电工基础 认识（直流）电路

27第1章 认识（直流）电路第1章 认识（直流）电路早在公元前6世纪，人们就已经发现了电的存在，从雷电到静电，从摩擦起电到水力发电、火力发电，再到核电站发电。电以其生产、变换经济，传输、分配容易，使用、控制方便等，已成为现代生产和日常生活不可缺少的物质。人类社会已步入电的时代，因而电气化的程度也成为衡量一个国家生产力水平和综合国力的主要标志之一。在实际应用中，电总是按照一定的路径（电路）传输和运行。电按其性质不同分成了直流电和交流电，相应的电路分成了直流电路和交流电路，让我们首先进入直流电路的世界。知识目标： 了解电路的组成及各部分的作用，了解电路图中常用的元件符号。 理解电流、电压、电阻、电源、电动势、电功、电功率等电学量的概念。写出相关的公式。 理解直流电路中电流、电压、电阻之间的关系：欧姆定律，掌握运用欧姆定律。 理解电路三种状态，了解电气设备的额定值。 说出焦耳定律的内容，写出焦耳定律的表达式。能应用电功、焦耳定律分析和解决实际问题。技能目标： 学会正确使用电流表、电压表、万用表等仪表测量有关电学量。 学会白炽灯、日光灯等实际电路的连接。1.1 电路概念的建立学习目标 认识电路的组成，知道电路各部分的作用和工作状态。 认识常见电源、熔断器、漏电保护器。1.1.1 观察电路的组成我们周围存在着各种简单或复杂的电路，它们的结构组成必定符合相同的规律和要求，让我们通过观察来认识电路的组成规律。（直流电路）（交流电路） 如图1.1所示，将干电池、灯泡、开关、电线等连接成电路，当我们将开关接通时，灯泡发光。图1.1 灯泡为什么会发光？灯泡发光是由于电流通过灯丝时产生热效应所致，可见在上述电路中已形成了完整的电流通路。电路的组成包括：（1）电源供应电能的装置；（2）用电器取用电能的装置；（3）开关控制电路接通或断开的器件；（4）导线起连接和电流传输作用的材料。1.1.2 常用电气元件符号国际电工委员会和我国国家标准委员会对各类电路元器件都规定了统一的符号（称为国际电路常用符号），如表1.1所示。表1.1 常用电气元件符号直流电交流电交直流电开关电阻接机壳电池电位器接地续表 线圈电容连接导线铁芯线圈AA电流表不连接导线GG抽头线圈VV电压表熔断器直流发电机二极管电灯交流发电机 M直流电动机 M交流电动机1.1.3 观察电路的状态灯泡是否发光显示了所处电路的工作状态，电炉是否发热也显示了电路的状态，还有一些电路没有明显的标志显示其状态，但是我们可以通过对电路有关电学量的测量分析判断电路的状态，我们还经常可以在很多用电器上看到诸如“警告”、“WARNING”等标志，禁止电路处于某些状态，这又是什么原因呢？如图1.1所示，当开关接通时，灯泡发光，表明电路处于导通状态；当开关断开或电线断裂、接头松脱时，灯泡不发光，表明电路处于断开状态。通常电路存在通路（闭路）、开路（断路）两种状态，但在发生故障或连接错误时，还存在短路状态，电路三种状态的比较如表1.2所示。表1.2 电路三种状态状 态特 点通路电路接通有电流通过开路电路一处或多处断开无电流通过短路导线未经用电器（负载）而直接将电源正负极（两极）相接电流很大，易引起电路烧毁甚至火灾等严重事故想一想短路会产生什么后果？实际生产和生活中是如何防止短路的？拓展与延伸1熔断器熔断器又称熔丝，通常是由熔点比较低的铅锑合金材料制成的。当通过熔丝的电流超过一定数值（此电流称为额定电流）时，熔丝会因发热过多而很快熔断，从而起到保护电路其他器件的作用。常见的熔断器如图1.2所示。 图1.2 常见的熔断器熔丝的额定电流与熔丝的粗细有关，其直径越粗，熔断电流越大。选用熔丝时，应使它的额定电流等于或略大于电路正常工作时的最大电流。2电源广义地讲，能把非电能转换成电能而向用电器供电的装置均称为电源。常用的电源有：干电池、太阳能电池、火力发电机组、水力发电机组、核电机组等（如图1.3、图1.4、图1.5所示）。 图1.3 风力、水力发电站名 称实 物 图用 途直流电源（a）干电池（1.5V）（b）蓄电池（12V，6A11）（c）直流电源：0500V/250mA有收录机及计算器等使用的便于携带的干电池、模型飞机及汽车引擎起动等使用的蓄电池和在一定范围内能自由改变电压的直流电源装置等。直流电源均有两个电极（正、负极）。