高中物理竞赛辅导恒定电流机械振动和机械波

稳恒电流2、1 电 流21 1电流、电流强度、电流密度导体处于静电平衡时，导体内部场强处处为零。如果导体内部场强不为零，带电粒子在电场力作用下发生定向移动，形成了电流。形成电流条件是：存在自由电荷和导体两端有电势差（即导体中存在电场）。自由电荷在不同种类导体内部是不同的，金属导体中自由电荷是电子；酸、碱、盐在水溶液中是正离子和负离子；在导电气体中是正离子、负离子和电子。电流强度是描述电流强弱的物理量，单位时间通过导体横截面的电量叫做电流强度。用定义式表示为电流强度是标量。但电流具有方向性，规定正电荷定向移动方向为电流方向。在金属导体中电流强度的表达式是n是金属导体中自由电子密度，e是电子电量，v是电子定向移动平均速度，S是导体的横截面积。在垂直于电流方向上，单位面积内电流强度叫做电流密度，表示为金属导体中，电流密度为高中物理竞赛电学教程 第二讲恒定电流电流密度是矢量，其方向与电流方向一致。21 2、电阻定律导体的电阻为式中、称为导体电阻率、电导率，由导体的性质决定。实验表明，多数材料的电阻率都随温度的升高而增大，在温度变化范围不大时，纯金属的电阻率与温度之间近似地有如下线性关系为0时电子率，为时电阻率，为电阻率的温度系数，多数纯金属值接近于，而对半导体和绝缘体电阻率随温度 的升高而减小。某些导体材料在温度接近某一临界温度时，其电阻率突减为零，这种现象叫超导现象。图2-2-1超导材料除了具有零电阻特性外，还具有完全抗磁性，即超导体进入超导状态时，体内磁通量被排除在体外，可以用这样一个实验来形象地说明：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永磁铁，整个装置放入低温容器里，然后把温度降低到锡出现超导电性的温度。这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，飘然升起与锡盘保持一定距离后，悬在空中不动了，如图2-2-1所示。这是由于超导体的完全抗磁性，使小磁铁的磁感线无法穿透超导体，磁场畸变产生一个向上的很大的排斥力，把磁铁托在空中，这就是磁悬浮的道理，这一特性启示了人们用超导材料制造磁悬浮列车。超导现象是1911年荷兰物理学家昂尼斯首先发现的。他发现在（），汞的电阻突然消失，并把这种“零”电阻特性称为“超导电性”。接着他又发现在附近，铅也具有“超导性”。1933年，迈斯纳发现了超导的“完全抗磁性”，他证明处于磁场中的超导体可以把磁感线完全排斥在体外，从而使自身可以悬浮在磁体之上。这个现象称为“迈斯纳效应”。至今人们仍把“零电阻特性”和“完全抗磁性”作为判定材料达到“超导状态”的两个必要条件。例1、为了使一圆柱形导体棒电阻不随温度变化，可将两根截面积相同的碳棒和铁棒串联起来，已知碳的电阻率为，电阻率温度系数，而铁，求这两棒的长度之比是多少？解： 各种材料的长度和截面积都会随温度变化而变化，但它们电阻率的变化比线度的变化要明显得多（一般相差两个数量级），因此可以忽略线度的变化。将代入，得式中为材料0时电阻将碳棒和铁棒串联，总电阻为要R不随温度变化，必须有由，可知截面积相同的两棒长度之比为 2. 1 3、电流密度和电场强度的关系通电导体中取一小段长，其两端电压，则有：得到 上式给出了电流密度与推动电荷流动的电场之间的对应关系，更细致地描述了导体的导电规律，被称为欧姆定律的微分形式。对于金属中的电流，上式中的还可有更深入的表示。当金属内部有电场时，所有自由电子都将在原有的热运动的基础上附加一个逆场强的定向运动，就是所有电子的这种定向运动形成宏观电流。