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一轮复习07 第七章 恒定电流 第1讲

时间:2021-06-03 00:20来源: 作者:admin 点击:
第 1 讲 电路的基本概念和规律 一、电流的理解及三个表达式 1 . 定义 :电荷的 定向 移动形成电流. 2 . 条件 : (1) 有 自由移动 的电荷; (2) 导体两端存在 电压. 3 . 两个表达式 (1) 定义式: I =, q 为在时间 t 内通过导体横

1讲 电路的基本概念和规律

一、电流的理解及三个表达式

1定义:电荷的定向移动形成电流.

2条件(1)自由移动的电荷;(2)导体两端存在电压.

3两个表达式

(1)定义式:I=,q为在时间t内通过导体横截面的电荷量.

(2)微观表达式:InqSv,其中n为导体中单位体积内自由电荷的个数,q为每个自由电荷的电荷量,S为导体的横截面积,v为自由电荷定向移动的速率.

4方向:电流是标量,为研究问题方便,规定正电荷定向移动的方向为电流的方向.在外电路中电流由电源极到极,在内电路中电流由电源极到极.

深度思考 若一个电子,电荷量为e,绕核运动的周期为T,则等效电流I的表达式是________

答案 I

解析 电子绕原子核做圆周运动,形成等效的环形电流,电子电荷量为e,运动一周的时间为T,则I.

二、欧姆定律及电阻定律

1电阻定律

(1)内容:同种材料的导体,其电阻与它的长度成正比,与它的横截面积成反比,导体的电阻还与构成它的材料有关.

(2)表达式:Rρ.

(3)电阻率

物理意义:反映导体的导电性能,是表征材料性质的物理量.

电阻率与温度的关系:

a.金属:电阻率随温度升高而增大.

b.半导体(负温度系数):电阻率随温度升高而减小.

c.一些合金:几乎不受温度的影响.

2部分电路欧姆定律

(1)内容:导体中的电流跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比.

(2)表达式:I.

(3)适用范围

金属导电和电解液导电(对气体导电、半导体导电不适用)

纯电阻电路(不含电动机、电解槽等的电路)

3导体的伏安特性曲线

 (1)IU图线:以电流为纵轴、电压为横轴所画出的导体上的电流随电压的变化曲线称为IU图线,如图1所示.

1

(2)电阻的大小:图线的斜率k==,图中R1>R2.

(3)线性元件:伏安特性曲线是直线的电学元件,适用欧姆定律.

(4)非线性元件:伏安特性曲线为曲线的电学元件,不适用欧姆定律.

三、电功、电功率、电热及热功率

1电功

(1)定义:导体中的恒定电场对自由电荷的电场力做的功.

(2)公式:WqUIUt(适用于任何电路)

(3)电流做功的实质:电能转化成其他形式能的过程.

2电功率

(1)定义:单位时间内电流所做的功,表示电流做功的快慢.

(2)公式:P==IU(适用于任何电路)

3焦耳定律

(1)电热:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻及通电时间成正比.

(2)公式:QI2Rt.

4电功率PIU和热功率PI2R的应用

(1)不论是纯电阻电路还是非纯电阻电路,电流的电功率均为PUI,热功率均为PI2R.

(2)对于纯电阻电路而言:PPIUI2R.

(3)对于非纯电阻电路而言:PIUPP其他I2RP其他P其他.

深度思考 电动机正常工作时,电功率大于热功率,当电动机通电卡住不转时,则电功率与热功率满足什么关系?为什么?

答案 相等,电动机通电卡住不转时相当于一个发热的纯电阻,故电功率与热功率相等.

1.判断下列说法是否正确.

