高二物理第十四章 稳恒电流 第一节、第二节、第三节人教版知识精讲

高二物理第十四章 稳恒电流 第一节、第二节、第三节人教版知识精讲

高二物理第十四章 稳恒电流 第一节、第二节、第三节人教版 ‎ ‎【本讲教育信息】‎ 一. 教学内容：‎ 第十四章 稳恒电流 第一节 欧姆定律 第二节 电阻定律 电阻率 第三节 半导体及其应用 二. 知识要点：‎ ‎1. 电流 电流的定义式：，适用于任何电荷的定向移动形成的电流。‎ 对于金属导体有I=nqvS（n为单位体积内的自由电子个数，S为导线的横截面积，v为自由电子的定向移动速率，约为10－5m/s，远小于电子热运动的平均速率105m/s，更小于电场的传播速率3×108m/s），这个公式只适用于金属导体，千万不要到处套用。‎ ‎2. 电阻定律 导体的电阻R跟它的长度成正比，跟它的横截面积S成反比。‎ ‎（1）ρ是反映材料导电性能的物理量，叫材料的电阻率（反映该材料的性质，不是每根具体的导线的性质）。单位是ٞm。‎ ‎（2）纯金属的电阻率小，合金的电阻率大。‎ ‎（3）材料的电阻率与温度有关系：‎ ‎① 金属的电阻率随温度的升高而增大（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，可用于做温度计；锰铜、镍铜几乎不随温度而变，可用于做标准电阻）。‎ ‎② 半导体的电阻率随温度的升高而减小（半导体靠自由电子和空穴导电，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）。‎ ‎③ 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。‎ ‎3. 欧姆定律 ‎（适用于金属导体和电解液，不适用于气体导电）。‎ 电阻的伏安特性曲线：注意I—U曲线和U—I曲线的区别。还要注意：当考虑到电阻率随温度的变化时，电阻的伏安特性曲线不再是过原点的直线。‎ ‎[例1] 实验室用的小灯泡灯丝的I—U特性曲线可用以下哪个图象来表示（ ）‎ 解：灯丝在温度达到一定值时会发光发热，而且温度能达到很高，因此必须考虑到灯丝的电阻随温度的变化而变化。随着电压的升高，电流增大，灯丝的电功率将会增大，温度升高，电阻率也将随之增大，电阻增大，U越大I—U曲线上对应点于原点连线的斜率必然越小，选A。‎ ‎[例2] 下图所列的4个图象中，最能正确地表示家庭常用的白炽电灯在不同电压下消耗的电功率P与电压平方U 2之间的函数关系的是以下哪个图象（ ）‎ 解：此图象描述P随U 2变化的规律，由功率表达式知：，U越大，电阻越大，图象上对应点与原点连线的斜率越小。选C。‎ ‎4. 学生实验：测定金属的电阻率 ‎（1）学会螺旋测微器的使用，学会电压表、电流表的使用及读数方法。‎ ‎（2）掌握测定电阻率的实验原理。‎ 实验原理：由电阻定律R＝可得到＝，可见有三个量须测量（或算出）：① 金属丝的电阻R：由伏安法测出；② 金属丝的横截面积S：用螺旋测微器测得直径D后可求出；③ 金属丝接入电路的有效长度L，用米尺测量。‎ 器材：电源、电流表、电压表、待测金属丝、滑动变阻器、电键、导线、螺旋测微器、米尺。‎ 实验中的注意事项：‎ ‎<1> 本实验中被测金属导线的阻值较小，因此电路应采用电流表外接电路。‎ ‎<2> 导线的长度应为接入电路中的有效长度，而不是金属丝的总长度。‎ ‎<3> 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，造成其电阻率因温度而变化。‎ ‎[例1] 在“测定金属的电阻率”的实验中，需要测定的物理量有哪些?写出用这些物理量表达的电阻率的表达式。‎ 解：根据部分电路欧姆定律R＝及电阻定律R＝可知电阻率为ρ＝＝。所以需要测定的物理量为：电压（U）、电流（Ｉ）、直径（D）和长度（L）。‎ ‎[例2] 在“测定金属的电阻率”的实验中，若被测金属丝的长度为80.00cm，电阻约为3Ω～4Ω，在下列器材中应选用的是　　　　　　　（写代号）。‎ A. 电压表（0～15V）‎ B. 电压表（0～3V）‎ C. 电流表（0～0.6A）‎ D. 电流表（0～3A）‎ E. 滑动变阻器（0～50Ω，2A）‎ F. 滑动变阻器（0～500Ω，lA）‎ G. 电源（Ｅ=3V，ｒ=0.2Ω）‎ H. 电源（Ｅ=10V，r=lΩ）‎ I. 开关 J. 