2022年高二物理 恒定电流概念专题复习 鲁教版选修3-1

2022年高二物理 恒定电流概念专题复习 鲁教版选修3-1【本讲教育信息】一. 教学内容： 恒定电流概念专题复习【重点、难点】一. 电流1. 电流的形成：（1）电荷的定向移动形成电流；（2）回路中存在自由电荷是形成电流的内因，电压是导体中形成电流的外因，导体两端有持续电压是导体中形成持续电流的条件。2. 电流的速度：电流的速度为，在电场力作用下，导体中大量电子做整体定向运动的速度的数量级为，在常温下金属内的自由电子以105m/s的平均速度做无规则的热运动。3. 电流的方向：规定正电荷定向移动的方向为电流方向，它与负电荷定向移动的方向相反。在电源外部的电路中，电流的方向是从电源的正极流向负极，在电源的内部，电流是从电源的负极流向正极。4. 电流的大小和单位：（1）电流的意义：通过导体横截面的电荷量q跟通过这些电荷所用时间t的比值称为电流。（2）公式：（3）单位：国际单位制中是安培，简称安（A），是国际单位制中七个基本单位之一。（4）电流是标量。 5. 如何从微观角度认识电流如下图所示，AD表示粗细均匀的一段导体，两端加一定电压，设导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v，设想在导体中取两个横截面B和C，它们之间的距离在数值上等于v。这样在单位时间内，在横截面B和C之间的自由电荷将全部通过横截面C，设导体横截面积为S，导体中每单位体积内的自由电荷数为n，每个自由电荷所带的电荷量为q，则BC内的自由电荷总数为NnvS。总电荷量QNqnvSq，即通过导体的电流。 由此可见，从微观上看，电流决定于导体中单位体积内的自由电荷数、电荷量、定向移动速度，还与导体的横截面积有关。 例1. 已知电子的电荷量为e，质量为m，氢原子的电子在核的静电力吸引下做半径为r的匀速圆周运动，则电子运动形成的等效电流大小为多少？ 解析：截取电子运动轨道的任一截面，在电子运动一周的时间T内，通过这个截面的电荷量qe，则有： 再由库仑力提供向心力有： 得 解得， 答案：二. 电阻1. 测定一段导体所具有的电阻，可以根据公式R，这种测量电阻的方法称为伏安法 2. “探究影响导线电阻的因素”采用控制变量法 3. 电阻定律 （1）内容：导体的电阻R跟它的长度l成正比，跟它的横截面积S成反比，还跟导体的材料有关。 （2）公式：。公式中比例系数是反映材料导电性能的物理量，称为材料的电阻率。 4. 电阻率 （1）电阻率是反映导体导电性能好坏的物理量，电阻率小，表示导电性能好，而电阻是反映导体对电流阻碍作用大小的物理量。 （2）电阻率与导体材料的温度有关，而与导体的长度和横截面积无关。金属材料的电阻率随温度升高而增大，利用电阻率随温度变化明显的金属制成电阻温度计，利用电阻率几乎不受温度变化影响的合金制成标准电阻。 但绝缘体和半导体的电阻率却随温度的升高而减小。 5. 应用电阻定律解题应注意的几个问题 （1）同一段导线的拉伸或压缩的形变中，导线的横截面积随长度而发生变化，但导线的总体积不变；即，这是隐含条件，也是解题的关键。例如将一电阻为R的电线均匀拉长为原来的n倍，即，由于VSl，所以。由于，所以，故电阻将变为原来的n2倍。 （2）应用电阻定律解题时，要注意其适用条件： 公式适用于粗细均匀的金属导体或浓度均匀的电解液。 （3）应用电阻定律解题时，若温度变化，应注意电阻率随温度而发生变化，由此引起电阻变化，例如：用欧姆表测出的白炽灯泡灯丝的电阻比灯泡正常工作时灯丝的电阻小很多，因为用欧姆表测灯泡的电阻时灯丝的温度较低，而灯泡正常工作时灯丝的温度较高，金属的电阻率随温度的升高而增大。 （4）RU/I与Rl/S的比较是电阻的定义式，其电阻并不随电压、电流的变化而变化，只是可由该式算出线路中的电阻是电阻的决定式，其电阻的大小由导体的材料、横截面积、长度共同决定提供了一种测R的方法：只要测出U、I就可求出R提供了一种测导体的的方法：只要测出R、l、S就可求出6. 