(1)电流越大,单位时间内通过导体横截面的电荷量就越多.(  )

(2)电流I随时间t变化的图象与坐标轴所围面积表示通过导体横截面的电荷量.(  )

(3)电功率越大,电流做功越快,电路中产生的焦耳热一定越多.( × )

(4)WUIt适用于任何电路,而WI2Rtt只适用于纯电阻电路.(  )

(5)R=可知,导体的电阻与导体两端的电压成正比,与流过导体的电流成反比.( × )

(6)Rρ可知,导体的电阻与导体的长度成正比,与导体的横截面积成反比.(  )

2(人教选修31P433题改编)安培提出了著名的分子电流假说,根据这一假说,电子绕核运动可等效为一环形电流.设电荷量为e的电子以速率v绕原子核沿顺时针方向做半径为r的匀速圆周运动,关于该环形电流的说法,正确的是(  )

A.电流大小为,电流方向为顺时针

B.电流大小为,电流方向为顺时针

C.电流大小为,电流方向为逆时针

D.电流大小为,电流方向为逆时针

答案 C

解析 电子做圆周运动的周期T

II,电流的方向与电子运动方向相反,故为逆时针.

3(人教选修31P524题改编)2是有两个量程的电压表,当使用ab两个端点时,量程为010 V,当使用ac两个端点时,量程为0100 V.已知电流表的内阻Rg500 Ω,满偏电流Ig1 mA,则电阻R1R2的值(  )

2

A9 500 Ω    90 000 Ω

B90 000 Ω   9 500 Ω

C9 500 Ω    9 000 Ω

D9 000 Ω      9 500 Ω

答案 A

解析 ab时,串联R1,由串联电路特点有RR1RgR1Rg9 500 Ω.ac时串联R1R2,同理有RR1R2RgR2RgR190 000 Ω.

4(人教选修31P631)一个电源接8 Ω电阻时,通过电源的电流为0.15 A,接13 Ω电阻时,通过电源的电流为0.10 A,则电源的电动势和内阻分别为(  )

A2 V  1.5 Ω                  B1.5 V  2 Ω

C2 V    2 Ω                                D1.5 V  1.5 Ω

答案 B

解析 由闭合电路欧姆定律得

EI1(R1r)

EI2(R2r)

代入数据联立得r2 ΩE1.5 V.

命题点一 利用柱体微元模型求电流

利用柱体微元模型求解电流的微观问题时,注意以下基本思路:

设柱体微元的长度为L,横截面积为S,单位体积内的自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为q,电荷定向移动的速率为v,则:

(1)柱体微元中的总电荷量为QnLSq.

(2)电荷通过横截面的时间t.

(3)电流的微观表达式I==nqvS.

1 如图3所示,一根长为L、横截面积为S的金属棒,其材料的电阻率为ρ,棒内单位体积自由电子数为n,电子的质量为m、电荷量为e.在棒两端加上恒定的电压时,棒内产生电流,自由电子定向运动的平均速率为v,则金属棒内的电场强度大小为(  )

3

A.                                              B.

Cρnev                                           D.

棒两端加上恒定的电压;棒内产生电流.

答案 C

解析 由电流定义可知:IneSv.由欧姆定律可得:UIRneSv·ρρneLv,又E,故Eρnev,选项C正确.

1.在长度为l、横截面积为S、单位体积内自由电子数为n的金属导体两端加上电压,导体中就会产生匀强电场.导体内电荷量为e的自由电子在电场力作用下先做加速运动,然后与做热运动的阳离子碰撞而减速,如此往复……所以,我们通常将自由电子的这种运动简化成速率为v(不随时间变化)的定向运动.已知阻碍电子运动的阻力大小与电子定向移动的速率v成正比,即Ffkv(k是常量),则该导体的电阻应该等于(  )

A.  B.  C.  D.

答案 B

解析 电子定向移动,由平衡条件得,kve,则U,导体中的电流IneSv,电阻R,选项B正确.

2.在显像管的电子枪中,从炽热的金属丝不断放出的电子进入电压为U的加速电场,设其初速度为零,经加速后形成横截面积为S、电流为I的电子束.已知电子的电荷量为e、质量为m,则在刚射出加速电场时,一小段长为Δl的电子束内的电子个数是(  )

A.                                    B.

C.                                     D.

答案 B

解析 在加速电场中有eUmv2,得v .在刚射出加速电场时,一小段长为Δl的电子束内电量为qIΔtI,则电子个数n.B正确.

