第二章、恒定电流

1、10第二章、恒定电流第一节、导体中的电场和电流1电源： 电源就是把自由电子从正极搬迁到负极的装置(电源内部)。（从能量的角度看，电源是一种能够不断地把其他形式的能量转变为电能的装置）2导线中的电场：导线中的电场是两部分电荷分布共同作用产生的结果，其一是电源正、负极产生的电场，可将该电场分解为两个方向：沿导线方向的分量使自由电子沿导线作定向移动，形成电流；垂直于导线方向的分量使自由电子向导线某一侧聚集，从而使导线的两侧出现正、负净电荷分布。其二是这些电荷分布产生附加电场，该电场将削弱电源两极产生的垂直导线方向的电场，直到使导线中该方向合场强为零，而达到动态平衡状态。此时导线内的电场线保持与导线平

2、行，自由电子只存在定向移动。因为电荷的分布是稳定的，故称恒定电场。恒定电场：由稳定分布的电荷所产生的稳定电场称恒定电场。3电流（标量）（1）概念：电荷的定向移动形成电流。（2）电流的方向：规定为正电荷定向移动的方向。（3）定义：通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用的时间的比值。定义式：电流的微观表示：取一段粗细均匀的导体，两端加一定的电压，设导体中的自由电子沿导体定向移动的速率为v。设想在导体中取两个横截面B和C，横截面积为S，导体中每单位体积中的自由电荷数为n，每个自由电荷带的电量为q，则t时间内通过横截面C的电量Q是多少？电流I为多少？Q=nV=nvtSq I=Q/t=nvqS 这就是电

3、流的微观表示式。（4）单位：安培（A），1 A =103mA = 106µA（5）电流的种类 直流电：方向不随时间而改变的电流。直流电分为恒定电流和脉动直流电两类：其中大小和方向都不随时间而改变的电流叫恒定电流；方向不随时间改变而大小随时间改变的电流叫脉动直流电。 交流电：方向和大小都随时间做周期变化的电流。第二节、电动势1. 在金属导体中电流的形成是什么？（自由电子）2在外电路中电流的方向？（从电源的正极流向负极）3电源是靠什么能力把负极的正电荷不断的搬运到正极以维持外电路中恒定的电流？1电源（1）电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。（2）非静电力在电源中所起的

4、作用：是把正电荷由负极搬运到正极，同时在该过程中非静电力做功，将其他形式的能转化为电势能。 【注意】在不同的电源中，是不同形式的能量转化为电能。 2电动势（1）定义：在电源内部，非静电力所做的功W与被移送的电荷q的比值叫电源的电动势。（2）定义式：E=W/q（3）单位：伏（V）（4）物理意义：表示电源把其它形式的能（非静电力做功）转化为电能的本领大小。电动势越大，电路中每通过1C电量时，电源将其它形式的能转化成电能的数值就越多。【注意】： 电动势的大小由电源中非静电力的特性（电源本身）决定，跟电源的体积、外电路无关。电动势在数值上等于电源没有接入电路时，电源两极间的电压。电动势在数值上等于非静

5、电力把1C电量的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。3电源（池）的几个重要参数电动势：它取决于电池的正负极材料及电解液的化学性质，与电池的大小无关。内阻（r）:电源内部的电阻。容量：电池放电时能输出的总电荷量。其单位是：A·h，mA·h.【注意】：对同一种电池来说，体积越大，容量越大，内阻越小。第三节、欧姆定律1、欧姆定律闭合S后，移动滑动变阻器触头，记下触头在不同位置时电压表和电流表读数。电压表测得的是导体R两端电压，电流表测得的是通过导体R的电流，记录在下面表格中。U/V     I/A  