概念辨析（1） 导体、半导体、绝缘体的导电性能差别有多大 它们的导电性能从电阻率的差别可以明显看出（如下表）：名 称电阻率（约数）导体（金属）107m1016m半导体105m106m绝缘体108m1018m （2） 电阻率随温度升高如何变化 有些材料的电阻率随温度升高而增大（如金属）：有些材料的电阻率随温度升高而减小（如半导体和绝缘体）：有些材料的电阻率几乎不受温度影响（如锰铜和康铜）。 （3） 超导现象 当温度降低到绝对零度附近时，某些材料的电阻率突然减小到零，这种现象叫超导现象，处于这种状态的物体叫超导体。 （4） 电阻率和电阻 电阻率、电阻是不同的两个物理概念，不能混淆。电阻率的大小由导体材料和温度决定，跟导体长度l和横截面积S无关。不能根据，错误地认为电阻率跟导体的横截面积S成正比，跟导体长度l成反比。 例2. 一根粗细均匀的金属裸导线，若把它均匀拉长为原来的3倍，电阻变为原来的_倍。若将它截成等长的三段再绞合成一根，它的电阻变为原来的_倍（设拉长与绞合时温度不变）。 思维分析：根据电阻定律求解。 解析：金属原来的电阻为，拉长后长度变为3l，因体积VSl不变，所以导线面积变为原来的1/3，即S/3，故拉长为原来的3倍后，电阻变为原来的9倍，反之绞合后电阻变为原来的。 答案：9 1/9 例3. 关于导体的电阻率的说法中，正确的是（ ） A. 导体对电流的阻碍作用叫导体的电阻，因此，只有导体有电流通过时，才具有电阻 B. 由可知，导体的电阻跟导体两端的电压成正比，跟导体中的电流强度成反比 C. 将一根导线等分为二，则半根导线的电阻和电阻率都是原来的二分之一 D. 某些金属、合金和化合物的电阻率随温度降低会突然减小为零，这种现象叫做超导现象，发生超导现象时，温度不为绝对零度 思维分析：要区别电阻和电阻率概念，搞清它们的影响因素。 解析：导体对电流的阻碍作用叫做导体的电阻，它只跟导体的几何形状和材料性质有关，跟导体是否通电、电流的大小均无关，电阻率的大小和导体几何形状无关。只跟材料性质和温度有关。一般金属合金和化合物的电阻率随温度升高而增大，随温度降低而变小，当温度降低到某一转变温度（大于0K）时，某些金属、合金、化合物的电阻率会突然减小为零，呈超导现象。答案：D三. 电功与电热 1. 电功 （1）公式：WUIt （2）单位：焦（J），千瓦时（kWh） 1kWh3.6106J （3）实质：电流通过一段电路所做的功，实质是电场力在这段电路中所做的功。 2. 功率 （1）定义：单位时间内电流所做的功叫做电功率 （2）公式： （3）单位：瓦（W），千瓦（kW） 3. 焦耳定律 （1）内容：电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比，跟导体的电阻成正比，跟通电时间成正比。 （2）公式：QI2Rt （3）对应单位：1J1A2s （4）微观解释：当导体内的电子在电场力作用下做定向运动时，会与金属离子不断碰撞，碰撞时把一部分动能传给离子，使离子的热运动加剧，导致发热。显然，电流越大，电阻越大，碰撞就越频繁、剧烈，发热就越多。 4. 电功和电热的区别与联系 （1）区别 电功是指输入某段电路的全部电能，或这段电路上消耗的全部电能：WUIt。 电热是指在这段电路上因发热而消耗的电能：QI2Rt。 （2）联系 从能量转化的角度分析，电功与电热的数量关系为：WQ，即UItI2Rt。 在纯电阻电路中，如白炽灯、电炉、电熨斗、电饭锅、电烙铁等构成的电路，电流做功全部转化为内能，电功等于电热，即WQ或UItI2Rt，在计算电功和电热时，可采用公式WQUItI2RttPt中任一形式进行计算。 在非纯电阻电路中，如含有电动机、电解槽，给蓄电池充电、日光灯等，电流做功除了一部分转化为内能外，还有一部分转化为机械能或化学能等，此时有WQ，或UItI2Rt，此种情况下，电功只能用公式WUIt进行计算，电热Q只能用公式QI2Rt计算，在计算产生的机械能或化学能时可用公式：WQE其他。 （3）电功与电热比较表项目电功电热电功与电热的本质电功实质是电场力移动电荷做的功，WUqUIt电热是由于电流的热效应，电流通过导体发热，QI2Rt电功与电热的联系与区别纯电阻电路中，UIR，UItI2RtU2t/R一般电路中电流通过导体时，不仅发热，而且还能做功，还能电解，还能形成磁场等等。在一般电路中电功大于电热，即WQ，UItI2Rt电功率与热功率的关系纯电阻电路中，PUII2RU2/R非纯电阻电路中UII2R，既不能表示电功，也不表示电热 5. 如何处理含有电动机的电路 对于含有电动机的电路，不能简单地理解成它一定是一个非纯电阻电路，要从纯电阻电路和非纯电阻电路在能量转化的区别上加以区分，直流电动机两端加上电压以后，若电动机转动则有电能转化为机械能，此时的电路为非纯电阻电路，部分电路的欧姆定律不适用，若电动机不转，则没有电能转化为机械能，此时损失的电能全部转化为内能，这时的电路是纯电阻电路。因此，分析电路问题时，要重视从能量的角度出发，这样会感到思路清晰，解题当然就很顺利了。例4. 有一起重用的直流电动机，如下图所示，其内阻r0.8，线路电阻R10，电源电压U150V，伏特表示数为U0110V，求： （1）通过电动机的电流； （2）输入到电动机的功率P入（3）电动机的发热功率Pr，电动机的机械功率。 解：电路中电阻R这一段电路是纯电阻电路，所以 IRUR/RA4A 由于R与电动机串联，所以电动机内部线圈中的电流也为IIR4A 即：P入IU04110W440W， PrI2r420.8W12.8W， P机P入Pr440W12.8W427.2W。 例5. 一只标有“110V，10W”字样的灯泡：（1）它的电阻是多大？（2）正常工作时的电流强度多大？（3）如果接在100V的电路中，它的实际功率多大？（4）它正常工作多少时间消耗1kWh的电能？ 解析：（1）灯泡的电阻 （2）I额P额/U额10/110A0.09A （3）因灯泡电阻一定，由得， P实P额 （4）1kWh3.6106J，由WPt得 答案：（1）1210（2）0.09A（3）8.3W （4）100h 例6. 一只电炉的电阻丝和一台电动机线圈电阻相同，都为R，设通过它们的电流强度相同（电动机正常运转），则在相同的时间内（ ）A. 电炉和电动机产生的电热相等B. 电动机消耗的功率大于电炉消耗的功率C. 电炉两端电压小于电动机两端的电压D. 电炉和电动机两端电压相等 解析：由焦耳定律：QI2Rt知，在相同时间内，电炉和电动机产生的电热相等，所以A项正确。电动机功率PUI，其中一部分转化为机械功率，另一部分转化为热功率I2R，而电炉的功率为I2R，所以B项正确。 因为UItI2Rt，所以UIR即：电动机两端电压大于电炉两端电压，所以C项正确，D项错误。 答案：ABC 例7. 用直流电动机提升重物的装置如下图所示，重物的质量m50kg，电源提供的电压U100V，不计一切摩擦。当电动机以v0.9m/s的恒定速度向上提升重物时，电路中的电流I5.0A，由此可知电动机线圈的电阻R_。（g取10m/s2） 解析：电流流过电动机所做的功W转化为两部分能量：一部分用来对外做功即输出能量，转化为机械能E机，这是主要部分；一部分转化为热能，即电流流经线圈的电阻R要产生热量Q。由能量的转化和守恒定律得WE机Q。 电流流过电动机做功的功率PIU，产生热量的功率PRI2R，用来提升重物做功的功率即是电动机的输出功率PGmgv， 则PPGPR，IUmgvI2R，代入数据得 R， 答案：R【模拟试题】（答题时间：30分钟） 1. 关于电流，以下说法中正确的是（ ）。A. 在导体中，只要自由电荷在运动，就一定会形成电流B. 电流的方向就是电荷定向移动的方向C. 电流总是从电势高的一端流向电势低的一端D. 