导线（若干）‎ 解：略 答案：B、C、E、G、I、J ‎5. 电路分析和计算 部分电路欧姆定律的应用在初中时就已比较熟悉，因此没有必要过多的练习。而全电路欧姆定律的不同之处关键在于需要考虑内电阻，也就是某段电路两端的电压不再恒定。只要我们认清这个区别，熟练掌握欧姆定律的应用是并不困难的。下面就电路分析中的几个难点和同学一起讨论一下。‎ ‎（1）电路的结构分析 搞清电路各元件之间的连接关系，画出结构清晰的等效电路，是利用欧姆定律解决电路问题的重要前提。我们通常采用节点跨接法来分析电路结构。‎ 具体方法为：首先标明电路中各节点名称，经过电源和用电器的节点名称应不同，而一段导线两端的节点名称不变．理想的电压表可视为断路。理想的电流表可视为导线。考虑电表内阻时，就应把它们当作用电器对待．接着，定性判断电路中各节点电势高低（没有标明的可假设）。最后将各电器填在对应的节点间以判明彼此间的串、并联关系。‎ ‎[例1] 如图1所示，设R1=R2=R3=R4=R，求：开关S闭合和开启时的AB两端的电阻比。‎ 图1‎ 解：利用节点法，开关闭合时，电路中各节点标称如图2所示 图2‎ 其中R1、R2、R3都接在AB两点间，而R4两端都为B，即R4被短路，所以其等效电路如图3所示，易得RAB=R/3。‎ 图3‎ 当开关开启时，电路中各节点标称如图4所示，其对应等效电路为图5所示，易得 RAB′=2R/5。所以两次电阻比为5/6。‎ 图4 图5‎ ‎2. 含电容电路的分析 让学生按图6所示连好电路。‎ 图6‎ 观察分别将单刀双掷开关掷于b、c两边时产生的现象并分析原因。‎ 学生看到：当ab相接时，灯L1、L2都不亮，说明电容阻断了电流；当ac相接时，灯L2闪亮一下，说明电容刚才被充电，现在向L2放电。‎ 教师总结：电容器是一个储能元件，在直流电路中，它对电流起到阻止作用，相当于断路。同时电容器又可被充电，电量的大小取决与电容和它两端对应的电路的电压。因此，在分析含电容电路时，可先把电容去掉后画出等效电路，求出各用电器的电压、电流，再看电容与哪部分电路并联，而求出它两端的电压和它的电量。‎ ‎[例2] 如图7所示，电源电动势，内阻，电阻R1=3Ω，R2=2Ω，R3=5Ω，电容器的电容C1=4μF，C2=1μF，求C1、C2所带电量。‎ 解：C1、C2看成断路后，外电路相当于R1、R2串联，R3中无电流，可视为短路，即UCD=UCB，UAD=UAB，由闭合电路欧姆定律知：‎ 所以C1、C2所带电量Q1、Q2分别为：‎ Q1=C1UCB=1.6×10－5C Q2=C2UAB=1×10－5C 图7‎ ‎3. 电路中电势升降的分析 如图所示，让学生按电流方向分析整个回路的电势升降，并找出升降值之间的关系式。‎ 答：从电源正极出发，沿电流方向经过电阻R时，电势降落IR，而到电源负极，在电流流向正极时，在内阻上电势降落Ir。但同时非静电力做功，使电势升高。因此整个闭合电路中，。由闭合电路欧姆定律知，即U升=U降 教师总结：沿电流方向经过电阻类用电器（含内阻）时，电势降低；反之升高，而经过电源时，如由电源负极到正极，则电势升高；反之则电势降低。而在任意闭合回路中，电势升降代数和为零。‎ ‎[例3] 如图8所示，三个完全一样的电源串联成闭合回路，求A、B两点间的电势差。‎ 图8‎ 解：电路中电流为逆时针方向，由A出发逆电流向右观察，经电源时电势降低，而在内阻上又升高，由全电路欧姆定律知：，所以。‎ ‎4. 电路中的电表 我们接触比较多的电表是电压表和电流表，理想情况下电流表可以看成导线，电压表可以看成无穷大的电阻而忽略它们的内阻对电路的影响，可在某些实际问题中，这种影响很大，根本不可能忽略不计。这时就要把电表看成一个可以读数的特殊电阻，放在电路中，与其它用电器一起分析。‎ ‎[例4] 如图9所示，R1=2kΩ，R2=3kΩ，电源内阻可忽略。现用一电压表测电路端电压，示数为6V；用这电压表测R1两端，电压示数为2V。那么（ ）‎ 图9‎ A. R1两端实际电压是2V B. 电压表内阻为6kΩ C. R2两端实际电压是3.6V D. 用这电压表测R2两端电压，示数是3V 解：本题中电阻R1、R2的阻值较大，电压表与之相比不能看成电阻为无穷大的断路。因此要把它当成一个特殊电阻来处理。‎ 由于不计电源内阻，电压表测得的电压6V就是电源电动势，所以R1两端实际电压为 U1=6V×2kΩ/（2kΩ+3kΩ）‎ 同理，U2=3.6V。