第二章----高中物理选修3-1-恒定电流知识详解及配套习题(知识点分类)

第二章 电路 第一节 探究决定导线电阻的因素 必记知识必记知识 1 电阻电阻 是反映导体对电流的 的物理量 导体的电阻是导体本身的一种 它是由 导体本身决定的 导体的电阻跟它的 有关 跟它的 有关 跟它的 有 关 2 电阻的单位 简称 符号 3 电阻率电阻率是跟导体的材料有关 是一个反映材料 的物理量 4 各种材料的电阻率都随温度的变化而 金属的电阻率随温度的升高而 而 半导体的电阻率随温度的升高而 有些金属合金的电阻率受温度的影响很小 常用来制作 5 欧姆定律欧姆定律 导体中的电流 I 跟导体两端电压成 跟它的电阻成 表达式为 R U I 6 电阻定律电阻定律 均匀导体的电阻 R 跟它的长度 l 成 跟它的横截面积 S 成 导体电阻还 与 有关 知识点知识点 1 1 欧姆定律 1 表达式 R U I 2 适用条件 金属导电和电解液导体 注意注意 欧姆定律公式中的 I U R 必须对应同一导体或纯电阻电路 不含电源 电动机 电解槽等 电器的电路 欧姆定律不适用于气体导电 拓展拓展 欧姆定律中的 I U R 三个物理量有严格的对应关系 它揭示了电压 电阻对导体中电流的制 约关系 也为我们控制导体中的电流提供了理论依据 和从数学角度看两公式相同 R U I I U R 但两式反映的物理实质不同 提供了控制导体电流的方法 提供了测量电阻的方法 R U I I U R 即使电流随外电压变化时 但导体两端的电压与导体中的电流的比值保持不变 为一常数 该常数反 映了导体对电流的阻碍作用 知识点知识点 2 2 电阻定律 1 公式 是导体的长度 S 是导体的横截面积 是构成导体的材料的电阻率 S l R l 2 适用条件 温度一定 粗细均匀的金属导体或浓度均匀的电解质溶液 拓展 拓展 同一段导线的拉伸或压缩的形变中 导线的横截面积随长度的改变而发生变化 但导线的总 体积不变 即 这是隐含条件 也是解题的关键 lSSlV 例如将一电阻为 R 的导线均匀拉长为原来的 n 倍 即 由于 所以 nll lSSlV S nl Sl S 1 由于 所以 故电阻将变为原来的倍 S l R S l R R S n nl R n 2 1 n 2 电阻是导体本身的一种属性 跟导体两端的电压和通过导体的电流无关 是导体的决 S l R 定式 是电阻的定义式 类似于点电荷产生的场强是 E 的决定式 是 E I U R r Q kE 2 q F E 的定义式 再如电容是电容 C 的定义式 是电容 C 的决定式 U Q C dk S C 4 2 知识点知识点 3 3 电阻率 1 物理意义 反映了材料的导电性能的好坏 电阻率越小 导电性能越好 2 公式 l RS 3 单位 m 4 决定因素 由材料的种类和温度决定 与材料的长短 粗细无关 拓展拓展 纯金属的电阻率很小 比较短的纯金属导线 其电阻一般不予考虑 合金的电阻率较大 灯泡的灯丝 电炉的电阻丝并不长 但它们的电阻都较大 对于同种材料 在同一温度下 是一个 恒量 但与温度有关 金属导体的随温度的升高而增大 高中阶段如不特殊强调 一般不考虑温 度的影响 半导体的电阻率不随温度的升高而增大 反随温度的升高而减小 知识点知识点 4 4 超导现象和超导体 我们把物质在低温下电阻突然消失的现象称为超导现象 能够发生超导现象的物质称为超导体 材料 由正常状态转变为超导状态的温度称为该超导材料的临界温度 Tc 拓展拓展 超导体具有一系列特性 达到临界温度 电阻接近于零的效应 称为零电阻现象 这是超导体 的第一个特性 一旦超导体产生电流 它将持续地在其中无阻碍流动 并且也不会像普通具有电阻的 导体那样发热 超导体的另一个特性是把超导体置于磁场中时 磁感线不能穿入超导体内 易错点易错点 导体形状变化引起的电阻变化 常有人把导线横截面积 S 与导线直径的关系弄错 误认为导线的直径变为原来的几倍时 其横截面积 也变为原来的几倍 事实上横截面积是跟直径的平方成正比的 当导线直径变为原来的 n 倍时 其横 截面积将变为原来的倍 n 2 易忽略点易忽略点 电阻随温度的变化 电阻率随温度变化而变化 