图1.4 直流电源衡量电源内部这种搬运电荷能力的物理量称为电源电动势，通常用符号E表示，电动势的单位也是伏特。电池的串联可以增加电动势，满足电路对大电动势的要求，同时串联以后的电池组的内阻也相当于几个电阻的串联。如果相互串联的几个电池中有一个是老化或损坏的（内阻比正常电池大大增大），就使整个电池的电阻大大增大，也就使整个电池组无法发挥作用，所以一般不把新旧电池混合使用。电池组并联后，虽然没有增加电动势，但会使得总的内阻减小，从而就使整个电池输出的电流增加，但是由于电池之间存在一定差异，即使是同一型号、同一批次的电池，它们的内阻之间也会存在差异，这就使各电池中通过的电流不平衡，内阻小的电池中会通过超过其正常值的电流，容易造成电池发热甚至烧毁，所以一般不将电池并联使用。名 称实 物 图用 途交流电源（a）家用插座（220V，50/60Hz）（b）便携式发电机（220V，50/60Hz）（c）低频振荡器（25Hz100kHz） 家庭用的电源插座、便携式发电机和在一定范围内能自由改变频率的振荡器等图1.5 交流电源知识能力训练1电流流通的_叫做电路，它由_、_、_和_这4部分组成。2电路存在_、_和_3种可能的状态，其中_状态应严格避免，因为它会引起_等严重后果。3现在，为保证安全，许多家庭的配电箱上还安装了漏电保护器，观察家电漏电保护器，了解其主要性能和使用方法。46节相同的干电池，每节的电动势均为1.5V，内电阻均为0.1W，若将其顺序串联，则总的电动势为_V，总的内阻为_W。1.2 电路中物理量及相互关系学习目标 说出电流、电压、电位、电功率、电阻的概念，写出它们的公式。 说出欧姆定律的内容，写出欧姆定律的表达式。 会应用欧姆定律分析和解决实际问题。1.2.1 电流在物质内部有正、负两种不同的电荷，电荷的定向移动形成电流。电流用I表示，从微观上分析，电流的大小与单位时间内通过导体横截面的电荷量有关，即（1-1）式中，I为电流（A）；Q为电荷量（C）；t为时间（t）。在1秒内通过导体横截面的电荷为1库仑时，其电流为1A。在宏观上，通常用电流表和万用表测量电流。在国际单位制中，电流的单位是安培（A），此外常用的还有毫安（mA）、微安（A）等。它们的关系为：1安培（A）=103毫安（mA）=106微安（A）习惯上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。通常根据电流方向是否随时间改变而将电流分成直流电流和交流电流（如图1.6所示）。t（时间）直流电t（时间）I（电流）交流电OOI（电流） 图1.6 直流电流与交流电流波形想一想某电路横截面上1min（分）内通过的电荷为10C（库仑），那么这段电路的电流等于多少A（安培）？1.2.2 电压、电位正如水位差带来的水压导致水流一样，电压是形成电流的必要条件之一，电路中提供电压的器件是电源。电压的符号为U，在国际单位制中，电压的单位是伏特（V），此外还有千伏（kV）、兆伏（MV）、毫伏（mV）、微伏（V）等。它们之间的关系为：1兆伏（MV）=103千伏（kV）=106伏特（V）1伏特（V）=103毫伏（mV）=106微伏（V）在电路中a、b两点间的电压等于a、b两点间的电位之差，即Uab=Va-Vb。它是导体两端在电场中的相对位置（电位）之差。根据电路中电流是直流电流还是交流电流，电路两端电压分别为直流电压和交流电压。正如水路中各点在空间都有一个水位高度一样，电路中各点都有一个电位。水路中各点的水位高度计算都有一个起点，称为参考点，例如，以海平面为起点的海拔高度其参考点就是海平面，同样，电路中的电位也要有一个参考点，称为零电位点。如同水位高度相对于不同参考点有不同数值一样，电位相对于不同的零电位点，其数值也不相同，可见电位和水位都具有相对性。电位的符号是V，单位是伏特。零电位的选择具有任意性，通常为了实际测量方便起见，习惯上以大地电位作为零电位点，设备外壳通常接地或者设备中元件均与一个公共点相连，所以一般把设备外壳或电路中某一个公共点作为零电位点。零电位点又称接地点，其符号见表1.1。1.2.3 电阻和电阻定律自然界的物质按其导电能力的不同，通常分为导体、绝缘体和半导体。