6、60;  把所得数据描绘在U-I直角坐标系中，确定U和I之间的函数关系。分析：这些点所在的图线包不包括原点？包括，因为当U=0时，I=0。这些点所在图线是一条什么图线？过原点的斜直线。即同一金属导体的U-I图象是一条过原点的直线。把R换成与之不同的R，重复前面步骤，可得另一条不同的但过原点的斜直线。结论：同一导体，不管电流、电压怎么样变化，电压跟电流的比值是一个常数。这个比值的物理意义就是导体的电阻。 （1）、导体的电阻定义：导体两端电压与通过导体电流的比值，叫做这段导体的电阻。公式：R=U/I（定义式）说明：A、对于给定导体，R一定，不存在R与U成正比，与I成反比的关系，

7、R只跟导体本身的性质有关B、这个式子（定义）给出了测量电阻的方法伏安法。C、电阻反映导体对电流的阻碍作用单位：欧姆，符号，且1=1VA，常用单位：、k 、M换算关系：1k=103    1M=103K（2）欧姆定律定律内容：导体中电流强度跟它两端电压成正比，跟它的电阻成反比。公式：I=U/R 适应范围：一是部分电路，二是金属导体、电解质溶液2、导体的伏安特性曲线（1）伏安特性曲线：用纵坐标表示电流I，横坐标表示电压U，这样画出的I-U图象叫做导体的伏安特性曲线。（2）线性元件和非线性元件线性元件：伏安特性曲线是通过原点的直线的电学元件。非线性元件：伏安特

8、性曲线是曲线，即电流与电压不成正比的电学元件。第四节、串联电路和并联电路1串联电路和并联电路（1） 串联电路电路中各处的电流强度相等。I=I1=I2=I3=电路两端的总电压等于各部分电路两端电压之和U=U1+U2+U3+串联电路的总电阻，等于各个电阻之和。R=R1+R2+R3+电压分配：U1/R1=U2/R2 U1/R1=U/Rn个相同电池（E、r）串联：En = nE rn = nr（2）并联电路 并联电路中各支路两端的电压相等。U=U1=U2=U3= 电路中的总电流强度等于各支路电流强度之和。I=I1+I2+I3+ 并联电路总电阻的倒数，等于各个电阻的倒数之和。 1/R=1/R1+1/R2

9、+1/R3+ 对两个电阻并联有：R=R1R2/（R1+R2） 电流分配：I1/I2=R1/R2 I1/I=R1/Rn个相同电池（E、r）并联：En = E rn =r/n再由学生讨论下列问题： 几个相同的电阻并联，总电阻为一个电阻的几分之一； 若不同的电阻并联，总电阻小于其中最小的电阻； 若某一支路的电阻增大，则总电阻也随之增大； 若并联的支路增多时，总电阻将减小； 当一个大电阻与一个小电阻并联时，总电阻接近小电阻。串联和并联的总电阻是串联和并联的等效电阻，电阻R的作用效果与R1、R2串联使用或并联使用时对电路的效果相同，2电压表和电流表 -串、并联规律的应用常用的电压表和电流表都是由小量程的

10、电流表G（表头）改装而成。（1）表头G：构造（从电路的角度看）：表头就是一个电阻，同样遵从欧姆定律，与其他电阻的不同仅在于通过表头的电流是可以从刻度盘上读出来的。原理：磁场对通电导线的作用P98（为后续知识做准备）（2）描述表头的三个特征量（三个重要参数）内阻Rg：表头的内阻。满偏电流Ig：电表指针偏转至最大角度时的电流（另介绍半偏电流）满偏电压Ug：电表指针偏转至最大角度时的电压，与满偏电流Ig的关系Ug=IgRg，因而若已知电表的内阻Rg，则根据欧姆定律可把相应各点的电流值改写成电压值，即电流表也是电压表，本质上并无差别，只是刻度盘的刻度不同而已。（3）表头的改装和扩程（综合运用串、并联电

