（北京专用）2020版高考物理总复习第十章第1讲电流电阻电功及电功率课件.pptx

第1讲电流电阻电功及电功率,一电流,二电阻,三电功和电功率,知识梳理,考点一电流的微观解释,考点二对电阻、电阻定律的理解和应用,考点三欧姆定律和伏安特性曲线,深化拓展,考点四电功、电功率、电热与热功率,知识梳理,一、电流,1.电流(1)定义:电荷的定向移动形成电流。(2)方向:规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。,(3)三个公式a.定义式:I=;b.决定式:I=;c.微观式:I=nqSv。,2.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R成反比。(2)公式:I=。(3)适用条件:适用于金属和电解液导电,适用于纯电阻电路。,二、电阻,1.电阻(1)R=。(2)物理意义:导体的电阻反映了导体对电流阻碍作用的大小,R越大,阻碍作用越大。,2.电阻定律(1)内容:同种材料的导体,其电阻与它的长度成正比,与它的横截面积成反比;导体的电阻还与构成它的材料有关。(2)公式:R=。,3.电阻率(1)计算式:=R。(2)物理意义:反映导体的导电性能,是导体材料本身的属性。(3)电阻率与温度的关系金属:电阻率随温度升高而增大;半导体:通常电阻率随温度升高而减小。,三、电功和电功率,1.电功(1)定义:电流所做的功叫电功。电流做功,实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的静电力在做功。(2)公式:W=qU=IUt。(3)电流做功是电能转化成其他形式能的过程。,2.电功率(1)定义:单位时间内电流所做的功。表示电流做功的快慢。(2)公式:P=IU。,3.焦耳定律(1)电热:电流流过一段导体时产生的热量。(2)计算式:Q=I2Rt。,4.热功率(1)定义:单位时间内的发热量。(2)表达式:P=I2R。,1.一个阻值为R的电阻,两端加上电压U后,通过电阻横截面的电荷量q随时间变化的图像如图所示,此图像的斜率可表示为(C)A.UB.RC.D.,解析在q-t图像中图线的斜率是k=I,即表示电流,由欧姆定律知I=,则C正确。,2.有、两根不同材料的电阻丝,长度之比为l1l2=15,横截面积之比为S1S2=23,电阻之比为R1R2=25,外加电压之比为U1U2=12,则它们的电阻率之比为(B)A.23B.43C.34D.83,解析设两根电阻丝电阻率分别为1、2,由电阻定律R=,故=,所以=,B正确。,3.关于电功W和电热Q的说法正确的是(B)A.在任何电路中都有W=UIt、Q=I2Rt,且W=QB.在任何电路中都有W=UIt、Q=I2Rt,但W不一定等于QC.W=UIt、Q=I2Rt均只有在纯电阻电路中才成立D.W=UIt在任何电路中都成立,Q=I2Rt只在纯电阻电路中成立,解析W=UIt、Q=I2Rt适用于一切电路,但在纯电阻电路中W=Q,在非纯电阻电路中WQ,B对,A、C、D错。,4.横截面积为S的导线中,通有大小为I的电流。已知导线单位体积中有n个自由电子,每个自由电子的电荷量是e,自由电子定向移动的速率是v,则在时间t内通过导线截面的电子数是(A)A.nSvtB.nvtC.ItD.,解析根据电流的定义式可知,在t内通过导线截面的电荷量q=It。所以在这段时间内通过的自由电子数为N=。由于自由电子定向移动的速率是v,因此在时间t内,位于以截面S为底,长为l=vt的这段导线内的自由电子都能通过截面。这段导线的体积V=Sl=Svt,所以t内通过截面S的自由电子数N=nV=nSvt。