导体是导电能力较强的一类物质，如金属、电解液等；绝缘体是导电能力较弱的一类物质，如橡胶、塑料、玻璃等；而半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间且导电能力易于受到外界的物理化学因素影响的一类物质。除此之外，近几十年来人们还发现了导电能力极强的所谓超导体。当电流在导体中流过时，定向运动的自由电子与导体内的原子核发生碰撞而受到阻碍，将电能转化为热能或其他不可逆形式的能量。这种导体对电流的阻碍能力称为电阻，用R表示。电阻的单位是欧姆（W），简称欧，实用单位还有千欧（kW），兆欧（MW）。它们的关系为：1kW=103W； 1MW=106W导体的电阻是客观存在的。实验表明，金属导体的电阻与导体的长度成正比，与导体的横截面积成反比，还与材料的导电性能有关，即（1-2）上式称为电阻定律，式中R为导体的电阻（W）；L为导体的长度（m）；S为导体的横截面积（m2）；为导体的电阻率（Wm）。电阻率是反映材料导电性能的参数，不同的金属材料有不同的电阻率。部分金属导体的电阻率见表1.3。表1.3 部分金属导体在20时的电阻率材 料电阻率/（Wm）材 料电阻率/（Wm）银1.610-8康铜5.010-7铜1.710-8锰铜4.410-7铝2.810-8镍铬铁合金1.110-6钨5.810-8铝铬铁合金1.310-6铁1.010-7从表1.3可以知道，铜、铝的电阻率很小，常用来制造导线；银的电阻率很小，但价格昂贵，仅使用在对导体有较高要求的特殊场合；镍铬铁合金的电阻率很大，耐高温，可用来制造电炉的电热丝。例1.1 小李家装修需要一盘铜导线，铜导线的长度为100m，横截面积为2.5mm2，求它的电阻为多少？分析：查表1.3可知铜的电阻率在20时为1.710-8Wm。解：由电阻定律可得：实验还表明，导体的电阻与温度有关。通常金属导体的电阻随温度升高而增加。如白炽灯中的钨丝，在常温时只有几十欧姆，当有电流流过时，在钨丝上产生大量的热，使温度上升，其电阻也上升到几千欧姆。有些导体材料在温度下降到某一低温时，其电阻会突然消失，这种材料称为超导体。在超导状态时，导体的电阻值为零，没有电能的损失，电流一旦被激发，就不需要外加电源，能一直持续下去，是一种理想的导电材料。1.2.4 欧姆定律1部分电路欧姆定律导体两端加上电压后，导体中才有持续的电流，那么，电压和电流有什么关系呢？经过长期的科学研究，1826年，德国科学家欧姆提出了部分电路欧姆定律：电路中的电流I与电阻两端的电压U成正比，与电阻R成反比。图1.7所示电路中，电压、电流的参考方向如图中所示，部分电路欧姆定律可以用公式表示为：（1-3）式中 I电路中的电流强度，单位是安培（A）； U电阻两端的电压，单位是伏特（V）；R电阻，单位是欧姆（W）。电流和电压间的正比关系，可以用伏安特性曲线来表示。伏安特性曲线是以电压U为横坐标，以电流I为纵坐标画出的UI关系曲线。电阻元件的伏安特性曲线如图1.8所示，伏安特性曲线是直线时，称为线性电阻；如果不是直线，则称为非线性电阻。线性电阻组成的电路叫线性电路。欧姆定律只适用于线性电路。 图1.7 部分电路 图1.8 电阻的伏安特性曲线欧姆定律经过数学变换，还可以得出：例1.2 已知某灯泡两端的电压为220V，灯泡的电阻为1210W，求通过灯泡的电流。解：由部分电路欧姆定律可得：例1.3 某导体两端电压为3V，通过导体的电流为0.5A，导体的电阻为多大？当电压改变为6V时，电阻为多大？此时通过导体的电流又为多少？分析：电阻的大小与电压无关，仅仅意味着利用加在电阻两端的电压和通过电阻的电流来量度电阻的大小，而绝不意味着电阻的大小是由电压和电流决定的。解：由部分电路欧姆定律可得：当电压改变为6V时，电阻不变，R6W此时，电流例1.4 一只小鸟站在一条能导电的铝质裸输电线上，如图1.9所示。导线的横截面积为240mm2，导线上通过的电流为400A，小鸟两爪间的距离为5cm，求小鸟两爪间的电压。图1.9 小鸟在裸输电线上分析：小鸟两爪间的电压U=RI，I=400A，L=5cm=510-2 m，S=240mm2 =24010 -6 m2 ，查表1.3可知铝的电阻率为2.810-8Wm解：由电阻定律可得：由部分电路欧姆定律可得：因为小鸟两爪间的电压只有2.32mV，通过小鸟的电流很小，所以小鸟站在输电线上是安全的。