高二物理人教版选修31讲义第二章第2节电动势

一、电源在电路中的作用┄┄┄┄┄┄┄┄①1．非静电力(1)定义：电源把正电荷(负电荷)从负极(正极)搬运到正极(负极)的过程中做功的力。这种非静电力做的功，使电荷的电势能增加。(2)在电池中，非静电力是化学作用，它使化学能转化为电势能；在发电机中，非静电力是电磁作用，它使机械能转化为电势能。2．电源(1)定义：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)不同的电源，非静电力做功的本事不同，这是由电源本身性质打算的。[留意]正确理解非静电力和静电力(1)非静电力：除静电力之外，对电荷的运动起促进或阻碍作用的力，常见的有化学力、洛伦兹力、涡旋电场力等。在电源外部的电路里，自由电荷在电场力作用下移动，电场力做正功，电势能转化为其他形式的能；在电源内部，自由电荷移动的方向与受到的电场力方向相反，移送电荷的不再是电场力，叫做“非静电力〞。非静电力做功将电荷“移送〞到电势能高的电极，增加电势能(消耗其他形式的能)。所以可以说：电源是通过非静电力做功，将其他形式的能转化为电势能的装置。(2)静电力：又称库仑力，是静止带电体之间的作用力，每一对静止的点电荷之间的静电力均可以用库仑定律去求解。①[判一判]1．在电源内部，电荷移动过程中，电场力做负功，电荷电势能增加(√)2．在电源内部，电荷移动过程中，非静电力做正功，电荷电势能削减(×)3．全部的电源，均是将化学能转化为电能的装置(×)二、电动势和内阻┄┄┄┄┄┄┄┄②1．电动势(1)定义：非静电力把正电荷在电源内部从负极搬运到正极所做的功跟被搬运的电荷量的比值叫电源的电动势。(2)公式：E＝eq\f(W,q)。(3)单位：伏特，用符号“V〞表示。(4)物理意义：电动势的大小反映了电源将其他形式的能转化为电能的本事，电动势大，表示电源的转化本事大。(5)大小：从做功角度，其数值等于非静电力把1_C的正电荷在电源内部从负极搬运到正极所做的功。(6)方向：电动势是标量，为争论问题便利，规定其方向为电源内部电流的方向，即由电源负极指向正极。(7)电动势的打算因素：电动势是电源的属性，大小完全由电源本身打算，与电源的体积和外电路的组成及变化状况无关。2．电源的内阻及电池的容量(1)电源的内阻：电源的内部也是由导体组成的，所以也有电阻，这个电阻叫做电源的内阻。内阻与电动势为电源的两个重要参数。(2)电池的容量：①定义：电池放电时能输出的总电荷量，通常以安培时(A·h)或毫安时(mA·h)作单位。②特点：电池的容量与放电状态有关，同样的电池，小电流、间断性放电要比大电流、连续放电的容量大。对同一种电池，体积越大，电池的容量越大，电池的内阻越小。[留意](1)不同电源把其他形式的能转化为电能的本事是不同的。电动势在数值上等于非静电力将1C正电荷在电源内从负极搬运到正极所做的功，也就是1C的正电荷所增加的电势能。(2)公式E＝eq\f(W,q)是电动势的定义式而不是打算式，E的大小与W和q无关，是由电源自身的性质打算的。电动势不同，表示将其他形式的能转化为电能的本事不同。例如，蓄电池的电动势为2V，说明在蓄电池内移送1C的电荷时，可以将2J的化学能转化为电能。②[填一填]铅蓄电池的电动势为2V，一节干电池的电动势为1.5V，将铅蓄电池和干电池分别接入电路，两个电路中的电流分别为0.1A和0.2A。两个电路都工作20s时间，电源所消耗的化学能分别为________和________，________把化学能转化为电能的本事更大。解析：对于铅蓄电池的电路，20s时间内通过的电荷量为q1＝I1t＝2C；对于干电池的电路，20s时间内通过的电荷量为q2＝I2t＝4C。