 

命题点二 欧姆定律及电阻定律

 

1电阻的决定式和定义式的比较

公式

Rρ

R

区别

电阻的决定式

电阻的定义式

说明了导体的电阻由哪些因素决定,RρlS共同决定

提供了一种测电阻的方法——伏安法,RUI均无关

只适用于粗细均匀的金属导体和浓度均匀的电解液

适用于任何纯电阻导体

 

2.对伏安特性曲线的理解(如图4甲、乙所示)

4

(1)图线aedf表示线性元件,bc表示非线性元件.

(2)在图甲中,斜率表示电阻的大小,斜率越大,电阻越大,RaRe.

在图乙中,斜率表示电阻倒数的大小.斜率越大,电阻越小,RdRf.

(3)图线b的斜率变小,电阻变小,图线c的斜率变大,电阻变小.注意:曲线上某点切线的斜率不是电阻或电阻的倒数.根据R=,电阻为某点和原点连线的斜率或斜率的倒数.

2 如图5所示,厚薄均匀的矩形金属薄片边长为ab10 cmbc5 cm,当将CD接入电压恒为U的电路时,电流强度为2 A,若将AB接入电压恒为U的电路中,则电流为(  )

A0.5 A  B1 A  C2 A  D4 A

5

电压恒为U的电路.

答案 A

解析 设金属薄片厚度为d,根据电阻定律公式Rρ,有RCDρRABρ,故×;根据欧姆定律,电压相同时,电流与电阻成反比.故两次电流之比为41,故第二次电流为0.5 A,故选A.

3.用电器到发电站的距离为l,线路上的电流为I,已知输电线的电阻率为ρ.为使线路上的电压降不超过U,那么,输电线的横截面积的最小值为(  )

A.  B.  C.  D.

答案 B

解析 输电线的总长为2l,由公式RRρS,故B正确.

4(多选)小灯泡通电后其电流I随所加电压U变化的图线如图6所示,P为图上一点,PN为图线在P点的切线,PMI轴的垂线.则下列说法中正确的是(  )

6

A.随着所加电压的增大,小灯泡的电阻不变

B.对应P点,小灯泡的电阻R

C.对应P点,小灯泡的电阻R

D.对应P点,小灯泡的功率为图中矩形PQOM所围的面积

答案 BD

解析 由欧姆定律知,IU图中任意一点的电阻为该点与坐标原点O点的连线的斜率的倒数,随着所加电流的增大,小灯泡的电阻增大,A错误.对应P点,小灯泡的电阻为OP连线斜率的倒数,即RB正确,C错误.对应P点,小灯泡的功率PU1I2,即图中矩形PQOM所围的面积D正确.

命题点三 电功、电功率、电热及热功率

电功和电热、电功率和热功率的区别与联系

 

意义

公式

联系

电功

电流在一段电路中所做的功

WUIt

对纯电阻电路,电功等于电热,WQUItI2Rt;对非纯电阻电路,电功大于电热,WQ

电热

电流通过导体产生的热量

QI2Rt

电功率

单位时间内电流所做的功

PUI

对纯电阻电路,电功率等于热功率,PPUII2R;对非纯电阻电路,电功率大于热功率,PP

热功率

单位时间内导体产生的热量

PI2R

 

3 (多选)如图7所示,电源电动势E3 V,小灯泡L的规格为2 V,0.4 W,开关S1,当滑动变阻器调到R4 Ω时,小灯泡L正常发光,现将开关S2,小灯泡L和电动机M均正常工作.则(  )

7

A.电源内阻为1 Ω

B.电动机的内阻为4 Ω

C.电动机正常工作电压为1 V

D.电源效率约为93.3%

S1L正常发光;S2LM均正常工作.

答案 AD

解析 小灯泡正常工作时的电阻RL10 Ω,流过小灯泡的电流I0.2 A,当开关S1时,R15 Ω,电源内阻rRRRL1 ΩA正确;当开关S2时,电动机M两端的电压UMEIrU0.8 V;电源的效率η93.3%D正确.

非纯电阻电路的分析方法

1.抓住两个关键量:确定电动机的电压UM和电流IM是解决所有问题的关键.若能求出UMIM,就能确定电动机的电功率PUMIM,根据电流IM和电动机的电阻r可求出热功率PrIr,最后求出输出功率PPPr.