火线零线火线想一想小鸟站在一根高压线上是安全的，而人接触单根高压线为什么有可能触电？2全电路欧姆定律实际电路是由电源和负载组成的闭合电路，我们把它叫做全电路，如图1.10所示。E为电源电动势，r为电源内阻，R为负载电阻。电路闭合时，电路中有电流I流过。全电路欧姆定律告诉我们：闭合电路中的电流跟电源电动势成正比，与电路的总电阻（内电路电阻与外电路电阻之和）成反比。用公式表示为： （1-4）图1.10 全电路式中 I闭合电路的电流，单位是安培（A）；E电源电动势，单位是伏特（V）；r电源内阻，单位是欧姆（W）；R负载电阻，单位是欧姆（W）。进一步作数学变换得：E=rIRI而RI=U是外电路上的电压，我们把它叫做路端电压或端电压。因此，全电路中的路端电压U=ErI端电压随外电路电阻变化的规律：特例：开路时（R=），I=0，U=E特例：短路时（R=0），I=U/r，U=0例1.5 图1.11所示电路中，已知电源电动势E=220V，电源内阻r10W，负载电阻R=100W。求：（1）电路电流；（2）电源端电压；（3）负载上的电压；（4）电源内阻上的电压。图1.11分析：本题可利用全电路欧姆定律和部分电路欧姆定律相关公式求解。解：（1）由全电路欧姆定律可得：（2）电源端电压U=ErI=220102200V（3）负载上的电压URI1002200V负载上的电压等于电源端电压。（4）电源内阻上的电压UorI102=20V【综合案例】图1.12所示电路中，已知E6V，r=0.5W，R200W。求开关S分别处于1、2、3位置时电压表和电流表的读数。图1.12 综合案例所用图思路分析:解本题的关键是要弄清楚开关S分别处于1、2、3位置时，电路的工作状态。解：S处于1时，电路呈短路状态S处于2时，电路呈开路状态S处于3时，电路呈通路状态科学家小传乔治西蒙欧姆（Georg Simon Ohm，17871854年）德国物理学家。欧姆的父亲是一个技术熟练的锁匠，对哲学和数学都十分爱好。欧姆从小就在父亲的教育下学习数学并受到有关机械技能的训练，这对他后来进行研究工作特别是自制仪器有很大的帮助。1800年在中学接受过古典式教育。1803年考入埃尔兰根大学，未毕业就在一所中学教书。1811年欧姆又回到埃尔兰根完成了大学学业，并通过考试于1813年获得哲学博士学位。1817年，他的几何学教科书一书出版。同年应聘在科隆大学预科教授物理学和数学。在该校设备良好的实验室里，作了大量实验研究，完成了一系列重要发明。他最主要的贡献是通过实验发现了电流公式，后来被称为欧姆定律。1826年，他把这些研究成果写成题目为金属导电定律的测定的论文，发表在德国化学和物理学杂志上。欧姆在1827年出版的动力电路的数学研究一书中，从理论上推导了欧姆定律。为了纪念他，人们把电阻的单位命名为欧姆。其定义是：在电路中两点间，当通过1A稳恒电流时，如果这两点间的电压为1V，那么这两点间导体的电阻便定义为1W。1.2.5 电能与电功率在我们每天的生产、生活和学习中，都大量地使用着各种各样的电气设备。消耗着大量的电能。作为一种能源，电能是宝贵且有限的，如何科学地使用用电器，节约电能，避免浪费，是每一位现代人应该思考的问题。1电能在日常生活中，我们提水、推车、向上搬移重物都是在做功。电流在通过负载时，将电能转变为另一种能量（如光能、热能、机械能等），这些能量的传递和转换现象都是电流做功的表现。在电场力作用下，电荷定向移动形成电流所做的功称为电功。电流做功的过程就是将电能转化成其他形式的能的过程。因此，电功也称电能。如果加在导体两端的电压为U，在时间t内通过导体横截面的电荷量为Q，则电流所做的功为：W=UQ，根据电流的定义I=Q/t可知，电流所做的功，即电功的大小为W=UQ=UIt（1-5）式中 W电功，单位是焦耳（J）；U加在导体两端的电压，单位是伏特（V）；I导体中的电流，单位是安培（A）；t通电时间，单位是秒（s）。式（1-11）表明，电流在一段电路上所做的功，与这段电路两端的电压、电路中的电流和通电时间成正比。在国际单位制中，电功的单位是焦耳，简称焦，符号是J。如果加在导体两端的电压为1V，导体中的电流为1A，在1s时间内的电功就是1J。在实际使用中，电功常用千瓦时（俗称度）为单位，符号是kWh。