由电动势的定义式E＝eq\f(W,q)得电源消耗的化学能分别为W1＝q1E1＝4J，W2＝q2E2＝6J。由于E1>E2，故铅蓄电池把化学能转化为电能的本事更大。答案：4J6J铅蓄电池抽水机抽水抽水机外高处→低处水从高处流向低处水的重力做正功重力势能转化为其他形式的能抽水机作用下低处→高处水从低处被运向高处抽水机对水做正功其他形式的能转化为重力势能电源供电电源外部正极→负极正电荷由高电势处向低电势处运动电场力做正功电势能转化为其他形式的能电源内部负极→正极正电荷由低电势处移到高电势处非静电力对电荷做正功其他形式的能转化为电势能[典型例题]例1.以下说法中正确的选项是()A．在外电路中和电源内部，正电荷都受静电力作用，所以能不断地定向移动形成电流B．静电力与非静电力都可以使电荷移动，所以本质上都是使电荷的电势能削减C．在电源内部正电荷能从负极到达正极是由于电源内部只存在非静电力而不存在静电力D．静电力移动电荷做功电势能削减，非静电力移动电荷做功电势能增加[解析]在电源内部，电荷受到的非静电力大于静电力，非静电力将正电荷从电源负极运送到正极，并将其他形式的能转化为电势能；在电源外部，正电荷受静电力作用从电源正极移动到负极，并将电势能转化为其他形式的能，A、B、C错误，D正确。[答案]D[点评]静电力与非静电力做功的区分非静电力只在电源内部对电荷做功，将其他形式的能转化为电能，但静电力在整个闭合电路上都要做功，将电能转化为其他形式的能，在整个电路上，非静电力做的功与静电力做的功相等。[即时稳固]1．如图为电源和导线内移送电荷的状况，那么将单位正电荷沿闭合回路移动一周所释放的能量大小取决于()A．电源电动势B．电路中电流的大小C．电源的内阻D．电源的容量解析：选A移送电荷一周所释放的能量，就是电源供应应电荷的电势能，数值等于电源内部非静电力做功的数值，即W＝Eq。题干中限定了单位正电荷，可见W的数值只取决于E，故A正确，B、C、D错误。电势差电动势意义表示电场力做功将电能转化为其他形式的能的本事大小表示非静电力做功将其他形式的能转化为电能的本事大小定义UAB＝eq\f(WAB,q)，数值上等于将单位电荷量的正电荷从导体一端移到另一端电场力所做的功E＝eq\f(W,q)，数值上等于将单位电荷量的正电荷从电源负极移到正极非静电力所做的功单位伏特(V)伏特(V)正负含义电流流过电阻，电势降落，沿电流方向为正，逆电流方向为负一般地，在中学E取正值，不争论负电动势问题打算因素由电源及导体的电阻和连接方式打算仅由电源本身打算测量方法将电压表并联在被测电路两端将内阻很大的电压表并联于电源两端，且外电路断开(1)n个完全相同的电源串联：电源的总电动势E总＝nE，电源的总内阻r总＝nr。(2)n个完全相同的电源并联：电源的总电动势E总＝E，电源的总内阻r总＝eq\f(r,n)。[留意](1)电动势E＝eq\f(W,q)与U＝eq\f(W电,q)及电场强度E＝eq\f(F,q)均为比值定义式。(2)电压U计算时有正有负，而电动势E只能取正值。(3)电源电动势和电场强度所用的符号相同，留意区分。[典型例题]例2.以下有关电动势的说法正确的选项是()A．电源的电动势跟电源内非静电力做的功成正比，跟通过的电荷量成反比B．电动势的单位跟电压的单位全都，所以电动势就是电源两极间的电压C．非静电力做功越多，电动势就越大D．E＝eq\f(W,q)只是电动势的定义式而非打算式，电动势的大小由电源内非静电力的特性打算[解析]电动势的关系式E＝eq\f(W,q)是比值定义式而非打算式，不能说和W成正比和q成反比，A错误；虽然电动势的单位跟电压的单位全都，但电动势是和非静电力所做的功对应的物理量，而电压是和静电力所做的功对应的物理量，B错误；非静电力所做的功多少还和移动的电荷量有关，C错误；由电动势的定义可知，D正确。