导体两端没有电压就不能形成电流 2. 在示波管中，2s内有6.01013个电子通过横截面大小不知的电子枪，则示波管中电流强度大小为（ ）。A. 4.8106AB. 3103AC. 9.6106AD. 无法确定 3. 已知电子的电荷量为e，质量为m，氢原子的电子在核的静电力吸引下做半径为r，速度为v的匀速圆周运动，则下列说法中正确的是（ ）。A. 电子运动形成的等效电流方向与电子运动方向相反B. 电子运动形成的等效电流方向与电子运动方向相同C. 电子运动形成的等效电流大小为ID. 电子运动形成的等效电流大小为I 4. 金属导体中电流增大，其原因为（ ）。A. 导体中电场的传播速度增加B. 导体中自由电子定向移动的速度增大C. 导体中自由电子个数增多D. 导体中自由电子运动速度增大 5. 半径为R的橡胶圆环均匀带正电，总电荷量为Q，现使圆环绕垂直环所在平面且通过圆心的轴以角速度匀速转动，则由环产生的等效电流大小为（ ）。A. QB. C. D. 6. 在截面积为S的粗细均匀的铜导体中流过恒定电流I，铜的电阻率为，电子电荷量为e，则电子在铜导体中运动时受到的电场作用力为（ ）A. 0B. Ie/SC. IS/eD. Ie/S 7. 两根完全相同的金属裸导线A和B，如果把导线A均匀拉长到原来的2倍，导线B对折后结合起来，然后分别加上相同的电压，则它们的电阻之比RARB为_，相同时间内通过导线横截面的电荷量之比QAQB为_。 8. 导线中的电流是1A，导线的横截面积为1mm2，那么：（1）1s内，有多少个电子通过导线的横截面（电子电荷量e1.61019C）？（2）自由电子的平均移动速率是多大（设导体每立方米内有8.51028个自由电子）？（3）自由电子沿导线移动1cm，平均需要多少时间？ 9. 如下图所示，两段长度和材料都完全相同的导线ab、bc的横截面积之比为14，串联后加上电压U。求： （1）ab、bc两导线内自由电子定向运动速度之比。 （2）两段导线两端电压之比。 10. 某直流电动机用来提升重物，当电动机两端加上110V电压时，电路中电流为5A，被提升的重物质量m50kg，重物上升的速度v0.90m/s保持不变。由此可知电动机消耗的功率为_W；电动机的输出功率为_W；电动机本身损耗的功率为_W；电动机线圈的电阻R_。（g取10m/s2，不计摩擦） 11. （xx南京）超导材料电阻率为零的温度称为临界温度，1987年我国科学家制成了临界温度为90K的高温超导材料，利用超导材料零电阻的性质，可实现无损耗输电，现有一直流电路，输电线的总电阻为0.4，它提供给用电器的电功率为40kW，电压为800V。如果用临界温度以下的超导电缆替代原来的输电线，保持供给用电器的功率和电压不变，那么节约的电功率为（ ）A. 1kWB. 1.6103kWC. 1.6kWD. 10kW 12. 晚上用一盏电灯照射蔬菜棚的蔬菜，设蔬菜的面积为5m2，到灯泡的平均距离为2m，发现一晚（12小时）放出6.48L氧气，而此种绿色植物在光合作用中每吸收1kJ的太阳能可以放出0.05L氧气，设灯泡将电能转化为光能的效率为75%，其他损失不计，这盏灯泡的功率为_W。 13. A、B两地相距40km，从A到B两条输电线的总电阻为800。若A、B之间的某处E两条线路发生短路。为查明短路地点，在A处接上电源，测得电压表示数为10V，电流表示数为40mA。求短路处距A多远？【试题答案】1. D2. A3. ACD4. B5. C6. B7. 16:1 16:18. （1） （2）m/s （3）136s9. 4:1 4:110. 550, 450, 100, 411. A12. 4013. 解析：根据题意，画出电路如下图所示。A、B两地相距l140km，原输电线总长2l180km,电阻800。 设短路处距A端l2，其间输电线电阻： R2250 因为R l240km12.5km 即E处距A端12.5km。