1kWh=3.6106 J=3.6MJ对于纯电阻电路，欧姆定律成立，即U=RI，I=U/R，代入上式得到2电功率电功率是描述电流做功快慢的物理量。电流在单位时间内所做的功叫做电功率。如果在时间t内，电流通过导体所做的功为W，那么电功率为P=W/t（1-6）式中 P电功率，单位是瓦特（W）；W电能，单位是焦耳（J）；t电流做功所用的时间，单位是秒（s）。在国际单位制中功率的单位是瓦特，简称瓦，符号是W。如果在1s时间内，电流通过导体所做的功为1J，电功率就是1W。电功率的常用单位还有千瓦（kW）和毫瓦（mW），它们之间的关系为1kW103W1W103mW对纯电阻电路，电功率的公式还可以写成例1.6 一电阻元件的铭牌上标有“500W5W”，求电阻允许通过的最大电流和允许加在电阻两端的最大电压。分析：求解本题所用的公式为。解：电阻允许通过的最大电流允许加在电阻两端的最大电压例1.7 小李家现有“220V 40W”的白炽灯5盏，若（1）如果平均每天使用4小时，一年（365天）用电多少度？（2）如果平均每天少使用1小时，一年能节约用电多少度？（3）如果改用“220V、15W”的节能灯，每天还是使用4小时，一年能节约用电多少度？分析：求解本题所用的公式W=Pt，注意题中发生的量。解：（1）P=405=200W=0.2kW, t=4365=1460h 由电功率公式PW/t 可得： W=Pt0.21460292kWh（2）P=405=200W=0.2kW, t=3365=1095h W1=Pt=0.21095=219kWh DW1=WW1=292219=73kWh（3）P=155=75W=0.075kW, t=4365=1460h W2=Pt=0.0751460=109.5kWh DW2=WW2292109.5182.5kWh 提示通过例1.7的计算可知，我们要节约电能可以从两方面入手：一是减少电功率P；二是减少用电时间t。想一想在我们的日常生活中，你能想出更多的节电妙招吗？拓展与延伸电流的热效应在日常生活中，我们经常会发现用电器的一些热现象：电水壶能将水烧开，电视机使用一定时间后会发热，我们把这种电流通过导体会产生热的现象，称为电流的热效应。热效应是电流通过导体时，由于自由电子的碰撞，电能不断地转变为热能的客观现象。1840年，英国物理学家焦耳通过实验发现：电流通过导体产生的热量，与电流的平方、导体的电阻和通过的时间成正比，这就是焦耳定律。4年之后，俄国物理学家楞次公布了他的实验结果，从而进一步验证了焦耳关于电流热效应的正确性。因此，该定律也称为焦耳-楞次定律。用公式表示为式中 Q导体产生的热量，单位为焦耳（J）；I导体中通过的电流，单位是安培（A）；R导体的电阻，单位是欧姆（W）；t电流通过导体的时间，单位是秒（s）。在生产和生活中，很多用电器都是根据电流的热效应制成的；家庭中常见的电饭煲、电水壶、电熨斗等，工厂中常见的电炉、电烘箱等。但是电流的热效应也有不利的方面：如导线发热加速绝缘老化；电动机、变压器发热容易烧坏设备；电路短路会造成电气设备烧毁，甚至引起火灾。我们必须采取一定的保护措施，加以防范。我们经常看见的电灯泡上“220V 40W”或电阻器上“100W1W”的标志，这是为保证电气设备能长期安全工作的额定值。电气设备的额定值主要有额定电流IN，额定电压UN，额定功率PN，在直流电路中，三者的关系是PN=UNIN科学家小传焦耳（18181889）自幼跟随父亲参加酿酒劳动，没有受过正规的教育。青年时期，在别人的介绍下，焦耳认识了著名的化学家道尔顿，道尔顿给予了焦耳热情的教导。焦耳向他虚心学习了数学、哲学和化学，这些知识为焦耳后来的研究奠定了理论基础。而且道尔顿教诲了焦耳理论与实践相结合的科研方法，激发了焦耳对化学和物理的兴趣。焦耳最初的研究方向是电磁机，他想将父亲的酿酒厂中应用的蒸汽机替换成电磁机以提高工作效率。1837年，焦耳装成了用电池驱动的电磁机，但由于支持电磁机工作的电流来自锌电池，而锌的价格昂贵，用电磁机反而不如用蒸汽机合算。焦耳的最初目的虽然没有达到，但他从实验中发现电流可以做功，这激发了他进行深入研究的兴趣。1840年，焦耳把环形线圈放入装水的试管内，测量不同电流强度和电阻时的水温。通过这一实验，他发现：导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。