电阻的大小也随温度的变化而变化 由于一般所接触的电阻被认为电阻是 恒定的 受此影响 电阻随温度变化而变化被忽略 实验实验 实验目的实验目的 电阻定律的实验探究 研究过程研究过程 1 目的目的 研究影响电阻的几个因素 2 原理及方法原理及方法 控制变量法 1 保持导线的材料和横截面积不变 探究电阻与导线长度的定量关系 结论 越大 R 越大 R 与 成正比 ll 2 保持导线的材料 长度不变 探究电阻与导线横截面积的定量关系 结论 S 越大 R 越小 R 与 S 成反比 3 保持导线长度和横截面积不变 探究电阻与材料的关系 结论 材料不同 R 不同 由以上推理 即 lR S R 1 S l R 3 实验电路如图实验电路如图 4 实验中应注意的问题实验中应注意的问题 1 导线的长度 应为接入电路的有效长度 而不是金属丝的总长度 l 2 开始实验时 滑动变阻器在电路中阻值应调至最大 3 本实验中被测金属导线的电阻较小 因此实验电路中采用了电流表外接法 Rx V A E S R 3 4 电流不宜过大 电流表用 0 0 6A 量程 通电时间不宜过长 以免金属导线的温度明显升高 造成其电阻率在实验过程中逐渐增大 5 伏安法测电阻安培表的内外接法 伏安法测电阻的实验中 电流表的接法有内接 外接两种接法 如图 图 1 中 R R R R RR RR RX V X X XV XV I U 1 外测 图 2 中 RRRRXAX I U 内测 为了减小实验测量误差 可以将待测电阻的粗略值与电压表 电流表的内阻相比较 若 宜采用电流表的内接法 RXRA 若比大很多 但又比小很多 可先计算出临界值 当 采 RXRARVRRRVA 0RXR0 用电流表内接法 当R3 他的主要步骤如下 A 把选择开关扳到 X1K 的欧姆档上 B 把表笔插入测试笔插孔中 进行欧姆调零 C 把两表笔同时与 R1 的两端接触 发现这时指针偏转适中 随即记下欧姆 数值 D 把选择开关拨到 X100 的欧姆档 把两表笔同时与 R3 的两端接触 指 针偏转适中 随即记下欧姆数值 E 断开电路开关 实验完毕 这个学生在两次测量时 每次都不同时用手碰表笔的金属杆 这个学生在实 验中违反了哪些使用规则 8 如图所示 某幢居民楼有甲 乙两个房间需要从一楼接电 已知一楼的接线盒内有 4 根电缆 未 做任何标记 其中有两根通向甲房间 有两根通向乙房间 如果只用一只多用电表 试判断通向 甲房间的电缆是哪一根 R2 G Rg R1 公共1 10mA2 1mA S1 R3 R1 S2 R2 c d e f 乙房间甲房间 接线盒 15 第五节 电功率 必记知识必记知识 1 1 电功 电功 1 定义 电流通过导体所做的功 从本质上说是电场力对导体内部做定向移动的自由电子所做的功 简称电功 电流做功将 能转化为 能 2 公式 普通公式是 W UIt 对纯电阻电路 P UI 对非纯电阻电路 P 2 2 电功率 电功率 1 定义 描述电流做功 的物理量 2 公式 普通公式 对非纯电阻电路 P UI 对非纯电阻电UI t W P 路 P 3 3 电热 电热 1 定义 电流通过导体时产生的 2 公式 普通公式RtQ I 2 4 4 焦耳定律 焦耳定律 电流通过导体产生的热量跟电流的 导体的 和通电 成正比 即 Q 知识点知识点 1 1 电功和电功率 重点 1 电功电功 定义 电场力对电荷做的功 叫电功 表达式 即一段电路上的电功就等于这段电路两端的电压 电路中的电流和通电UItqUW 时间的乘积 注意注意 在纯电阻电路中 满足 所以 R U I Rtt R UItW I U 2 2 单位 焦耳 符号 J 电流做功的过程是电能转化为其他形式的能的过程 电流做多少功 表明就有多少电能转化为其他形 式的能 可见电功反映了电能转化为其他形式的能的多少 2 电功率电功率 定义 电流所做的功与做这些功所用的时间的比值 即单位时间内电流所做的功 表达式 即电功率等于电压 U 与电流 I 的乘积 UI t W P 注意 在纯电阻电路中 满足 所以 R U I R R UIP I U 2 2 单位 瓦特 符号 W 物理意义 是描述电流做功快慢的物理量 拓展 额定功率和实际功率 