2022年高考物理专题九恒定电流 .pdf
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1、学习必备欢迎下载恒定电流第一模块:电流、电阻、欧姆定律、焦耳定律夯实基础知识一、电流1、电流的产生:电荷的定向移动形成电流。2、产生持续电流的条件:(1)内因:存在自由电荷。金属导体自由电子,电解液正负离子。(2)外因:导体两端存在电势差导体两端存在电压时,导体内建立了电场,导体中的自由电荷在电场力作用下发生定向移动,形成电流。电源的作用是保持导体两端的电压,使导体中有持续的电流。3、电流的方向:人们规定正电荷移动的方向为电流的方向。(1)在金属导体中,电流的方向与自由电荷(电子)的定向移动方向相反。在电解液中,电流的方向与正离子定向移动方向相同,与负离子定向移动方向相反。(2)在外电路中正负
2、,内电路中负正(3)电流是标量,它的运算不遵循平行四边形定则。3、电流的强弱电流I(1)定义:过导体横截面的电量Q 与通过这些电量所用的时间t 的比值。即tqI(2)单位:电流是物理学中七个基本物理量之一,相应的单是基本单位,在国际单位制中,电流的单位是安培,符号是 A,通常单位还有毫安、微安1A=103mA=106A4、决定电流大小的微观量如图所示, 在加有电压的一段粗细均匀的导体AD 上取两个截面B和 C,设导体的横截面是S ,导体每单位体积内的自由电荷数是n,每个电荷的电量为q,电荷定向移动的速率为v,则在时间t 内处于相距为vt 的两截面B、C 间的所有自由电荷将通过截面C 由tqI得
3、 I=neSv5、区分三种速率:(1)电流传导速率:既电场的传播速率,等于光速3810m/s。(2)电荷定向移动速率:I=neSv中的 v 是电荷定向移动的速率约为510m/s(机械运动速率) 。(3)电荷无规则热运动的速率大约是510m/s A B C v精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 27 页学习必备欢迎下载6、归纳一下和电流有关的各种表达式tqII=neSv (微观 )RUIrREIUPIBLFI3、电流的分类:(1)直流电:方向保持恒定的电流。(2)恒定电流:大小和方向均保持不变的电流。(3)交流电:方向均随时间
4、周期性变化的电流。(4)正弦交流电:大小方向均随时间按正弦规律变化的电流。电阻、电阻定律一、电阻:1、定义:导体对电流的阻碍作用就叫电阻。2、大小:加在导体两端的电压与通过导体的电流强度的比值。3、定义式:IUR(比值定义 ) 4、在国际单位制中,电阻的单位是欧姆,简称欧,符号是 。常用的电阻单位还有千欧(k )和兆欧( M ) : 1 k =1031 M =1061的物理意义是:如果在某段导体的两端加上1 V 的电压,通过导体的电流是1 A,这段导体的电阻就是1 。所以 1 =1 V/A 。二、电阻定律:1、内容:温度一定时导体的电阻R 与它的长度L 成正比,与它的横截面积S成反比。这就是电
5、阻定律。2、公式: R=SL(决定式 ) 比例常数跟导体的材料有关,是一个反映材料(不是每根具体的导线的性质)导电性能的物理量,称为材料的电阻率。3、电阻率:电阻率是反映材料导电性能的物理量,由材料决定,但受温度的影响单位是: m 电阻率在数值上等于这种材料制成的长为1m,横截面积为1m2的柱形导体的电阻。 纯金属的电阻率小,合金的电阻率大材料的电阻率与温度有关系金属的电阻率随着温度的升高而增大。(可以理解为温度升高时金属原子热运动加剧,对自由电子的定向移动的阻碍增大。)铂较明显,电阻温度计就是利用金属的电阻随温度变化制成的。半导体的电阻率随温度的升高而减小(可以理解为半导体靠自由电子和空穴导
6、电,温度升高时半导体中的自由电子和空穴的数量增大,导电能力提高)。有些物质当温度接近0 K 时,电阻率突然减小到零这种现象叫超导现象。能够发生超导现象的物体叫超导体。材料由正常状态转变为超导状态的温度叫超导材料的转变温度TC。我国科学家在1989 年把 TC提高到 130K。现在科学家们正努力做到室温超导。锰铜合金和镍铜合金的电阻率随温度变化极小。利用它们的这种性质,常用来制作标准电阻三、半导体1、金属导体的电阻率约为10-810-6m。绝缘体的电阻率约为1081018m。半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间,而且电阻不随随的增加而增加,反随温度的增加而减小的材料称为半导体。常见的半导体材料:锗