4年之后，俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果，从而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的正确性。因此，该定律称为焦耳-楞次定律。詹姆斯瓦特（James Watt，17361819）詹姆斯瓦特是英国著名的发明家，是工业革命时期的重要人物。英国皇家学会会员和法兰西科学院外籍院士。他对当时已出现的蒸汽机原始雏形作了一系列的重大改进，发明了单缸单动式和单缸双动式蒸汽机，提高了蒸汽机的热效率和运行可靠性，对当时社会生产力的发展作出了杰出贡献。他改良了蒸汽机、发明了汽压表、汽动锤。后人为了纪念他，将功率的单位称为瓦特，常用符号“W”表示。瓦特是国际单位制中功率和辐射通量的计量单位，常用符号“W”表示。瓦特发明蒸汽机的故事在瓦特的故乡的小镇上，家家户户都是生火烧水做饭。对这种司空见惯的事，有谁留过心呢？瓦特就留了心。他在厨房里看祖母做饭。灶上坐着一壶开水。开水在沸腾。壶盖啪啪啪地作响，不停地往上跳动。瓦特观察好半天，感到很奇怪，猜不透这是什么缘故，就问祖母说：什么玩艺使壶盖跳动呢？祖母回答说：水开了，就这样。瓦特没有满足，又追问：为什么水开了壶盖就跳动？是什么东西推动它吗？可能是祖母太忙了，没有工夫答理他，便不耐烦地说：不知道。小孩子刨根问底地问这些有什么意思呢！瓦特在他祖母那里不但没有找到答案，反而受到了冤枉的批评，心里很不舒服，可他并不灰心。连续几天，每当做饭时，他就蹲在火炉旁边细心地观察着。起初，壶盖很安稳，隔了一会儿，水要开了，发出哗哗的响声。蓦地，壶里的水蒸气冒出来，推动壶盖跳动了。蒸汽不住地往上冒，壶盖也不停地跳动着，好像里边藏着个魔术师，在变戏法似的。瓦特高兴了，几乎叫出声来，他把壶盖揭开盖上，盖上又揭开，反复验证。他还把杯子、调羹遮在水蒸气喷出的地方。瓦特终于弄清楚了，是水蒸气推动壶盖跳动，这水蒸气的力量还真不小呢。就在瓦特兴高采烈，欢喜若狂的时候，祖母又开腔了：“你这孩子，不知好歹，水壶有什么好玩的，快给我走开！”他的祖母过于急躁和主观了，这随随便便不放在心上的话，险些挫伤了瓦特的自尊心和探求科学知识的积极性。年迈的老人啊，根本不理解瓦特的心，不知水蒸气对瓦特有多么大的启示！水蒸气推动壶盖跳动的物理现象，不正是瓦特发明蒸汽机的认识源泉吗？1769年，瓦特把蒸气机改成为发动力较大的单动式发动机。后来又经过多次研究，于1782年，完成了新的蒸汽机的试制工作。机器上有了联动装置，把单式改为旋转运动，完善的蒸汽机发明成功了。瓦特的一生充满着艰苦和斗争，他走过的道路是多么坎坷不平啊。他在艰苦和坎坷中为人类造了福，为人类前进开辟了新的里程。瓦特十分重视学习和实践：学习，丰富了他的智慧；实践，结出了丰硕的成果。技能训练一：电路电流、电压、电位的测量训练目标 了解电流表、电压表的结构、用途及测量方法。 掌握简单电路的连接技能，培养初步的实验操作技能，学会用实验数据探究电路规律。 进一步理解电流、电压、电位等电学量。测量电流常用的仪表是电流表和万用表；测量电压的仪表主要是电压表或万用表。看一看、想一想仔细观察电流表（如图1.13所示）、电压表（如图1.14所示）并思考： 图1.13 电流表图1.14 电压表（1）各接线柱（旋钮）的符号及含义。（2）刻度盘上标有字母A mA A、V、mV表示的含义。（3）对应各量程挡，刻度盘上的分度值分别是多少？读一读用电流表测量电流应注意的问题：（1）电流表必须串联于被测电路中，且使电流从电流表的“”端流入，从“”端流出。（2）测量前应检查指针是否对准零刻度线，如果有偏差，要调节表盘上的调零旋钮进行调节。（3）要选择合理的量程挡，通过电流表的电流不能超过它的量程。如果不能估计被测电流的大小，可以先将一个旋钮接好，然后将另一接线头快速碰触最大量程的接线柱，如果指针偏转仍然在较小的范围内，可以再选用较小的一个量程进行试碰直到指针偏转到表盘中间位置。（4）严禁将电流表并接在被测电流电阻两端。用电压表测量电压应注意的问题：（1）电压表应并接于被测电路两端，且使电流从电压表的“”端流入，从“”端接线柱流出。（2）注意所测电压不能超过电压表量程，若不能估计被测电压，可以采用碰触法（方法同电流表的使用）。