高中物理选修31笔记 恒定电流.docx
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高中物理选修31笔记恒定电流
第二章恒定电流
2.1电源和电流
一、电源
1.定义:
能把电子从A搬运到B的装置
2.作用:
能使电路中维持持续的电流
3.种类:
干电池、蓄电池、发电机
二、恒定电场
1.定义:
闭合回路中电源两极上带的电荷和导线和其他电学元件上堆积的电荷共同激发而形成的电场。
这种由稳定分布的电荷所产生的电场,称为恒定电场。
2.特点:
1)基本性质与静电场相同,但不是静电场,是动态平衡。
2)电场线处处沿着导体的方向。
三、恒定电流
1.定义:
大小、方向都不随时间变化的电流。
2.定义式:
q表示时间t内通过导体某横截面的电荷量
单位:
安培,简称安,符号A。
3.方向
1)规定正电荷定向移动的方向为电流方向
2)在电源外部电路,电流从正极流向负极
3)在电源内部电路,电流从负极流向正极
4.测量仪器:
电流表
5.电流分类
1)交变电流:
方向随时间作周期性变化的电流
2)直流电流:
方向不随时间变化的电流
3)恒定电流:
方向和大小都不随时间变化的电流
4)脉动电流:
强弱随时间变化的直流电流
6.电流的微观式:
n单位体积电荷数;s导体横截面积;l导体长度,e单位电荷量,v电荷定向移动速率
7.电流的决定式(欧姆定律)
四、补充:
三个速度
电荷定向移动:
10-5m/s,极小,电流成因
热运动:
105~106m/s,电阻成因
场传播:
3×108m/s,即电流的传播速率
注意:
电荷定向移动速率不是电流的传播速率
2.2电动势
一、电源的作用
1.电源能维持电路中稳定的电流,是因为它有能力把来到负极的正电荷经过电源内部不断地搬运到正极。
2.电源是通过非静电力做功把其他形式能转化为电势能的装置。
3.干电池
1)非静电力:
化学作用
2)化学能→电势能
4.发电机
1)非静电力:
电磁作用
2)机械能→电势能
二、电动势
1.定义:
非静电力把电荷从电源负极送到正极所做的功跟被移送的电荷量的比值叫做电源的电动势。
1)等于电源没有接入电路时两级间的电压
2)等于短路时的路端电压
3)等于电路内、外电压之和
4)等于将单位正电荷从负极移送到正极时非静电力做的功
2.公式:
电源从负极到正极移送电荷q时非静电力所做的功为W
单位:
伏特(V)
3.物理意义:
表征电源把其他形式的能转化为电能的本领。
4.电动势和电压的区别
1)电动势反映非静电力做功,将其他形式能转化为电能。
2)电压反映电场力做功,将电能转化为其他形式能。
三、电源内阻和容量
1.内阻:
电源内部导体的电阻叫内阻(r),是纯电阻。
2.容量:
即电池放电时输出的总电荷量,以安培小时(A•h)或毫安小时(mA•h)为单位。
四、电源在电路中的连接
1)n个串联:
E总=nE,r总=nr
2)n个并联:
E总=E,r总=r/n
2.3欧姆定律
一、欧姆定律
1.内容:
导体中的电流I跟导体两端电压U成正比,与导体电阻R成反比。
2.公式:
3.适用条件:
适用于金属导体(纯电阻)及电解质溶液;
不适用于气态导体和半导体元件
二、电阻
1.定义:
导体两端电压与通过导体的电流大小之比
2.公式:
单位:
欧姆,简称欧,符号Ω
三、导体的伏安特性曲线
1.定义:
用横轴表示电压U,纵轴表示电流I,画出的导体中的电流I随导体两端电压U的变化曲线,叫导体的伏安特性曲线。
2.几种元件的伏安特性曲线
1)纯电阻(适用于欧姆定律)
定值电阻:
伏安特性曲线是一条直线
小灯泡:
是纯电阻,其伏安特性曲线是曲线,是因为在测量过程中灯丝发热温度升高导致电阻显著增大。
在温度不变情况下,伏安特性曲线是一条直线。
2)半导体元件(不适用于欧姆定律)
其伏安特性曲线是曲线,是因为其电阻特性不仅受温度的影响,还与加在其两端电压有关,电压达到一定值时对电阻特性的影响远远超过温度的影响。
在温度不变的情况下,其伏安特性曲线仍是曲线,实为真正的非线性元件。
2.4串联电路和并联电路
一、三大关系
1.电流
串联:
并联:
2.电压
串联:
并联:
3.电阻
串联:
并联:
各支路电阻r相等时
两个电阻并联时
串联电路的总电阻大于其中任意一部分电阻
并联电路的总电阻小于其中最小的电阻