[答案]D[点评](1)电源的电动势是表征电源把其他形式的能转化为电能的本事大小的物理量，即非静电力移送相同电荷量的电荷做功越多，那么电动势越大。(2)公式E＝eq\f(W,q)中W为非静电力做的功，而E的大小与W、q无关。(3)电源电动势的大小是由电源本身性质打算的，不同种类的电源电动势的大小不同。[即时稳固]2．下面是对电源电动势概念的熟悉，你认为正确的选项是()A．同一电源接入不同的电路，电动势就会发生变化B．1号干电池比7号干电池大，但电动势相同C．电源电动势表征了电源把其他形式的能转化为电能的本事，电源把其他形式的能转化为电能越多，电动势就越大D．电动势和电压虽名称不同，但物理意义相同，所以单位也相同解析：选B电动势的大小由电源本身性质打算，与外电路及电池体积无关，A错，B对；电动势在数值上等于搬运1C电荷量把其他形式的能转化为电能的数值，C错；电动势是表征电源把其他形式的能转化为电能的本事的物理量，而电压是电势差的大小，D错。[典型例题]例3.据信息产业部的最新统计，某年上半年，国产品牌的国内市场占有率已高到达87%的份额。如下图的是某品牌电池上的文字说明，由此可知该电池的电动势和所储存的最大电能是()ZTE锂离子电池GB/T18287－2000型号：Li3706T42P3h614062标称电压：3.7V充电限制电压：4.2V额定容量：600mA·h×103J×103J×103J×103J[解析]由铭牌可知，该电池的电动势E＝3.7V，储存总电荷量Q＝600mA·h，依据E＝eq\f(W,q)及电池做的功等于消耗的电能，所以储存的最大电能E电能＝W＝QE＝600×10－3×3600×3.7J≈×103J，D正确。[答案]D[点评]求解此类问题的关键是能够从题目中提炼出有用的信息，然后依据相应的物理规律进行求解。[即时稳固]3．下表是两个电池外壳上的说明文字：某型号进口电池某型号国产电池RECHARGEABLE1.2V500mA·hSTANDARDCHARGE15hac50mAGNY0.6(KR－AA)1.2V600mA·hRECHARGEABLESTANDARDCHARGE15hac60mA(1)由表中数据可看出进口电池的电动势是多少伏？(2)上述国产电池最多可放出多少电荷量？假设该电池工作电流为0.03A，那么最多可工作多少个小时？解析：(1)由题表中数据可看出进口电池的电动势为1.2V。(2)国产电池可放出的电荷量为600mA·h，那么q＝600×10－3×3600C＝2160C由q＝It得t＝eq\f(q,I)＝eq\f(2160,0.03)s＝72000s＝20h。答案：(1)1.2V(2)600mA·h(或2160C)20h1．[多项选择]关于电源，以下说法中正确的选项是()A．电源可将其他形式的能转化为电能B．在电源内部，其他形式的能转化为电能C．在电源内部，电源依靠库仑力搬移电荷D．电源就是产生电荷的装置解析：选AB电源是将其他形式的能转化为电能的装置，A正确；在电源内部，非静电力做功将其他形式的能转化为电能，B正确，C错误；电源能够不断移动电荷，不能产生电荷，D错误。2．关于电源的说法不正确的选项是()A．电源外部存在着由正极指向负极的电场，内部存在着由负极指向正极的电场B．在电源外部电路中，负电荷靠电场力由电源的负极流向正极C．在电源内部电路中，正电荷靠非静电力由电源的负极流向正极D．在电池中，靠化学作用使化学能转化为电势能解析：选A无论电源内部还是外部，电场都是由正极指向负极，故A错；在外部电路中，负电荷靠电场力由负极流向正极，而内部电路中，正电荷由负极流向正极，因电场力与移动方向相反，故必有非静电力作用在电荷上才能使其由负极流向正极，在电池中，靠化学作用使化学能转化为电势能，故B、C、D对。