2.坚持躲着求解UMIM:首先,对其他纯电阻电路、电源的内电路等,利用欧姆定律进行分析计算,确定相应的电压或电流.然后,利用闭合电路的电压关系、电流关系间接确定非纯电阻电路的工作电压和电流.

3.应用能量守恒定律分析:要善于从能量转化的角度出发,紧紧围绕能量守恒定律,利用电功=电热+其他能量寻找等量关系求解.

5.如图8所示,电源电动势为12 V,电源内阻为1.0 Ω,电路中的电阻R01.5 Ω,小型直流电动机M的内阻为0.5 Ω,闭合开关S后,电动机转动,电流表的示数为2.0 A.则以下判断中正确的是(  )

8

A.电动机的输出功率为14 W

B.电动机两端的电压为7.0 V

C.电动机产生的热功率为4.0 W

D.电源输出的功率为24 W

答案 B

解析 由题意得电动机两端的电压UEI(R0r)7 V,则电动机的输入功率PUI14 W.热功率P

I2RM2 W,则输出功率PPP12 W.电源的输出功率PEII2r20 W,故B正确,ACD错误.

6.如图9所示是某款理发用的电吹风的电路图,它主要由电动机M和电热丝R构成.当闭合开关S1S2后,电动机驱动风叶旋转,将空气从进风口吸入,经电热丝加热,形成热风后从出风口吹出.已知电吹风的额定电压为220 V,吹冷风时的功率为120 W,吹热风时的功率为1 000 W.关于该电吹风,下列说法正确的是(  )

9

A.电热丝的电阻为55 Ω

B.电动机的电阻为 Ω

C.当电吹风吹冷风时,电热丝每秒钟消耗的电能为120 J

D.当电吹风吹热风时,电动机每秒钟消耗的电能为880 J

答案 A

解析 电吹风吹热风时电热丝消耗的功率为P1 000 W120 W880 W,对电热丝,由P可得电热丝的电阻为R Ω55 Ω,选项A正确;由于不知道电动机线圈的发热功率,所以电动机线圈的电阻无法计算,选项B错误;当吹冷风时,电热丝没有工作,选项C错误;当电吹风吹热风时,电动机每秒钟消耗的电能为120 J,选项D错误.

电阻的串、并联

1.串、并联电路的特点

 

串联电路

并联电路

电流

II1I2In

II1I2In

I1R1I2R2InRn

电压

==

U1U2Un

总电阻

RR1R2Rn

=++

功率分配

==

P1R1P2R2PnRn

 

2.四个有用的结论

(1)串联电路的总电阻大于电路中的任意一个电阻,串联电阻增多时,总电阻增大.

(2)并联电路的总电阻小于任意支路的电阻,并联支路增多时,总电阻减小.

(3)不论串联电路还是并联电路,只要某个电阻增大,总电阻就增大,反之则减小.

(4)不论串联电路还是并联电路,电路消耗的总功率等于各电阻消耗的电功率之和.

3.一个典型的极值电路

10

如图10所示,如果R1R2,当Pab时,RAB先增大后减小,且当RaPRPb(P位于ab的中点)RAB最大.

典例1 (多选)在如图11所示的电路中,电阻R110 ΩR2120 ΩR340 Ω.另有一测试电源,电动势为100 V,内阻忽略不计.则(  )

11

A.当cd端短路时,ab之间的等效电阻是40 Ω

B.当ab端短路时,cd之间的等效电阻是40 Ω

C.当ab两端接通测试电源时,cd两端的电压为80 V

D.当cd两端接通测试电源时,ab两端的电压为80 V

答案 AC

解析 cd端短路时,R2R3的并联电阻为30 Ω,两电阻并联后与R1串联,ab间的等效电阻为40 Ω,选项A正确;当ab端短路时,R1R3的并联电阻为8 Ω,两电阻并联后与R2串联,cd间等效电阻为128 Ω,选项B错;当ab两端接通测试电源时,电阻R2未接入电路,cd两端的电压即R3两端的电压,为Ucd×100 V80 V,选项C对;当cd两端接通测试电源时,电阻R1未接入电路,ab两端电压即R3两端的电压,为Uab×100 V25 V,选项D错.