用电器的额定功率是用电器长期正常工作时的功率 也就是用电器上加 上额定电压 或通过额定电流 时消耗的功率 用电器的实际功率是用电器实际工作时消耗的电功率 为了使用电器不烧毁 要求实际功率额定功率 知识点知识点 2 2 焦耳定律和热功率 重点 1 焦耳定律 内容 电流通过导体产生的热量跟电流的平方成正比 跟导体的电阻成反比 跟通电时间成正比 表达式 RtQ I 2 16 注意 是电热的定义式 可求任何电路中电流 I 通过电阻 R 时产生的热量 电热 RtQ I 2 拓展拓展 电功与电热的区别与联系 电功是电能转化为其他形式能量的量度 即电功表示了电流通过导体时转化为其他各种形式能量的电 能的总和 电热表示电流通过导体时 消耗的电能中转化为内能的那一部分 即电热是电能转化为内 能的量度 可见电功和电热是两个不同的物理量 不能混淆 电功和电热的数量关系是 即 QW RtUIt I 2 具体说 在纯电阻电路中 如白炽灯 电炉丝等构成的电路 电流做功将电能全部转化为内能 此时有 可用其中的任一形式进行计算 Ptt R RtUItQW U I 2 2 在非纯电阻电路中 如含有电动机的电路中 电能转变为内能和机械能 即 在 EI RtUIt 机 2 含有电解槽的电路中 电能转化为内能和化学能 即 所以在非纯电阻电路中 EI RtUIt 化 2 即 显然 因此在这种情况下 电功只能用计算 电热只能用QW RtUIt I 2 IRU UItW 计算 RtQ I 2 2 热功率 定义 产生的热量与产生这些热量所用时间的比值 即单位时间内电流通过导体产生的热量 热功 率即电能转化为内能的功率 表达式 R t Q IPQ 2 拓展拓展 电功率与热功率的区别和联系 电功率是单位时间内电流做的功 热功率是单位时间内由于电流做功而生成的热量 在用电器中 电 流做功并不全部都生成热 可见 这是两个不同的概念 电功率与热功率的数量关系 即 PQ P RUI I 2 具体地说 在纯电阻电路中 满足 所以有 R U I P U IQ R RUIP 2 2 在非纯电阻电路中 消耗的电能 一部分生热 一部分转化为其他形式的能量 满足 W Q 即 PQ P 知识点知识点 3 3 电源的功率 1 电源总功率 电源把其他形式的能量转化为电能的功率 也是整个电路消UIrIEP I 2 耗的功率 2 电源输出功率 可见当 R r 2 2 rR E RUI IP 出 r R rR E RrrR RE R 4 4 2 2 2 2 17 时 为最大值 且 适用条件 E 和 r 都不变 出 P r E P 4 2 max 出 与外电阻 R 的关系图线如图所示 出 P 由图可知 对应某一输出功率 P 非最大值 可以有两个不同的外电阻 R1 和 R2 且有 21 2 RRr 3 电源内部的发热功率 rIP 2 内 4 电源的效率 R r rR R IE IU P P 1 1 总 出 可见当 R 增大时 增大 当 R r 电源输出功率最大时 效率仅为 50 效率并不高 5 根据能量守恒 则有 tPtPtP 内出总 内出总 PPP 易错点易错点 纯电阻与非纯电阻电路中电功 电热的求法 在计算电功与电热时 由于不能正确区分纯电阻电路 导致选择公式出错 易忽略点易忽略点 功率种类 本节涉及电功率 热功率 额定功率 实际功率 每种功率的物理意义不同 审题不清时 容易忽略 条件中所指的功率种类 导致计算出错 练习练习 1 电阻 R1 和 R2 分别标有规格 100 4W 和 12 5 8W 将它们串联起来后 能承受的最大电 压是 A 30V B 90V C 22 5V D 25V 2 为了使电炉消耗的电功率减小到原来的一半 应采取下列哪些措施 A 保持电阻不变 使电流减半 B 保持电阻不变 使电压减半 C 保持电炉两端电压不变 使其电阻减半 D 使电压和电阻各减半 3 220V 66W 的电风扇 线圈的电阻为 20 求接上 220V 电压后 电风扇转化为机械能的功率和 发热功率 如果接上电源后 扇叶被卡住了 不能转动 求电动机消耗的功率和发热功率 4 在图中 R1 2 R2 R3 6 滑动变阻器全值电阻为 R4 6 电源内电阻 