（3）使用电压表前应先调零。议一议如果被测电流超出电流表量程或不慎把电流表并接到电路上，可能出现什么后果？为什么？练一练1测量简单电路的电流和电压（如图1.15所示）图1.15 简单直流电路（1）如图1.13所示电路，断开1、2连线，将电流表从1、2之间串联接入电路，将电压表从3、7两点并联接入电路。（2）合上开关S，读取两表读数，分别为I1=_A，U2=_V。（3）断开S，将电压表从5、7两点并联接入电路，断开8、9连线，将电流表从8、9点之间接入电路，再合上S，读取两表读数分别为：I2=_，U2=_V。（4）断开S，将电压表从7、8两点并联接入电路，断开3、4连线，将电流表从3、4点之间串联接入电路，合上S，两表读数分别为：I2=_，U3=_V。（5）断开S，断开5、6连线，将电流表从5、6两点串联接入电路，将电压表从2、8点之间并联接入电路，两表读数分别为：I3=_，U4=_V2观察上述测量数据，可以发现各电流和电压之间存在联系，验证了什么规律？（1）I1=I4，表明_。（2）U2=U1，表明_。（3）I1=I2 + I3，表明_。（4）U4=U1 + U3，表明_。议一议如果换用同一表的不同量程挡或不同的电压表、电流表，上述测量结果会不会相同？读一读理想的电流表内阻为零，理想的电压表内阻为无穷大，但实际的电流表存在一定的内阻，实际的电压表内阻也不是无穷大，所以在接入电路后，都会不同程度地影响电路。不同的电流表和电压表或同一表的不同量程挡，内阻也不完全一样，对被测电路的影响也不一样，所以用不同的电流表和电压表或同一表的不同量程挡测量同一物理量，其结果也会有所不同。拓展与延伸电位和电压是两个不同的概念。电压是任意两点之间的电位之差，而电位则可以看成是测量点与零电位点之间的电压。计算电路中某点的电位实际上就是计算该点到零电位点之间的电压，其方法是：沿着一条路径从被测量点到参考点，该点电位就等于此路径上各段电路电压的代数和。 注意某段电路上电压的正、负号确定，如果是从正极到负极（高电位到低电位），就取“+”号，反之就取“-”号。知识能力训练1导体中电流为0.1A，则1min通过导体横截面的电荷量为_C。2用电流表测量电流时，必须先_电路，然后将电流表_联到电路中，且应使电流从电流表的_极流入，_极流出。3如果不知待测电压（电流）的大小，采用试碰法选择量程时，应先从最_（高、低）量程挡开始。技能训练二：学习使用万用表测量电阻训练目标 了解万用电表的结构、用途及测量电阻的方法。看一看、想一想万用电表有什么用途，它可用来测量哪些量？怎样用万用电表测量电阻？万用电表是一种多用途、多量程的便携式电工仪表。一般的万用表可以测量直流电流、直流电压、交流电压和电阻等，有些万用电表还可以测量电容、功率、晶体管共射极直流放大系数等，所以万用电表是从事电气和电子设备的安装、调试与维修的人员必备的电工仪表之一。万用电表有指针式（模拟式）、数字式两种。万用表面板上主要分成两个区域，即刻度区、换挡开关区，如图1.16所示。换挡区分成电流挡，直流电压挡，交流电压挡以及电阻挡（又称欧姆挡），各挡又分成若干量程挡。刻度区对应不同测量挡有不同的刻度线。表面刻度盘电表指针选择与量程开关调零旋钮指针调节螺丝表笔塞孔图1.16 万用表反映物质导电能力的物理量是电阻，用符号R表示，其国际标准单位是欧姆，用W表示。测量电阻有很多种方法，除用万用表直接测量外，还可以采用伏安法、惠斯通电桥法等间接测量的方法。 注意（1）电压、电流挡的刻度线是均匀的且零刻度线位于表盘的最左端。（2）欧姆挡的刻度线是不均匀的且零刻度线位于表盘的最右端。读一读使用前要调零。调零包括机械调零和欧姆调零。（1）机械调零在未作任何连接前，观察指针是否指在刻度盘最左端零刻度线处，如不指在零刻度处，则用一字改锥调整表盘中间机械调零旋钮，将指针调整到零刻度处。（2）欧姆调零如果是测量电阻，将红、黑表笔分别插入“+”“*”或“-”孔中，将红黑二表笔短接，观察指针是否对准刻度盘最右端零欧姆刻度线处，如没有，则调节欧姆调零旋钮使之对准，此称为欧姆调零。 注意每改变一次量程测量电阻前，均要重新进行一次欧姆调零。议一议万用表在使用一段时间后，欧姆调零可能难以调整到位，此时可能需要更换万用表的电池，为什么？