3．电源电动势反映了电源把其他形式的能量转化为电能的力量，因此()A．电动势是一种非静电力B．电动势越大，说明电源储存的电能越多C．电动势的大小是非静电力做功力量的反映D．电动势E的单位与电势差的单位相同，故两者在本质上相同解析：选C电动势是反映电源通过非静电力做功，将其他形式的能转化为电能本事的物理量，电动势越大说明这种转化本事越强，但不能说明电源储存的电能越多，应选项A、B错误，C正确；电动势E的单位与电势差的单位相同，但两者在本质上不相同，应选项D错误。4．如图为一块电池的反面印有的一些符号，以下说法不正确的选项是()A．该电池的容量为500mA·hB．该电池的电动势为3.6VC．该电池在工作1小时后到达的电流为500mAD．假设电池以10mA的电流工作，可用50小时解析：选C由题图可得：该电池的容量为500mA·h，电动势为3.6V，故A、B正确；由电池的容量可知该电池在连续工作1小时的状况下，电流为I＝500mA，不是电池在工作1小时后到达的电流为500mA，故C错误；由q＝It得知，假设电池以10mA的电流工作，可用50小时，故D正确。5．有一蓄电池，当移动1C电荷时非静电力做的功是2J，该蓄电池的电动势是多少？给小灯泡供电，供电电流是0.2A，供电10min，非静电力做的功是多少？解析：由电动势的定义式得E＝eq\f(W,q)＝2V10min内通过电源的电荷量等于通过小灯泡的电荷量，即Q＝It＝120C那么非静电力做的功W′＝QE＝240J。答案：2V240J[根底练]一、选择题1．[多项选择]关于电动势，以下说法中正确的选项是()A．在电源内部把正电荷从负极移到正极，非静电力做功，电能增加B．对于给定的电源，移动正电荷非静电力做功越多，电动势就越大C．电动势越大，说明非静电力在电源内部把单位正电荷从负极向正极移送做功越多D．电动势越大，说明非静电力在电源内部把正电荷从负极向正极移送的电荷量越多解析：选AC电源是将其他形式的能转化为电能的装置，在电源内部把正电荷从负极移到正极，非静电力做功，电能就增加，选项A正确；电动势是反映电源内部其他形式的能转化为电能的本事大小的物理量，电动势在数值上等于移送单位正电荷做的功，不能说电动势越大，非静电力做功越多，也不能说电动势越大，被移送的电荷量越多，选项C正确，B、D错误。2．关于电源的电动势，以下说法正确的选项是()A．在某电池的电路中每通过2C的电荷量，电池供应的电能是4J，那么这个电池的电动势是0.5VB．电源的电动势越大，电源所供应的电能就越多C．电源接入电路后，其两端的电压越大，电源的电动势也越大D．无论电源接入何种电路，其电动势是不变的解析：选D由电动势的定义可知，E＝eq\f(W,q)＝2V，即电池的电动势为2V，故A错误；电源所能供应的电能与电动势无关，它是由电源中贮存的可转化能量的多少打算的，故B错误；电源的电动势与外电路无关，故C错误，D正确。3．[多项选择]以下说法中正确的选项是()A．同一型号干电池，旧电池比新电池的电动势小，内阻大B．电源电动势E与通过电源的电流I的乘积EI表示电源内静电力的功率C．1号干电池比5号干电池的电动势小，容量大D．当通过同样的电荷量时，电动势为2V的蓄电池比1.5V的干电池供应的电能多解析：选AD同种型号的旧电池比新电池电动势略小，内阻变大，但不同型号的干电池相比拟，电动势相同而容量不同，故A正确，C错误；电动势在数值上等于非静电力移送单位电荷量所做的功，其功率的表达式为EI，故B错误；依据E＝eq\f(W,q)可得W＝Eq，当通过同样的电荷量时，电动势为2V的蓄电池比1.5V的干电池供应的电能多，故D正确。