11、路的规律和欧姆定律）关于电表的改装要抓住问题的症结所在，即表头内线圈容许通过的最大电流(Ig)或允许加的最大电压(Ug)是有限制的。第五节、焦耳定律1电功和电功率（1）电功定义：电路中电场力对定向移动的电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流的功。用W表示。实质：是能量守恒定律在电路中的体现。即电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程，在转化过程中，能量守恒，即有多少电能减少，就有多少其他形式的能增加。【注意】功是能量转化的量度，电流做了多少功，就有多少电能减少而转化为其他形式的能，即电功等于电路中电能的减少，这是电路中能量转化与守恒的关键。在第一章里我们学过电场力对电荷的功，若电荷q在电

12、场力作用下从A搬至B，AB两点间电势差为UAB，则电场力做功W=qUAB。对于一段导体而言，两端电势差为U，把电荷q从一端搬至另一端，电场力的功W=qU，在导体中形成电流，且q=It，（在时间间隔t内搬运的电量为q，则通过导体截面电量为q，I=q/t），所以W=qU=IUt。这就是电路中电场力做功即电功的表达式。表达式：W = Iut 【说明】：表达式的物理意义：电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压、电路中电流强度和通电时间成正比。适用条件：I、U不随时间变化恒定电流。单位：焦耳（J）。1J=1V·A·s（2）电功率定义：单位时间内电流所做的功表达式：P=W/t=UI（

13、对任何电路都适用）上式表明：电流在一段电路上做功的功率P，和等于电流I跟这段电路两端电压U的乘积。单位：为瓦特（W）。1W=1J/s额定功率和实际功率额定功率：用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下消耗的功率称额定功率。实际功率：用电器在实际电压下的功率。实际功率P实=IU，U、I分别为用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。这里应强调说明：推导过程中没用到任何特殊电路或用电器的性质，电功和电功率的表达式对任何电压、电流不随时间变化的电路都适用。再者，这里W=IUt是电场力做功，是消耗的总电能，也是电能所转化的其他形式能量的总和。电流在通过导体时，导体要发热，电能转化为内能。这就是

14、电流的热效应，描述它的定量规律是焦耳定律。一般认为，W=IUt，又由欧姆定律，U=IR，所以得出W=I2Rt，电流做这么多功，放出热量Q=W=I2Rt。这句话对还是错？2焦耳定律电流热效应（1）焦耳定律内容：电流通过导体产生的热量，跟电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比。表达式：      Q=I2Rt 【说明】：对纯电阻电路（只含白炽灯、电炉等电热器的电路）中电流做功完全用于产生热，电能转化为内能，故电功W等于电热Q；这时W= Q=UIt=I2Rt （2）热功率：单位时间内的发热量。即P=Q/t=I2R 【注意】和都是电流的功率

15、的表达式，但物理意义不同。对所有的电路都适用，而式只适用于纯电阻电路，对非纯电阻电路（含有电动机、电解槽的电路）不适用。关于非纯电阻电路中的能量转化，电能除了转化为内能外，还转化为机械能、化学能等。这时W Q。即W=Q+E其它 或P =P 热+ P其它、UI = I2R + P其它再增补两个问题（1）电动机的效率。（2）若由于某种原因电动机被卡住，这时电动机消耗的功率为多少？注意，在非纯电阻电路中，欧姆定律已不适用。补充练习：某一用直流电动机提升重物的装置如上图所示，重物质量m=50kg，电源提供恒定电压U=110V，不计各处摩擦，当电动机以v=0.90ms的恒定速度向上提升重物时，电路中电流

16、强度I=5A，求电动机线圈电阻R（g=10ms2）。（4）第6节 电阻定律1、电阻定律.（1）L1、L2为横截面积相同、材料相同而长度不同的合金导线（镍铬丝）（2）L2、L3为长度相同，材料相同但横截面积不同的合金导线（镍铬丝）（3）L3、L4为长度相同、横截面积相同但材料不同的合金导线（L3为镍铬丝，L4为康铜丝）演示实验：按下图连接成电路。（1）研究导体电阻与导体长度的关系将与A、B连接的导线分别接在L1、L2两端，调节变阻器R，保持导线两端的电压相同，并测出电流.比较通过L1、L2电流的不同，得出导线电阻与导线长度的关系。从实验知道，电流与导线的长度成反比，表明导线的电阻与导线的长度成正