典例2 如图12所示,电路两端的电压U保持不变,电阻R1R2R3消耗的电功率一样大,则电阻之比R1R2R3(  )

12

A111                                     B411

C144                                     D122

答案 C

解析 因为三个电阻消耗的功率一样大,则有R2R3,所以通过R1的电流是通过R2电流的2倍,则有(2I)2R1I2R2R1.R1R2R3144C正确.

1.处理串、并联电路以及简单的混联电路的方法:(1)准确地判断出电路的连接方式,画出等效电路图;(2)正确利用串、并联电路的基本规律、性质;(3)灵活选用恰当的公式进行计算.

2.简化电路的原则:(1)无电流的支路去除;(2)电势相等的各点合并;(3)理想导线可任意改变长短;(4)理想电流表的电阻为零,理想电压表的电阻为无穷大;(5)电压稳定时电容器可看作断路.

题组1 电流的理解及三个表达式

1.关于电流,下列说法中正确的是(  )

A.通过导体横截面的电荷量越多,电流越大

B.电子运动的速率越大,电流越大

C.单位时间内通过导体横截面的电荷量越多,导体中的电流越大

D.因为电流有方向,所以电流是矢量

答案 C

解析 电流的大小等于单位时间内流过导体横截面的电荷量,故A错,C对;电流的微观表达式IneSv,电流的大小由单位体积的电荷数、每个电荷所带电量、导体的横截面积和电荷定向移动的速率共同决定,故B错;矢量运算遵循平行四边形定则,标量的运算遵循代数法则,电流的运算遵循代数法则,故电流是标量,故D错.

2(多选)铅蓄电池的电动势为2 V,内阻不为零,以下说法中正确的是(  )

A.电路中每通过1 C电量,铅蓄电池能把2 J的化学能转变为电能

B.体积大的铅蓄电池比体积小的铅蓄电池的电动势大

C.电路中每通过1 C电量,铅蓄电池内部非静电力做功为2 J

D.该铅蓄电池把其他形式能转化为电能的本领比一节干电池(电动势为1.5 V)的强

答案 ACD

解析 WUItUQ2×1 J2 J,可知A正确;电动势的大小由电源将其他形式的能转化为电能的能力大小决定,与体积无关,故B错误;电源输出的电能大小为电源将其他形式的能转化为电能大小,电路中每通过1 C电量时,电源输出的电能大小为2 J,故C正确;电动势的大小表示电源将其他形式的能转化为电能的能力大小,故D正确.

3.来自质子源的质子(初速度为零),经一加速电压为800 kV的直线加速器加速,形成电流大小为1 mA的细柱形质子流.已知质子电荷量e1.60×1019 C.这束质子流每秒打到靶上的质子数为________个,假定分布在质子源到靶之间的加速电场是均匀的,在质子束中与质子源相距L4L的两处,各取一段极短的相等长度的质子流,其中的质子数分别为n1n2,则n1n2________.

答案 6.25×1015 21

解析 根据电流的定义可得I,所以n6.25×1015().由于各处电流相同,设所取长度为l,其中的质子数为n,则由IneSvn′∝,又v22asv,所以.

题组2 欧姆定律及电阻定律

4.如图1所示均匀的长薄片合金电阻板abcdab边长为L1ad边长为L2,当端点1234接入电路中时,R12R34(  )

1

AL1L2

BL2L1

C11

DLL

答案 D

解析 设长薄片合金电阻板厚度为h,根据电阻定律RρR12ρR34ρ,故选D.

5.用图2所示的电路可以测量电阻的阻值.图中Rx是待测电阻,R0是定值电阻,是灵敏度很高的电流表,MN是一段均匀的电阻丝.闭合开关,改变滑动头P的位置,当通过电流表的电流为零时,测得MPl1PNl2,则Rx的阻值为(  )

2

A.R0                                              B.R0

C.R0                                               D.R0

答案 C

解析 当灵敏电流表的电流为零时,有,可得RxR0.

