和步驟。若某一電阻器最靠近某一端的色碼帶按順序排列分別為紅、紫、橙、2．實驗內(nèi)容（1）讀取電阻的阻值和容許偏差。（2）使用萬用表直接測量電阻的阻值。（3）使用伏安法測量電阻的阻值。2．實驗內(nèi)容3．實驗步驟（1）讀取一個色環(huán)表示的電阻的阻值和容許偏差，說明各色環(huán)的含義。（2）使用萬用表對以上電阻進行阻值測量，并與你讀取的阻值進行對比，計算容許偏差。（3）使用萬用表測量電阻的步驟如下。①將黑色表筆插入COM插孔，紅色表筆插入V/插孔，如圖2-65所示。②將功能開關置于合適的量程，即可將測試表筆連接到待測電阻上。

圖2-65使用萬用表測量電阻3．實驗步驟圖2-65使用萬用表測量電阻要注意以下內(nèi)容。如果被測電阻值超出所選擇量程的最大值，將顯示過量程“1”，應該選擇更高量程，對于大于1MW或更高的電阻，讀數(shù)要經(jīng)幾秒鐘后才能穩(wěn)定，這是正常的。當檢查線路內(nèi)部阻抗時，要保證被測線路所有電源移開，所有電容放電。200MW量程，表筆短路時讀數(shù)約為1.0，測電阻量時應從讀數(shù)中減去。如測量100MW時，若顯示為101.0，則1.0應被減去。要注意以下內(nèi)容。（4）使用伏安法測量電阻的阻值。根據(jù)部分電路歐姆定律，可以先測出電阻兩端的電壓，再測量通過電阻的電流，然后計算出電阻的阻值，這種方法叫做伏安法。用伏安法測電阻時，由于電壓表和電流表本身具有內(nèi)阻，接入到電路后會改變被測電路的電壓和電流，給測量結(jié)果帶來誤差，即使使用萬用表也一樣。用伏安法測電阻時有外接法和內(nèi)接法，如圖2-66所示。圖2-66伏安法測電阻的兩種接法①外接法：由于電壓表的分流，電流表測出的電流值要比通過電阻R的電流大，故求出的電阻值要比真實值小。測量小電阻時采用外接法。②內(nèi)接法：由于電流表的分壓，電壓表測出的電壓值要比電阻R兩端的電壓大，故求出的電阻值比真實值大。測量大電阻時采用內(nèi)接法。（4）使用伏安法測量電阻的阻值。圖2-66伏安法測電阻的（5）比較外接法和內(nèi)接法的測量結(jié)果，填入表2-4表2-4

測量結(jié)果（5）比較外接法和內(nèi)接法的測量結(jié)果，填入表2-4表2-4 測4．實驗器材（1）色環(huán)表示的各種阻值電阻若干。（2）數(shù)字式（或指針式）萬用表1臺。（3）電壓表1臺。（4）電流表1臺。（5）直流穩(wěn)壓電源1臺。4．實驗器材5．預習要求（1）掌握使用萬用表測量電壓、電流和電阻的方法。（2）掌握各種表示方法的電阻的阻值和容許偏差的讀取方法。（3）閱讀萬用表等常用儀器使用說明書。（4）制定本實驗有關數(shù)據(jù)記錄表格。5．預習要求6．實驗報告（1）闡述萬用表測量電壓、電流和電阻的使用方法及注意事項。（2）闡述讀取各種表示方法的電阻的阻值和容許偏差。（3）記錄實驗過程中的相關數(shù)據(jù)。6．實驗報告7．注意事項（1）使用萬用表測量電路中的電阻阻值時，一定要斷開電路。（2）在使用萬用表測量時，不能在測量的同時換擋，否則易燒壞萬用表；應先斷開表筆，換擋后再測量。（3）在讀取色環(huán)表示的電阻阻值時，一定要看清最靠近電阻一端的第1條色環(huán)，以免引起誤讀。觀看“萬用表的使用.wmv”視頻，該視頻演示了萬用表的使用方法和步驟以及如何使用萬用表進行電阻、電壓和電流的測量。7．注意事項觀看“萬用表的使用.wmv”視頻，該視頻演示了萬2.9思考與練習1．填空題（1）電路一般由

、

和

組成。（2）電路的功能包括

和

兩部分。（3）電路的3種狀態(tài)是

、

和

。（4）電流的單位有

、

、

等，電壓的單位有

、

、

等。（5）自然界中的各種物質(zhì)，按其導電性能來分，可分為

和

、

。2．判斷題（1）電源是電路中提供電能的裝置或?qū)⑵渌问降哪芰哭D(zhuǎn)化為電能的裝置。（）（2）負載是將電能或電信號轉(zhuǎn)化為需要的其他形式的能量或信號的設備。（）（3）電路模型是對實際電路的抽象，所以它與實際電路沒有區(qū)別。（）2.9思考與練習1．填空題（4）電流和電壓都是不但有大小，而且有方向的。（）（5）電動勢的方向是從低電位到高電位。（）（6）焦耳-楞次定律說明電路中電流所做的功全部轉(zhuǎn)變成熱量。（）3．選擇題（1）若兩只額定電壓相同的電阻串聯(lián)接在電路中，則阻值較大的電阻（

）。

A．發(fā)熱量較大

B．發(fā)熱量較小

C．沒有明顯差別

（2）萬用表的轉(zhuǎn)換開關是實現(xiàn)（

）。

A．各種測量種類及量程的開關

B．萬用表電流接通的開關

C．接通被測物的測量開關

（3）金屬導體的電阻值隨著溫度的升高而（

）。A．增大

B．減少

C．恒定

D．變?nèi)酰?）純電阻上消耗的功率與（

）成正比。A．電阻兩端的電壓

B．通過電阻的電流C．電阻兩端電壓的平方

D．通電的時間（4）電流和電壓都是不但有大小，而且有方向的。（）4．分析與思考題（1）說明電壓和電位的區(qū)別與聯(lián)系。（2）說明電動勢和電壓的區(qū)別與聯(lián)系。（3）在對電路分析計算時，為什么要設定電流或電壓的參考方向？4．分析與思考題第二章電路的基本知識第二章電路的