7、、硅、砷化镓、锑化铟等。2、半导体的特性:精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 27 页学习必备欢迎下载半导体的导电性能:介于导体和绝缘体之间半导体的热敏特性:当温度升高时,电阻变小半导体的光敏特性:当有光照时,电阻变小半导体的掺杂特性:掺入杂质时,电阻变大。3、半导体的应用:(1)利用半导体材料可以制成热敏电阻、光敏电阻、传感器、晶体二极管、晶体三极管等电子元件(2)制成集成电路、超大规模集成电路,开辟了微电子技术的新时代四、超导体1、超导现象和超导体:当温度降低到绝对零度附近时,某些材料的电阻突然减小到无法测量的程度,可以
8、认为电阻突然变为零,这种现象叫做超导现象,能够发生超导现象的导体称为超导体。2、转变温度 (TC):材料由正常状态转变为超导状态的温度,叫做超导材料的转变温度,我国1989 年 TC=130K 几种超导材料的转变温度:铅:TC=7.0 K;汞: TC=4.2 K;铝: TC =1.2 K;镉: TC =0.6 K 部分电路欧姆定律一、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:RUI或IUR3、适用条件:金属导体,电解质溶液,不适用于空气导体和某些半导体器件二、导体的伏安特性:1、伏安特性曲线:导体中的电流I 随导体两端的电压U 变化的图线,叫
9、做导体的伏安特性曲线。用纵轴表示电流I,用横轴表示电压U,画出的IU 图线叫做导体的伏安特性曲线。如图所示,是金属导体的伏安特性曲线。在 IU 图中,图线的斜率表示导体电阻的倒数。即k=tan =RUI1。图线的斜率越大,电阻越小。2、线性元件和非线性元件如图,符合欧姆定律的导体的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线,具有这种伏安特性的电学元件叫做线性元件。不符合欧姆定律的导体和器件,电流和电压不成正比,伏安特性曲线不是直线,这种电学元件叫做非线性元件。对于线性元件伏安特性曲线是直线,对于非线性元件,伏安特性曲线是非线性的电功和电功率一、电功:1、定义:电功即导体内的自由电荷在导体内的电场中定
10、向移动时电场力对其所做的功,也常说成电流做的功,简称电功。2、实质:是电场力对电荷做功,反映了电能和其它形式能的相互转化。电流做了多少功,就有多少电能转化为其它形式的能。(2)定义式: W=UIt即电流在一段电路上所做的功等于这段电路两端的电压U,电路中的电流I 和通电时间t 三者的乘积。I U 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 27 页学习必备欢迎下载(3)在国际单位制中,电功的单位是焦耳,简称焦,符号是J。电功的常用单位有:千瓦时,俗称“ 度” ,符号是 kW h。1kW h 表示功率为1 kW 的用电器正常工作1h
11、所消耗的电能。1kW h=1000W 3600s=3.6 106J 二、电功率1、定义:单位时间内电流所做的功叫做电功率。用P表示电功率2、定义式: P=tW=UI3、单位:瓦( W) 、千瓦( kW)4、额定功率:用电器正常工作的(最大)功率。用电器上通常标明的功率即指其额定功率。5、实际功率:用电器工作时其两端的电压往往不等于额定电压,此时用电器的功率即为实际功率,不等于额定功率。三、焦耳定律1、电热:其微观解释是:电流通过金属导体时,自由电子在加速运动过程中频繁与正离子相碰,使离子的热运动加剧,而电子速率减小,可以认为自由电子只以某一速率定向移动,电能没有转化为电子的动能,只转化为内能。
12、2、焦耳定律:电流通过导体时产生的热量(电热),跟电流的平方、导体的电阻和通电时间成正比,公式为Q=I2Rt4、热功率:单位时间内发热的功率叫做热功率RtIP2热5、电功率与热功率之间的关系在纯电阻电路(纯电阻元件:电流通过用电器做功以发热产生内能为目的的电学元件中,如电熨斗、电炉子等),电功率和热功率相等。RIIUPP2热电 在非纯电阻电路(非纯电阻元件:电流通过用电器做功以转化为除内能以外的其它形式的能为目的,发热不是目的,而是不可避免的能量损失。电机、电风扇、电解槽等)中,电功率和热功率不相等:由于电能除了转化为电热以外还同时转化为机械能或化学能等其它能,所以电功必然大于电热:WQ,这时