二、分配关系
外电路电流流向电势低的地方
汇于节点的各支路的电流代数和为0(带正负)
1.串联电路
2.并联电路
三、电压表和电流表
1.小量程的电流表(表头)
1)组成:
永久磁铁及可转动线圈
2)内阻(Rg):
表中的线圈的电阻
3)满偏电流(Ig):
指针偏转到最大刻度时的电流
4)满偏电压(Ug):
Ug=IgRg
5)原理:
永磁场中通电导线受力带动指针偏转
6)实际大量程的电压表或电流表都是由表头改装而成
2.电压表改装原理:
利用串联电路电阻分压特点制成,表头G串联一个较大电阻
电压扩大n倍,R=(n-1)Rg
3.电流表改装原理:
利用并联电路电阻分流特点制成,表头G并联一个较小电阻
电流扩大n倍,
2.5焦耳定律
一、电功
1.定义:
在一段电路中电场力所做的功,叫电功。
2.实质:
电场力移动电荷做的功。
3.计算公式:
W=qU=IUt
4.单位
国际单位:
焦耳(J)
常用单位:
度(kW•h)
1kW•h=3.6×106J
二、电功率
1.定义:
电流所做的功跟完成这些功所用时间的比值叫做电功率。
2.公式:
3.单位:
瓦(W)
4.物理意义:
表征电流做功的快慢。
5.额定功率:
用电器长期工作时的最大功率。
6.实际功率:
用电器实际工作时消耗的电功率。
三、焦耳定律
1.电热:
电流通过有电阻的导体时,导体总要发热,这就是电流的热效应,产生的热量通常叫电热。
2.焦耳定律
1)内容:
电流通过导体(或用电器)产生的热量,跟电流的平方、导体的电阻及通电时间成正比。
2)表达式
4.热功率(对于非纯电阻电路,不同于电功率)
1)定义:
电流通过电路时,因发热而消耗的功率。
2)公式
2.6导体的电阻
一、探究导体电阻与其影响因素的定量关系
1)长度l
2)横截面积S
3)电阻率ρ
二、导体的电阻
1.同种材料的导体,其电阻R与它的长度l成正比,与它的横截面积S成反比;导体的电阻还与构成它的材料有关。
2.决定式
3.适用条件:
温度一定,粗细均匀的金属导体。
三、电阻率(ρ)
1.物理意义:
反映导体导电性能的物理量,是导体材料本身的属性。
2.银的电阻率最小
3.合金的电阻率大于组成它的任何一种纯金属的电阻率
4.与温度的关系
1)金属的电阻率随温度升高而增大(应用:
电阻温度计(铂))
2)半导体电阻率随温度的升高而减小(应用:
热敏电阻)
3)有些合金电阻率几乎不受温度变化(应用:
制造标准电阻)
5.超导现象:
当温度降低到某一数值时,大多数金属都会出现电阻突然降为零的现象。
转变温度(临界温度)用Tc表示。
2.7闭合电路的欧姆定律
一、概念
1.闭合电路:
将电源和用电器连接起来的电路
2.内电路:
电源内部的电路
3.内电阻:
内电路的电阻(r,纯电阻)
4.内电压:
当电路中有电流通过时内电路的两端的电压(U内)
5.外电路:
电源外部的电路(沿电流方向电势降低)
6.外电压(路端电压):
外电路两端的电压(U外)
7.外电阻:
电源外部的电阻(R)
二、闭合电路的欧姆定律
1.内容:
闭合电路里电流跟电源的电动势成正比,跟整个电路的电阻成反比。
2.表达式
3.变形式:
电动势等于内外电路电势降落之和
三、路端电压与负载的关系
1.路端电压表达式
2.两种特殊情况
1)外电路断开:
U=E
2)电源短路:
U=0,E=Ir
四、电源的特性曲线
路端电压U随电流I变化的图像
1)纵轴截距表示电源电动势E
2)横轴截距表示电源的短路电流
3)斜率绝对值表示电源内阻
五、闭合电路功率与效率问题
1.电源
1)适用所有电路的电源
电源总功率:
电源输出功率:
电源消耗功率:
电源效率
2)适用纯电阻电路的电源
纯电阻电路电源的输出功率
(1)当R=r时,
最大,且
(2)当R>r时,R增大,P减小
(3)当R<r时,R增大,P增大
(4)函数曲线图
2.用电设备
用电设备工作过程中:
电能→热能+其他能(机械能、化学能等)
用电设备总功率:
用电设备热功率:
用电设备输出(有用)功率:
用电设备效率:
3.发电设备
发电设备工作过程中:
其他形式能→电能+损耗能(热能等)
以发电机为例
机械能功率:
电功率:
发电机效率:
2.8-2.9多用电表的原理及使用
一、欧姆表
1.原理示意图
2.调零