4．[多项选择]太阳能电池已经越来越多地应用于我们生活中，有些太阳帽前安装的小风扇就是靠太阳能电池供电的。假设测得某太阳能电池可产生0.6V的电动势，这表示()A．电路中每通过1C电荷量，太阳能电池把0.6J的太阳能转变为电能B．无论接不接入外电路，太阳能电池两极间的电压都为0.6VC．太阳能电池在1s内将0.6J的太阳能转变为电能D．太阳能电池将太阳能转化为电能的本事比一节干电池(电动势为1.5V)将化学能转化为电能的本事小解析：选AD依据电动势的定义式E＝eq\f(W,q)，得：W＝qE＝1×0.6J＝0.6J，即非静电力对1C的电荷做功为0.6J，那么电路中每通过1C电荷量，太阳能电池把0.6J的太阳能转变为电能，由于不知道1s内流过太阳能电池的电荷量，故A正确，C错误；不接入外电路时，太阳能电池两极间的电压等于电动势，为0.6V；假如接入电路，那么太阳能电池两端的电压，即路端电压小于0.6V，故B错误；太阳能电池的电动势小于一节干电池的电动势，那么太阳能电池将太阳能转化为电能的本事比一节干电池将化学能转化为电能的本事小，故D正确。5．一台发电机用0.5A电流向外输电，在1min内将180J的机械能转化为电能，那么发电机的电动势为()A．6VB．360VC．120VD．12V解析：选AE＝eq\f(W,q)＝eq\f(W,It)＝eq\f(180,×60)V＝6V，A对。二、非选择题6．某品牌的MP3使用的电源是一节7号干电池，当它正常工作时，工作电流为0.3A。某同学在使用该MP3时，假设他用了10s，那么这段时间内电池将多少化学能转化为电能？解析：工作电流I＝0.3A,10s时间内通过的电荷量q＝It×10C＝3C，7号干电池电动势为1.5V，那么依据能量守恒定律，电池将化学能转化为电能的量等于非静电力移动正电荷所做的功：E电能＝W＝qE＝3×1.5J＝4.5J。答案：4.5J[提能练]一、选择题1．[多项选择]下面说法正确的选项是()A．在电源内部，其他形式的能转化为电能B．电动势在数值上等于电路中通过1C电荷量时电源供应的总能量C．电源的电动势跟外电路有关D．电动势有方向，因此电动势是矢量解析：选AB电源是通过内部非静电力做功，将其他形式的能转化为电能的装置，A正确；依据W＝qE可知，电动势在数值上等于电路中通过1C电荷量时电源供应的总能量，B正确；电源的电动势跟外电路无关，C错误；电动势有方向，但电动势是标量，D错误。2．第56届电池大会上，华为发布了5分钟即可布满3000mAh电池50%电量的快充技术成果，引起业界广泛关注。如图是某智能电池上的信息，支持低压大电流充电，那么()A．4.35V表示该电池的电动势B．该电池布满电后以100mA的电流工作时，可连续工作30小时C．11.4Wh表示该电池能供应的电量D．3000mAh表示该电池能供应的电能解析：选B4.35V为充电电压，不是该电池的电动势，故A错误；该电池布满电后以100mA的电流工作时，可连续工作t＝eq\f(3000mAh,100mA)＝30h，故B正确；11.4Wh为电池的充电电能，不是该电池能供应的电量，故C错误；mAh为电量的单位，所以3000mAh表示该电池能供应的电量，故D错误。3．电池容量就是电池放电时能输出的总电荷量，某蓄电池标有“15A·h〞的字样，那么表示()A．该电池储存的电荷量为15CB．该电池储存的电荷量为900CC．电池以1.5A的电流工作，可用10hD．电池以15A的电流工作，可用15h解析：选C电池上的“15A·h〞表示电池储存的电荷量数值，即q＝15A·h＝15××104C＝15A×1h＝1.