13、电功只能用W=UIt 计算,电热只能用 Q=I 2Rt 计算,两式不能通用。6、实际功率和额定功率用电器在额定电压下的功率叫做额定功率:额额额UIP用电器在实际电压下的功率叫做实际功率:实实实UIP实际功率并不一定等于额定功率“ 用电器在额定电压下” 是实际功率与额定功率相等的情况用电器在不使用时,实际功率是0,而额定功率仍然是它的额定值第二模块:电路、闭合电路欧姆定律夯实基础知识一、串联电路与并联电路1、串联电路 电路中各处电流相同I=I1=I2=I3=精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 27 页学习必备欢迎下载 串联电路
14、两端的电压等于各电阻两端电压之和。U=U1+U2+U3 串联电路的总电阻等于各个导体的电阻之和,即R=R1R2 Rn 电压分配:串联电路中各个电阻两端的电压跟它的阻值成正比(串联电阻具有分压作用制电压表),即IRURURUnn2211 功率分配:串联电路中各个电阻消耗的功率跟它的阻值成正比,即22211IRPRPRPnn2、并联电路 并联电路中各支路两端的电压相同U=U1=U2=U3 并联电路总电路的电流等于各支路的电流之和I=I1I2I3= 并联电路总电阻的倒数等于各个导体的电阻的倒数之和。nRRRR111121n 个相同的电阻R 并联总R=_;两个支路时总R=_ 三个支路时总R=_ 特别注
15、意:总电阻比任一支路电阻小在并联电路中增加支路条数,总电阻变小增加任一支路电阻,总电阻增大 电流分配:并联电路中通过各个电阻的电流跟它的阻值成反比(并联电阻具有分流作用改装电流表 ) UIRRIRIRInn2211 功率分配:并联电路中通过各个电阻消耗的功率跟它的阻值成反比22211UPRRPRPRPnn3、串并联的应用电表的改装电表的改装:微安表改装成各种表,关健在于原理(1)灵敏电流表G(表头,也叫灵敏电流计)(小量程的电流表) 表头的主要构造表头 G 是指小量程的电流表,即灵敏电流计,常用的表头主要由永磁铁和放入永磁铁磁场中可转动的线圈组成。精选学习资料 - - - - - - - -
16、- 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 27 页学习必备欢迎下载 表头的工作原理当线圈中有电流通过时,线圈在磁场力的作用下带着指针一起偏转,通过线圈的电流越大,指针偏转的角度就越大,即 I。这样根据指针的偏角就可以知道电流的大小。若在表头刻度盘上标出电流值就可以测量电流了。由欧姆定律知道,通过表头的电流跟加在表头两端的电压成正比,即IU。由于 I,I U,故 U 。如果在刻度盘上标出电压值,由指针所指的位置,就可以读出加在表头两端的电压。 表头的几处参量()满偏电流Ig表头的线圈准许通过的最大电流很小,一般不超过几十微安到几毫安,这个电流值叫表头的满偏电流,用Ig表示。()
17、表头的内阻Rg表头的线圈电阻一般为几欧到几百欧,这个电阻值叫做表头的内阻,用Rg表示。()满偏电压Ug表头通过满偏电流时,加在它两端的电压,这个电压值叫满偏电压,用Ug表示。满偏电流Ig、内阻 Rg、满偏电压Ug三者的关系:据部分电路欧姆定律可知:Ug=IgRg结论:表头G 的满偏电压Ug和满偏电流Ig一般都比较小,测量较大的电压和较大的电流时,需要把小量程的表头G 加以改装。改装的原理是:电路中串联电阻起分压作用且电压分配与阻值成正比,电路中并联电阻起分流作用且电流分配与阻值成反比。(2)半偏法测表头内阻其原理是:(3)电压表的改装当加在表头两端的电压大于满偏电压时,通过表头的电流就大于满偏
18、电流,可能将表头烧坏。利用串联电阻的分压作用,给表头G 串联一个适当的电阻R,将表头改装成一个量程较大的电压表V,用改装后的电压表V 就可以测量较大的电压。如图所示,有一个表头G,其内阻为Rg,满偏电流为Ig,将它改装成量程为U 的电压表,量程U,意思是当电压表V 两端的电压为U 时,表头 G 分担的电压为满偏电压Ug,通过表头G 的电流为满偏电流Ig,指针指在最大刻度处。所以表盘最大刻度处的电压值为量程U。G R2 R1 K2 K精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 27 页学习必备欢迎下载(1)根据串联电路的基本特点可知,
19、当表头G 满偏时,流过电阻R的电流为Ig。(2)表头满偏时,加在表头两端的电压Ug=IgRg,加在电阻R两端的电压UR=U-Ug=U-IgRg(3)据欧姆定律可知,分压电阻R=gggRRIRIUIUggRIUggRUU) 1(gRn)1(,扩大量程的倍数为n=U/Ug改装后电压表内阻ggVnRRRR给改装后的电压表V 标度的方法:当流过表头的电流为I1时,加在电压表V 两端的电压UAB=I1(Rg+R) ,表明加在电压表两端的电压与电流成正比。当流过表头的电流为满偏电流Ig时,电压表V 两端的电压达到最大值,即改装后的量程,则 U=Ig( Rg+R) ,因此,只要将原来表头的刻度盘的每一刻度值