,深化拓展,考点一电流的微观解释,一、电流的微观解释,1.建立微观模型:如图所示,粗细均匀的一段导体长为l,横截面积为S,导体单位体积内的自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为q,当导体两端加上一定的电压时,导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v。,2.在时间t内导体中长度l=vt内的自由电荷全部通过了截面D。3.这些电荷的总电荷量为Q=nvtSq。4.电流的表达式:I=nqSv。,5.结论:从微观上看,电流由导体中自由电荷的密度、电荷定向移动的速率、导体的横截面积和自由电荷带电荷量共同决定。,二、与电流有关的三种速率的比较,1-1在长度为l、横截面积为S、单位体积内的自由电子数为n的金属导体两端加上电压,导体中就会产生匀强电场。导体内电荷量为e的自由电子受电场力作用先做加速运动,然后与阳离子碰撞而减速,如此往复所以,我们通常将自由电子的这种运动简化成速率为v(不随时间变化)的定向运动。已知阻碍电子运动的阻力大小与电子定向移动的速率v成正比,即f=kv(k是常数),则该导体的电阻应该等于(B)A.B.,C.D.,解析由题意可知,对于电子有Ee=kv,又E=,U=IR,I=nevS,联立解得R=。,1-2(2014北京理综,24节选)若导线MN的质量m=8.0g、长度L=0.10m,感应电流I=1.0A,假设一个原子贡献1个自由电子,计算导线MN中电子沿导线长度方向定向移动的平均速率ve(下表中列出一些你可能会用到的数据)。,答案7.810-6m/s,解析导线MN中含有的原子数为N=NA因为一个金属原子贡献一个电子,所以导线MN中的自由电子数也是N。导线MN单位体积内的自由电子数n=其中,S为导线MN的横截面积。因为电流I=nveSe所以ve=,解得ve=7.810-6m/s。,考点二对电阻、电阻定律的理解和应用,1.电阻与电阻率的区别(1)电阻是反映导体对电流阻碍作用大小的物理量。电阻率是反映制作导体的材料导电性能好坏的物理量。(2)导体电阻阻值与电阻率无直接关系,即电阻大,电阻率不一定大;电阻率小,电阻不一定小。,2.两个公式的对比,2-1把两根同种材料做成的电阻丝,分别接在两个电路中,甲电阻丝长为l,直径为d,乙电阻丝长为2l,直径为2d,要使两电阻丝消耗的功率相等,加在两电阻丝上的电压应满足(C)A.=1B.=C.=D.=2,解析根据电阻定律有:R甲=,R乙=,又知P甲=,P乙=,若使P甲=P乙,即=,则=2,得=,所以选项C是正确的。,2-2经典电磁理论认为:当金属导体两端电压稳定后,导体中产生恒定电场,这种恒定电场的性质与静电场相同。由于恒定电场的作用,导体内自由电子定向移动的速率增加,而运动过程中会与导体内不动的粒子发生碰撞从而减速,可认为自由电子定向移动的平均速率不随时间变化。金属电阻反映的是定向移动的自由电子与不动的粒子的碰撞。假设碰撞后自由电子定向移动的速度全部消失,碰撞时间不计。某种金属中单位体积内的自由电子数量为n,自由电子的质量为m,带电荷量为e。现取由该种金属制成的长为L,横截面积为S的圆柱形金属导,体,在其两端加上恒定电压U,自由电子连续两次与不动的粒子碰撞的时间间隔平均值为t0。如图所示(1)求金属导体中自由电子定向移动受到的电场力大小;(2)求金属导体中的电流I;(3)电阻的定义式为R=,电阻定律R=是由实验得出的。事实上,不同,途径认识的物理量之间存在着深刻的本质联系,请从电阻的定义式出发,推导金属导体的电阻定律,并分析影响电阻率的因素。