6(多选)两电阻R1R2的伏安特性曲线如图3所示.从图线可判断(  )

3

A.两电阻阻值的关系是R1R2

B.电阻一定时,电流随着电压的增大而减小

C.电压相同时,通过R1的电流较大

D.两电阻串联接入电路时,R1消耗的功率小

答案 CD

解析 图象的斜率k,即图象的斜率越大,电阻越小,故有R1R2A错误;根据图象可得电阻一定时,电流随电压的增大而增大,B错误;从图象中可得电压相同时,通过电阻R1的电流较大,C正确;两电阻串联接入电路时,通过两电阻的电流相同,根据公式PI2R可得电阻越大,消耗的电功率越大,故D正确.

7.某一导体的伏安特性曲线如图4AB(曲线)所示,关于导体的电阻,以下说法正确的是(  )

4

AB点的电阻为12 Ω

BB点的电阻为40 Ω

C.导体的电阻因温度的影响改变了1 Ω

D.导体的电阻因温度的影响改变了9 Ω

答案 B

解析 A点电阻RA Ω30 ΩB点电阻RB Ω40 Ω,故A错误,B正确.ΔRRBRA10 Ω,故CD错误.

题组3 电功、电功率、电热及热功率

8(多选)在研究微型电动机的性能时,可采用如图5所示的实验电路.当调节滑动变阻器R,使电动机停止转动时,电流表和电压表的示数分别为1.0 A1.0 V;重新调节R,使电动机恢复正常运转时,电流表和电压表的示数分别为2.0 A15.0 V.则当这台电动机正常运转时(  )

5

A.电动机的内阻为7.5 Ω

B.电动机的内阻为1.0 Ω

C.电动机的输出功率为30.0 W

D.电动机的输出功率为26.0 W

答案 BD

解析 因为电动机停止转动时,电流表和电压表的示数分别为1.0 A1.0 V,电动机在没有将电能转化为机械能时属于纯电阻电路,故说明电动机的内阻r1.0 Ω,选项A错误,B正确;当电动机正常运转时,电流表和电压表的示数分别为2.0 A15.0 V,则电动机的总功率为P2.0 A×15.0 V30.0 W,此时电动机的发热功率为P(2.0 A)2×1.0 Ω4.0 W,故电动机的输出功率为PPP30.0 W4.0 W26.0 W,选项D正确.

9.

6

如图6所示,电源电动势E10 V,内阻r1 Ω,闭合开关S后,标有8 V,12 W的灯泡恰能正常发光,电动机M绕组的电阻R04 Ω,求:

(1)电源的输出功率P

(2)10 s内电动机产生的热量Q

(3)电动机的机械功率.

答案 (1)16 W (2)10 J (3)3 W

解析 (1)由题意知,并联部分电压为U8 V,内电压应为UEU2 V

总电流I2 A

电源的输出功率PUI16 W

(2)流过灯泡的电流I11.5 A

则流过电动机的电流I2II10.5 A

电动机的热功率P0IR01 W

10 s内产生的热量QP0t10 J

(3)电动机的总功率PUI24 W

电动机的机械功率PPP03 W.

10.有一个直流电动机,把它接入0.2 V电压的电路时,电动机不转,此时测得流过电动机的电流是0.4 A;若把电动机接入2.0 V电压的电路中,电动机正常工作,工作电流是1.0 A.求:

(1)电动机线圈的电阻;

(2)电动机正常工作时的输出功率;

(3)在发动机正常工作时,转子突然被卡住,此时电动机的发热功率.

答案 (1)0.5 Ω (2)1.5 W (3)8 W

解析 (1)电动机不转时,电动机电路为纯电阻电路,根据欧姆定律可得线圈的电阻R0.5 Ω

(2)电动机正常工作时的输入功率P输入UI2.0×1.0 W2 W,此时线圈的发热功率为PI2R0.5 W,电动机的输出功率P输出P输入P2 W0.5 W1.5 W

(3)当转子被卡住之后,电动机为纯电阻电路,电动机的发热功率P W8 W.

 

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