当红黑表笔相连时,调节R的阻值(调零旋钮),使指针指到“0”刻度,即为调零。
3.表头满偏时,测量电阻阻值为0;表头半偏时,测量电阻阻值等于欧姆表内阻。
二、多用电表
1.表盘
2.多用表原理图
3.特点
1)电流表、电压表的刻度是均匀的,指针从左向右示数增大。
2)欧姆表的刻度是非均匀的,指针从右往左示数增大。
4.使用过程:
1)红表笔插入“+”插孔,黑表笔插入“-”插孔;
2)选档(直流电流档、直流电压档、欧姆档);
3)检査表针是否停在最左端的0刻度位置处(机械调零);
4)测电阻时,先“短接红黑表笔,欧姆调零”;且每次换挡必须重新欧姆调零(只换电阻不需调零)
5)测量,读数;
6)使用完毕,将表笔从插孔中拔出,开关置于OFF挡或交流电压最高挡
5.注意事项:
1)测电阻时,待测电阻要与电源以及其他电阻断开,且手不能接触表笔
2)测电阻时,先“短接红黑表笔,欧姆调零”;且每次换挡必须重新欧姆调零(只换电阻不需调零);读数尽量选择使指针在中值电阻附近(满刻度20%~80%),
才更准确
3)所有挡:
电流都是“红进黑出”;
4)向下估读:
最小刻度是“1、0.1、0.01”之类
本位估读:
最小刻度是“2、0.2、5、0.5”之类
三、二极管
1.符号
2.二极管具有单向导电性。
加正向电压,电阻很小;加反向电压,电阻很大
3.测量口诀:
“红正大”
四、判断电路故障
电路故障简析:
1.电压表+电流表。
有电压无电流(断路)、有电流无电压(短路)、无电压无电流(故障不在本段);
2.欧姆表法:
短路电阻为零(满偏),断路电阻无穷大(左边不动);
注意:
用欧姆表测量时需把待测元件与外电路断开
五、判断电学黑箱
电学黑箱简析(含源、含阻、二极管、电容器等):
①查电源:
用多用电表的电压挡试触如有示数,说明存在电源;
②查电阻:
欧姆表两表笔正、反测量,如果示数不变,则为电阻;
③二极管:
欧姆表两表笔正、反测量,示数差别很大,则为二极管;
④电容器:
欧姆表两表笔正、反测量,示数均很大,则为电容器。
⑤注意事项
(1)欧姆挡不能直接测量带电源电路的电阻;
(2)直流电流挡直接测量可能会造成电源短路;
(3)直流电压挡一般应进行试触而不是持续接触;
(4)欧姆挡连接二极管测量,结果为“红正大”。
补充1:
伏安法测电阻类实验(电阻、电阻率、小灯泡伏安特性曲线)
1)解题流程
(1)估算:
根据题目估算“U、I、R、P”
(2)选表:
选V、A表(至少偏1/3);可能要该表或等效使用
(3)测量电路:
内接、外接,误差分析;大内高手小外低
(4)控制电路:
选择滑动变阻器,分压、限流
限流:
题目要求,测电源E,r
分压:
大部分情况
(5)画图实连:
画电路图,实物连线
2)选表、改表与等效使用
(1)表要偏转1/3以上
(2)改表:
内阻必已知(不能约为);量程只能放大
3)内、外接(大内高手小外低)
核心目的:
减小误差
(1)比例法:
待测电阻Rx与RV、RA比值
(2)试触法:
看变化百分比
比值大,变化大,在一起
4)选滑动变阻器
核心目的:
有效控制调节电路
(1)限流:
选近阻、同级别;功耗小,简单;测E和r的实验
(2)分压:
选小阻、小控大;电压可从零开始;大多数实验
5)实物连线
正极出发,顺流而下;先画主路,再画支路;限流最大,分压最小;检查开关,注意量程,正负对应,正进负出;找接线柱,线不交叉。
6)伏安法测电阻的万能电路图:
补充2:
游标卡尺和螺旋测微器的原理及读数
1.游标卡尺的原理及读数
游标卡尺一般分为10分度、20分度和50分度三种,10分度的可精确到0.1mm,20分度的可精确到0.05mn,而50分度的可精确到0.02mm。
2不估读(高考范围)
②读数=主尺整毫米数+游标对齐根数×精度(mm),因此20分度末位数一定是0或5;50分度末位数字一定是偶数
③主尺一定要用mm来读数,不要用cm(即使标的是cm)
④读数的时候要看游标上的“0”刻线而不是游标尺的边缘
⑤判断对齐根数的时候,用“大川吃小川”方法。
2.螺旋测微器原理及读数:
固定刻度上每格1mm,可动刻度共有50个分度,每格精度为0.01mm;通过固定刻度上面的“半毫米线”露出与否区分是前50还是后50;再加上最后一位的估读,最终数据达到毫米的千分位(千分尺)。
1)公式:
主尺mm+螺旋尺0.000(最后一位是估读);