‎ 当电压表测R1两端电压时，显示的是它与R1并联后所分得的电压，‎ 即，所以 RV=6kΩ。‎ 当电压表测R2两端电压时，易得电压表示数为3V。所以选项B、C、D正确。‎ ‎【模拟试题】（答题时间：50分钟）‎ 欧姆定律 ‎1. 图中电压U ，U2和电阻R1 ，R2均已知，测流过 R1的电流I1为（ ）‎ A. B. C. D. ‎ ‎2. 关于关系式，下列说法中正确的是（ ）‎ A. 导体的电阻跟导体两端的电压成正比，跟导体中的电流成反比 B. 对于某一导体，加在它两端的电压越大，导体的电阻就越大 C. 导体中维持一定的电流所需的电压越高，则导体的电阻越大 D. 对于某个确定的导体，通过的电流越大，则导体两端的电压 ‎3. 对于图中的图线1、2所对应的两个导体（ ）‎ A. R1=3R2‎ B. R2=2R1‎ C. 两导体中的电流相等（不为零）时的电压之比U1: U2＝3:1‎ D. 两导体的电压相等时电流之比Il:I2＝3:1‎ ‎4. 一根粗细均匀的金属通电直导线，横截面积为S，电流为I，导线单位体积内的自由电子数目为n，则自由电子定向移动的速度 。‎ ‎5. 在氢原子模型中，电子以6×1015Hz的频率绕核旋转．已知电子的电量为1.6×10－19C，则通过电子轨道上某处的电流为多大?‎ ‎6. 在彩色电视机的显像管中，从电子枪射出的电子在高电压U作用下被加速，形成电流为I的平均电流。问：（1）在时间t内打到荧光屏上的电子数为多少?（2）若加速电压U增大1倍，则I如何变化?‎ ‎7. 如图所示，电容C=2.0×10－6F的平行板电容器接在电压U＝10V的电源的两极间，若将电容器两极板间的距离减小为原来的1/2，电容器的带电量从开始变化到变化结束经历的时间为t=10－3s，求该过程中流过电流计的平均电流的大小和方向。‎ 测电阻率 ‎1. 某同学用螺旋测微器测量金属线的直径时，几个主要操作情况如下，其中有哪些操作是不符合要求的（ ）‎ A. 将金属线放人小砧A、测微螺杆P的夹缝中，转动旋钮直至压紧．读出读数 B. 选择导线的中间部分测量一次直径 C. 读数时，固定刻度尺上零刻度以右已露出半毫米刻度线，直径一定大于0.5mm D. 可动刻度上第16刻度线正好与固定刻度尺上标记线对齐，因此最后读数为0.66mm ‎2. 某实验小组在测量金属电阻率时，主要实验步骤如下，其中做法不正确的是（ ）‎ A. 用螺旋测微器在金属线三个不同部位各测一次直径，取其平均值为d B. 用米尺量出整个金属线的长度三次取其平均值为l C. 选用电流表内接线路来测电阻，多次测量取平均值为R D. 将测得的d、l、R代入公式算出电阻率ρ ‎3. 如图在测量金属的电阻率的实验中，螺旋测微器的刻度的示数，分别是 、‎ ‎、 。‎ ‎4. 有一只电压表，量程已知，内阻为Rv，另有一电池组（电动势未知，但不超过电压表的量程，内电阻可忽略）。请用这只电压表和电池组，再用一个开关和一些连接导线，设计测量某一高阻值电阻Rx的实验方法。（已知Rx与电压表内阻Rv相差不大）‎ ‎（1）画出实验电路图。‎ ‎（2）简要写出完成接线后的测量步骤。‎ ‎（3）写出高阻值电阻Rx的计算表达式。‎ ‎5. 如图有小灯泡L1（6V，3W）和L2（6V，lW）各1只，定值电阻R（18Ω，5W）1只，电源1只（电动势12V，内阻不计），开关1只，若干导线，试设计一电路，使L1和L2都能正常发光。‎ ‎（1）将设计的电路图画在虚线框内，电路图中要标明各元件的代号；‎ ‎（2）按设计的电路图，用线完成图中所示仪器的连线。‎ ‎6. 如图所示，P是一根在表面均匀地镀有很薄的发热电阻膜的长陶瓷管（其长度L为50cm左右，直径D为10cm左右）。镀膜材料的电阻率已知，管的两端有导电箍MN。现给你米尺、电压表V、电流表A、电源E、滑动变阻器R、开关和若干导线，请设计一个测定膜层厚度的实验方案。‎ ‎（1）实验中应测定的物理量有 。‎ ‎（2）用符号画出测量电路图。‎ ‎（3）计算膜层厚度的公式是 。‎ ‎【试题答案】‎ 欧姆定律 ‎1. C 2. C、D 3. A、C 4. ‎5. 9.6‎×10－4A ‎6.（1）；（2）Ｉ增大‎　 7. 0.02A，a→b 测电阻率 ‎1. A、B、D 2. B、C 3. 2.900mm，0.800mm，0.485mm ‎4. 略 5. 略 6. 略