,答案见解析,解析(1)恒定电场的场强E=则自由电子所受电场力大小F=Ee=(2)设自由电子在恒定电场中由静止经时间t0加速后的速度为v,由动量定理有:Ft0=mv-0解得v=自由电子定向移动的平均速率=,金属导体中产生的电流I=neS=(3)由电阻定义式可得R=其中为定值,此定值即电阻率,所以R=电阻率的影响因素有:单位体积内自由电子的数目n,自由电子在恒定电场中由静止加速的平均时间t0。,考点三欧姆定律和伏安特性曲线,1.欧姆定律(1)公式I=,是电流的决定式,I正比于电压,反比于电阻。(2)公式中的I、U和R三个量必须对应同一段电路或同一段导体。(3)适用范围:适用于金属、电解液等组成的纯电阻电路。对于气体导电、含有电动机和电解槽等非纯电阻的电路不适用。,2.对伏安特性曲线的理解(如图所示)(1)图线a、e、d、f表示线性元件,b、c表示非线性元件。(2)在图甲中,图线a、e的斜率表示电阻的大小,斜率越大,电阻越大,RaRe。,在图乙中,图线d、f的斜率表示电阻倒数的大小,斜率越大,电阻越小,RdQ2C.Q1Q2D.无法确定,解析由I-U图线的斜率表示电阻的倒数可知R1R2,串联电路中电流处处相等,再结合焦耳定律Q=I2Rt可知Q1Q2。,3-2小灯泡通电后其电流I随所加电压U变化的图线如图所示,P为图线上一点,PN为图线在P点的切线,PQ为U轴的垂线,PM为I轴的垂线,则下列说法中正确的是(D),解析I-U图像中,图线上该点与坐标原点连线斜率的倒数表示电阻的大小,对应P点小灯泡的电阻R=,因此B、C错误;由图可知随着所加电压的增大,小灯泡的电阻增大,A错误;对应P点小灯泡的功率P=U1I2,大小等于矩形PQOM所围面积,D对。,考点四电功、电功率、电热与热功率,1.W=IUt普遍适用于计算任何一段电路上的电功。P=IU普遍适用于计算任何一段电路上消耗的电功率。,2.Q=I2Rt,只用于计算电热。,3.纯电阻电路与非纯电阻电路的比较,4.电功和电热的处理方法无论在纯电阻电路还是在非纯电阻电路中,发热功率都是I2R。处理非纯电阻电路的计算问题时,要善于从能量转化的角度出发,紧紧围绕能量守恒定律,利用“电功=电热+其他能量”寻找等量关系求解。,4-1一个直流电动机,线圈电阻是0.5,当它两端所加电压为6V时,通过电动机的电流是2A。由此可知(C)A.电动机消耗的电功率为10WB.电动机发热的功率为10WC.电动机输出的机械功率为10WD.电动机的工作效率为20%,解析电动机是非纯电阻器件,P总=P机+P热,电动机消耗的电功率P总=UI=12W,A错误。发热功率P热=I2R=2W,B错误。输出的机械功率P出=P总-P热=10W,C正确。电动机的工作效率=100%=83%,D错误。,4-2(2018丰台期末)导线中带电粒子的定向移动形成电流,电流可以从宏观和微观两个角度来认识。经典物理学认为金属导体中恒定电场形成稳恒电流。金属导体中的自由电子在电场力的作用下,定向运动形成电流。自由电子在定向运动的过程中,不断地与金属离子发生碰撞,碰撞后自由电子定向运动的速度变为零,将能量转移给金属离子,使得金属离子的热运动更加剧烈。自由电子定向运动过程中,频繁地与金属离子碰撞产生了焦耳热。,某金属直导线电阻为R,通过的电流为I。请从宏观和微观相联系的角度,推导在时间t内导线中产生的焦耳热为Q=I2Rt(需要的物理量可自设)。,答案见解析,解析方法一:设金属导体长为L,横截面积为S,两端电压为U,导线中的电场强度E=设金属导体中单位体积中的自由电子数为n,则金属导体中自由电子数N=nSL,设自由电子的带电荷量为e,连续两次碰撞时间间隔为,定向移动的速度为v,则一次碰撞的能量转移eEv=mv2-0一个自由电子在时间t内与金属离子碰撞次数为金属导体中在时间t内全