读一读（1）首先正确选择测量挡，注意不能选错，如果错将电流挡当成电压挡接到电路中，将产生严重后果。（2）要合理选择量程挡。测量电压电流时，量程挡的选择方法同电压表和电流表量程挡的选择一样：测量电阻时，由于欧姆表刻度不均匀，为提高读数的准确度，选择量程挡时以使指针偏转到满刻度的1/22/3之间为宜。练一练1任取一电阻，测量其阻值。2测量人体电阻。 注意万用表使用一段时间后，由于电池电动势下降，即使R调到最小，电流计也难以达到满偏，此时需要更换电池。议一议（1）欧姆表表盘刻度从左到右，刻度线是由密至疏还是由疏至密？为什么欧姆表刻度是不均匀的？（2）在万用表不用时，应将开关转至交流电压最大挡，禁止置于欧姆挡，为什么？知识能力训练1导体的电阻与其长度成_关系，与其横截面积成_关系，同时还与_ _ _等因素有关。2通常情况下，下列物质中属于绝缘体的有_A塑料B橡胶C玻璃D毛皮E干燥的竹杆F盐开水G铁棒H空气3万用表是一种用来测量_、_和_等参数的测量仪表。4万用表表盘有多组刻度线，其中_及_刻度线是均匀的，其零刻度线在表盘的最_端，而_刻度线是不均匀的，其中最密的部分在表盘的最_端，其零刻度线在表盘的最_端。5万用表在不使用时，应置于_挡，而不应置于_挡，否则易于_。6万用表的调零分为_调零和_调零，其中每次进行电阻挡换挡测量时，都必须做的调零是_调零。7伏安法测量电阻可以有两种接法，即_和_。当被测电阻值较大时，宜采用_。8试述如何进行万用表的调零？拓展与延伸电工测量的对象主要是电压、电流、电阻、电功率、电能等电学量。电工测量所采用的电工仪表一般是指安装式仪表、实验室和便捷式仪表以及电度表等。这些仪表均可以以指针或数字形式直接显示测量结果，故也称为直读式电工仪表。安装式仪表是指定安装在发电站、变电所的开关板上以及小型电器设备上使用的仪表。实验室和便捷式仪表是指在科学、教学以及工厂企业的实验室、现场测量用的仪表，它的特点是非固定安装，便捷式可移动。1电工仪表的分类（1）按工作原理可分为：磁电系仪表、电磁系仪表、电动系仪表、感应系仪表、电子系仪表等。（2）按测量对象可分为：电流表（安培表、毫安表、微安表）、电压表（伏特表、毫伏表、微伏表、千伏表）、功率表（瓦特表）、电度表（电能表）等。（3）按仪表的准确度由高到低分类，有0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5.0共7个等级。（4）按仪表工作电流分为直流仪表、交流仪表和交直流两用仪表。（5）按使用条件分为A、A1、B、B1和C这5组。（6）按显示方式可分为指针式仪表和数字显示式仪表。2电工仪表的选择（1）根据被测量性质，正确选择仪表类型。如注意区分直流与交流，正弦波与非正弦波，低频与高频等。（2）根据实际的测量要求选择仪表的准确度等级，即：0.1级0.2级标准式精密测量用。0.5级1.5级实验室一般测量。1.0级5.0级工业生产用。（3）根据被测量大小合理选择仪表量程。应使被测量的值在仪表量程的1/22/3。（4）根据仪表使用场所及工作环境选择仪表。知识能力训练11J的电能可供功率为10W的用电器工作多少时间？2电阻元件所消耗的电能与通过它的电流成 比关系，与加在其两端电压成 比关系，与通电时间成 比关系。3“220V，220W”的电器接到110V的电源上工作时通过的电流等于多少？4某车间有“220V，110W”日光灯100盏，平均每天照明8h，问该车间一天照明用电为多少度？技能训练三：简单电路的设计及安装“两只双联开关控制一只白炽灯电路”训练目标 初步掌握简单电路的设计及安装，培养学生自主、合作、探究、创新的能力想一想如果也用一只单联开关控制楼道口的灯，方便吗？为什么？用一只单联开关来控制这盏灯，无论是装在楼上还是楼下，开灯和关灯都不方便，装在楼下，上楼时开灯方便，到楼上就无法关灯；反之，装在楼上同样不方便。因此，为了方便起见，就在楼上、楼下各装一只双联开关来同时控制楼道口的这盏灯，即：两只双联开关控制一只白炽灯电路的安装。看一看、想一想1双联开关与单联开关的结构的区别（单联开关只有两个接线桩头，而双联开关有三个接线桩头）。2双联开关的三个接线桩头之间的接触关系。3实物及结构图如图1.17123 图1.17 双联开头 注意双联开关有三个接线桩头，其中桩头1为连铜片（简称连片），它就像一个