2)注意:
以mm为单位一定有三位小数:
注意主尺半毫米线是否露出;
3)要估读,千分位(以mm为单位的小数点后第三位)是估读;
4)从固定刻度上读出整毫米数和半毫米(看清半毫米线是否露出);
5)以毫米为单位:
固定刻度上每一根是1mm,可动刻度上每一根是0.01mm(但是只有50根);
6)最后读数中小数点后面一定有三位数(0.000mm),不够三位的,要用零补齐。
2.10试验:
测定电池的电动势和内阻
一、试验原理
1.如图所示
1)伏安法:
由E=U+Ir,得U=-rI+E。
改变R值,读出几组U,I值。
做U-I图,斜率为-r,纵轴截距为E。
二、试验器材
被测电池,电流表,电压表,滑动变阻器,电键,导线
三、试验步骤
1.按电路图连接电路,将滑片调到最大端
2.闭合S,调节滑片,记下几组U,I值
3.用公式计算或画图求出E,r
四、注意事项
1.在画U-I图时,要使较多的点落在这条直线上或使各点对称分布在直线的两侧,而不要顾及个别离开较远的点,以减小偶然误差。
2.为充分利用空间,可使纵坐标不从0开始,但此时图线与横轴交点不表示短
五、误差分析(图像法)
1.以路端电压、电流为基准,判断分流还是分压
2.画图
分流电路分压电路
3.口诀:
分流小人小义,分压高人一等
2.11简单的逻辑电路
一、概念
1.处理数字信号的电路叫数字电路
2.门电路是数字电路中最基本的逻辑电路
二、“与”逻辑电路
1.“与”逻辑关系:
如果一个事件和几个条件相联系,当这几个条件都满足后,该事件才能发生,这种关系叫“与”逻辑关系。
2.“与”门:
具有“与”逻辑关系的电路称为“与”门电路,简称“与”门。
3.符号:
4.“与”门真值表(1为满足条件,0为不满足条件)
三、“或”逻辑电路
1.“或”逻辑关系:
如果一个事件和几个条件相联系,当这几个条件中有一个满足,事件就会发生,这种关系叫“或”逻辑关系。
2.“或”门:
具有“或”逻辑关系的电路称为“或”门电路,简称“或”门。
3.符号:
4.“或”门真值表
四、“非”逻辑电路
1.“非”逻辑关系:
与正常逻辑关系相反的逻辑关系叫“非”逻辑关系。
2.“非”门:
具有“非”逻辑关系的电路称为“非”门电路,简称“非”门。
3.符号:
4.“非”门真值表
五、复合门电路
1.“与非”门
1)定义:
一个与门电路和一个非门电路组合在一起,做成一个复合门电路,称为“与非”门。
2)真值表
2.“或非”门
1)定义:
一个或门电路和一个非门电路组合在一起,做成一个复合门电路,称为“或非”门。
2)真值表
六、集成电路
1.定义:
以半导体材料为基片,将组成电路的各种元件和连线集成在同一基片,成为具有一定功能的微电路系统,即集成电路。
2.优点:
体积小,质量轻,可靠性高,运算速度快,成本低廉等。
高考题型
一、动态电路
1.简化电路:
正极出发,顺流而下,标点定势,简化元件
理想电流表视为导线;电容器、理想电压表视为短路,与之串联的电阻视为导线、阻值无用
2.判定理想电压表的测量对象(方框法):
理想电压表与电源组成方框,则测量电源路端电压;理想电压表与用电器组成方框,测量的就是不含电源的那部分电路的电压。
3.秒题绝招:
适用条件:
电源必须有内阻或等效内阻,只有串联才能等效;必须是单一变化源
(1)“串反并同”(判断是否串联:
两用电器是否能与电源形成闭合回路,是为串联,否为并联)
灯泡亮度由功率决定
二、含容电路
充电:
视为用电器
放电:
视为电源
饱和:
视为短路(理想电压表)
三、电源等效内阻和等效电动势
等效内阻:
R+r
等效电动势:
E
四、节点的电势和电流(电路分析基础)
1)节点:
三条或三条以上的支路的连接点
2)电流定律:
任意节点,I进=I出
3)电压定律:
电流流过电阻,电势降低,
4)推论:
无阻无流,电势不变;电阻的电压不是得到的,而是消耗的
五、电桥、平衡电桥
1)电桥节点电势的分析:
电桥桥臂上接入理想电压表(电容器)
2)电桥节点电流的分析:
电桥桥臂上接入理想电流表
3)平衡电桥的应用:
测电阻(对角线法则)
4)双臂回路极值问题
结论:
和为定值的两个电阻,阻值相等时并联总阻值最大。
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