r 1 当滑片 P 移至 A 端时 电压表读数为 5V 求 1 当 P 移至 B 端时电源的总功率 2 滑片 P 分别在 A B 两端时电源的效率 P出 P出 max P 0 R1 r R2 R V R1 R3 R2 A R4 B P 18 5 如图所示的电路中 两平行金属板 A B 水平放置 两板间的距离 d 40cm 电源电动势 E 24V 内 电阻 r 1 电阻 R 15 闭合开关 S 待测电路稳定后 将一带正电的小球从 B 板小孔以初速度 竖直向上射入板间 若小球带电荷量为 质量为 不考虑空smv4 0 cq 2 101 Kgm 2 102 气阻力 那么 滑动变阻器接入电路的阻值为多大时 小球恰能到达 A 板 此时 电源的输出功率是 多大 g 取 2 10sm 6 某商场电动扶梯倾角为 运行速率恒定 一位顾客以 1 5m s 的速率沿扶梯上行 10min 他以 0 45 同样速率沿扶梯下行需时间 20min 该扶梯的速率多大 如果该电动扶梯配套的电动机功率为 8kw 额 定电压为 380V 电梯空载运行时电流为 10A 设人的平均质量为 50kg 问该电动扶梯最多能载客多少 人 g 取 2 10sm 7 如图所示电路中 电源是由 4 节电动势为 1 5V 内阻为 0 25 的干电池串联组成的 电阻 R1 10 R2 7 5 滑动变阻器 R3 的总阻值为 20 不计电流表和电压表的内阻对电路的影响 闭 合开关 S 后调节滑动变阻器的滑片 P 使 aP 段和 bP 段的电压相等 求此时 1 电压表 电流表的示数 2 滑动变阻器 R3 上消耗的电功率 S R1 AV R2 a P b R3 R E r S P A B m V0 19 第二章 电 路 检测题 一 选择题 1 两个小灯泡 分别标有 1A 4W 和 2A 1W 的字样 则它们均正常发光时的电阻阻值之比为 A 2 1 B 16 1 C 4 1 D 1 16 2 一段长为 L 电阻为 R 的均匀电阻丝 把它拉制成 3L 长的均匀细丝后 切成等长的三段 然后把 它们并联在一起 其阻值为 A R 3 B 3R C R 3 D R 3 沿闭合电路移动的单位电荷绕行一圈 其所需能量决定于 A 电流 B 外电路的电阻 C 内外电路的电阻 D 电源电动势 4 如图所示为两电阻 R1和 R2的伏安特性曲线 若在两电阻的两端加相同的电压 关于它们的电阻值 及发热功率比较正确的是 A 电阻 R1 的阻值较大 B 电阻 R2 的阻值较大 C 电阻 R1 的发热功率较大 D 电阻 R2 的发热功率较大 5 如图所示 当滑动变阻器的滑动触头向左移动时 灯泡 L1 L2 L3 的亮度将 A 都变亮 B 都变暗 C L1 L2 变亮 L3 变暗 D L1 L3 变亮 L2 变暗 6 如图所示 因线路故障 接通 S 时 灯泡 L1 和灯泡 L2 均不亮 用电 压表测得 由此可知断路处为 VUUU cdbcab 4 0 0 A 灯泡 L1 B 灯泡 L2 C 变阻器 D 不能确定 7 一个直流电动机所加电压为 U 电流为 I 线圈内阻为 R 当它工作 时 下述说法中错误的是 A 电动机的输出功率为 B 电动机的发热功率为 R U 2 RI 2 C 电动机的输出功率为 D 电动机的功率可写作RIIU 2 R U RIIU 2 2 8 如图所示的电路中 电源的电动势为 E 内阻为 r 电路中的 C 点接地 若在 A C 之间再并接一个 电阻 R 则 A B 两点电势的变化情况是 A A B 两点的电势都升高 B A B 两点的电势都降低 C A 点的电势升高 B 点的电势降低 D A 点的电势降低 B 点的电势升高 9 某同学用电流表外接法测电阻时 误将两表互换位置 则造成的结果是 A 电阻烧坏 B 电流表烧坏 C 电压表示数几乎为零 D 电流表示数几乎为零 0 I U 1 2 L3 L2 L1 E r a b S E L1 L2 b c X B C R R E r A 20 D R 10 图 a b 两电路的元件完全相同 则四个电表示数的大小关系正确的是 A I1 I2 U1 U2 B I1 I2 U1 U2 C I1U2 D I1