17、比。（2）研究导体电阻与导体横截面积的关系将与A、B连接的导线分别接在L2、L3两端，调节变阻器R，保持导线两端的电压相同，并测出电流.比较通过L2、L3电流的不同，得出导线电阻与导体横截面积的关系。从实验知道，电流与导线的横截面积成正比，表明导线的电阻与导线的横截面积成反比。（3）研究导体的电阻与导体材料的关系将与A、B连接的导线分别接在L3、L4两端，重做以上实验。从实验知道，电流与导体的材料有关，表明导线的电阻与材料的性质有关。电阻定律：（1）内容：同种材料的导体的电阻R跟它的长度L成正比，跟它的横截面积S成反比；导体电组与构成它的材料有关。这就是电阻定律。（2）公式：R=式中是比例常数

18、，它与导体的材料有关，是一个反映材料导电性能的物理量，称为材料的电阻率。电阻率：（1）电阻率是反映材料导电性能的物理量。（2）单位：欧·米（·m）投影几种导体材料在20时的电阻率材料/·m材料/·m银1.6×10-8铁1.0×10-7铜1.7×10-8锰铜合金4.4×10-7铝2.9×10-8镍铜合金5.0×10-7钨5.3×10-8镍铬合金1.0×10-6锰铜合金：85%铜，3%镍，12%锰。镍铜合金：54%铜，46%镍。.镍铬合金：67.5%镍，15%铬，16%铁，1.5

19、%锰。（1）金属与合金哪种材料的电阻率大？（2）制造输电电缆和线绕电阻时，怎样选择材料的电阻率？参考解答（1）从表中可以看出，合金的电阻率大。（2）制造输电电缆时应选用电阻率小的铝或铜来做.制造线绕电阻时应选用电阻率大的合金来制作。2、电阻率与温度的关系演示实验：将日光灯灯丝（额定功率为8 W）与演示用欧姆表调零后连接成下图电路，观察用酒精灯加热灯丝前后，欧姆表示数的变化情况。当温度升高时，欧姆表的示数变大，表明金属灯丝的电阻增大，从而可以得出：金属的电阻率随着温度的升高而增大。1、电阻定律R=2、电阻率是反映材料导电性能的物理量.材料的电阻率随温度的变化而改变；某些材料的电阻率会随温度的升高

20、而变大（如金属材料）；某些材料的电阻率会随温度的升高而减小（如半导体材料、绝缘体等）；而某些材料的电阻率随温度变化极小（如康铜合金材料）第7节 闭合电路欧姆定律1、闭合电路欧姆定律闭合电路是由哪几部分组成的？内电路和外电路。在外电路中，沿电流方向，电势如何变化？为什么？沿电流方向电势降低。因为正电荷的移动方向就是电流方向，在外电路中，正电荷受静电力作用，从高电势向低电势运动。在内电路中，沿电流方向，电势如何变化？为什么？沿电流方向电势升高。因为电源内部，非静电力将正电荷从电势低处移到电势高处。如果电源是一节干电池，在电源的正负极附近存在着化学反应层，反应层中非静电力（化学作用）把正电荷从电势低

21、处移到电势高处，在这两个反应层中，沿电流方向电势升高。在正负极之间，电源的内阻中也有电流，沿电流方向电势降低。设电源电动势为E，内阻为r，外电路电阻为R，闭合电路的电流为I，（1）写出在t时间内，外电路中消耗的电能E外的表达式；（2）写出在t时间内，内电路中消耗的电能E内的表达式；（3）写出在t时间内，电源中非静电力做的功W的表达式；（1）E外=I2Rt（2）E内=I2rt（3）W=Eq=EIt根据能量守恒定律，W= E外+E内即EIt =I2Rt+ I2rt整理得：E =IR+ Ir或者闭合电路的欧姆定律:（1）内容：闭合电路中的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比，这个结论叫做闭合电路的欧姆定律。（2）公式：I=（3）适用条