20、扩大为原来的(Rg+R)倍,就得到改装后的电压表 V 的表盘。二、闭合电路欧姆定律1、电路(1)组成:内电路和外电路 内电路:电源两极(不含两极 )以内,如电池内的溶液、发电机的线圈等内电路的电阻叫做内电阻r内电路分得的电压称为内电压, 外电路:电源两极间包括用电器和导线等,外电路的电阻叫做外电阻R,外电路分得的电压称为外电压。(2)关于电源的概念 电源:使导体两端存在持续电压,将其他形式的能转化为电源的装置 电动势:()定义:非静电力搬运电荷所做的功跟搬运电荷电量的比值,qW()单位:伏(V)()物理意义:电动势表征了电源把其它形式的能转换为电能的本领的物理量。电动势大,说明电源把其它形式的
21、能转化为电能的本领大,电动势小,说明电源把其他形式的能转化为电能的本领小。电动势在数值上等于电路中通过 1C的电量时电源所提供的电能。()电动势的方向:电动势虽是标量,但为了研究电路中电势分布的需要,我们规定由负极经电源内部指向正极的方向(即电势升高的方向)为电动势的方向。()电动势的决定因素电源的电动势是由电源的本身性质决定的,在数值上等于电源没有接入电路时电源两极间的电压。()电动势与电压的区别这两个物理量虽然有相同的单位和相似的计算式,而且都是描述电路中能量转化的物理量,但在以能量转换方式上精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7
22、页,共 27 页学习必备欢迎下载有着本质的区别:电动势是表示电源非静电力做功,将其他形式的能量转化为电能本领的物理量,在数值上等于非静电力在电源内部把单位正电荷从负极移送到正极所做的功而电压是描述电能转化为其他形式能量的物理量,在数值上等于电场力移送单位正电荷所做的功电动势在工作过程中是不变的,而路端电压将随外电阻的减小而减小电源与外电路组成闭合电路时:如图所示,在外电路中,电流由电势高的一端流向电势低的一端,在外电阻上沿电流方向有电势降落外U,在内阻上也有电势降落内U;在电源内部,由负极到正极电势升高,升高的数值等于电源的电动势E。理论分析表明:在闭合电路中,电源内部电势升高的数值等于电路中
23、电势降落的数值,即电源的电动势E=U内+U外2、闭合电路欧姆定律(1)闭合电路欧姆定律 推导:根据欧姆定律,外电压U外=IR,内电压U内=Ir,代入 E =U内+U外可得, E =Ir+IR整理得:rREI 闭合电路欧姆定律的内容: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。 数学表达式:rREI还有其它形式内外UUEIrEU(UI 关系)rREI(IR 关系)ErRRU(UR关系)(2)路端电压跟负载的关系:讨论对给定的电源,E、r 均为定值,外电阻变化时,电路中的电流、路端电压的变化。 当外电路的电阻R增大时,根据I=rRE可知电路中
24、的电流I 减小,由于内压U内=Ir 所以内压减小,而E=U内+U外即外压(路端电压)增加。当外阻增加至无穷大时,外电路断路,此时I=0 U内=0 U=E即当电源没有接入电路时两极间的电压等于电源的电动势。电压表测电动势就是利用了这一原理。当外电路的电阻R 减小时,根据I=rRE可知电路中的电流I 增大,由于内压U内=Ir 所以内压增大,而E=U内+U外精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 27 页学习必备欢迎下载即外压(路端电压)减小。当外阻减小至最小零时,外电路短路,此时U=0rEI(I 称短路电流)即当外电路短路时,外压为
25、零,短路电流很大,容易将电路烧毁。讨论时也可以用U=E-Ir 更直观更方便 图象表示:电源的外特性曲线(路端电压随电流变化的图象)图象的函数表达:IrEU当外电路断路时:(即 R, I0),纵轴上的截距表示电源的电动势(端) 当外电路短路时:(R 0,U0),横坐标的截距表示电源的短路电流I短=E/r;图线的斜率:的绝对值为电源的内电阻某点纵坐标和横坐标值的乘积:为电源的输出功率,在图中的那块矩形的“ 面积 ” 表示电源的输出功率该直线上任意一点与原点连线的斜率:表示该状态时外电阻的大小;当E/2(即 R=r)时,出最大。 50注意: 坐标原点是否都从零开始:若纵坐标上的取值不从零开始取,则该
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