由于与晶体点阵的碰撞，自由电子定向速度的增加受到限制。电子与晶体点阵碰撞后散射的速度沿各个方向几率相等，这样电子定向运动特征完全丧失，其定向速度为0。这样电子在电场力的作用下从零开始作匀加速运动，设两次碰撞之间的平均时间为，平均路程为，则电子定向运动平均速度。而，是电子热运动的平均速率。所以下面我们看电流密度矢量与电子定向运动平均速度的关系。在金属内部，在与垂直方向取一面积为的面元，以为底，为高作一个柱体。设单位体积内自由电子数为n，则单位时间内柱体内的所有为由电子能穿过面而形成电流，面上任一点的电流密度： 的方向以正电荷运动方向为准，电子带负电，的方向与的方向相反代入，我们得到对于一定的金属导体，在一定温度下，是一定的，与欧姆定律的微分形式相比，金属的电导率为对于导电液体，同样有更细微的表达式。能够导电的液体称为电解液。电解液中能自由移动的带电粒子是正、负离子。在没有外电场时，正负离子作无规则的热运动。在有外场作用时，液体中正负离子定向移动形成宏观电流，正、负离子的平均定向速度（以称迁移速度）和与所加的电场成正比。若单位体积内有n对正负离子，每个离子带电量q，考虑到负电荷的运动等效于等量的正电荷反方向的运动，则所研究面元的电流密度大小为定义单位场强下的迁移速度为迁移率，分别用和表示 则 对于一定浓度的某一种电解液，均为恒量，液体导电仍满足欧姆定律。2、2电路22 1、电路连接与电表改装（1）串、并联电路的性质串联电路通过各电阻电流相同，总电压为各电阻两端电压之和，电压的分配与电阻成正比，功率的分配也与电阻成正比，即串联电路总电阻并联电路各电阻两端电压相同，总电流为通过各支路电流之后，电流的分配与电阻成反比，功率的分配亦与电阻成反比，即GV图2-2-1总电阻：（2）电表改装欲将满偏电流为，内阻为的电流表改装为量程为U的电压表，需将分压电阻R和电流表串联，如图2-2-1所示，所谓量程为U时，就是当电压表两端的电压为U时，通过电流表的电流为，电流表分担的电压为。根据串联电路的规律有 即 电压表内阻 通常，都很大，理想情况下可认为。欲将内阻为，满偏电流为的电流表改装为量程为I的电流表时，需将分流电阻RGG图2-2-2和电流表并联，如图2-2-2所示。同理可推得 通常，R很小，可认为电流表内阻，理想情况下可认为。将电流表改装成欧姆表G图2-2-3简易欧姆表接法示意图如图2-2-3所示，为调零电阻，表头内阻为，满偏刻度为。测量前，应先将两表笔短接，调节使流过表头的电流为，若电池的电动势为，内阻为，则如果在两表笔间接一电阻，则电流减半，指针指表盘中央，因此，称为“中值电阻”，表盘最左刻度对应于，最右边刻度对应于，对于任一阻值，若图2-2-4得 这就是欧姆表的刻度原理，如欧姆表的中值电阻，表盘满偏处的刻度为，表盘满偏处的刻度为，如图2-2-4所示。欧姆表的量程改变后，各刻度所对应的电阻值应乘以相同倍率，另外要注意，凡使用欧姆表，必须进行机械调零和欧姆调零，并且，换档后一定要重新进行欧姆调零。将电流表改装成交流电压表交流电压表是直流电压表的基础上改装而成的，在直流电压表上串联一个二极管，就组成交流电压表。串联二极管后，电表显示的是交流电的平均值（它等于有效值的0.45倍）。用U代表某一量程的交流电压有效值，若不考虑二极管正向电阻值，则限流电阻计算公式为图2-2-5实验指出，二极管是一且非线性元件，它的伏安特性为一条弯曲的图线，如图2-1-5所示，当二极管的正向电阻后，限流电阻R与交流电压U之间的关系不再是线性的。因此，最大量程的交流电压表的表盘刻度是不均匀的，如采用J0411型多用电表测量2.5V以下的交流电压时，要使用表盘上第三条刻度线，它的起始段刻度很密，刻度是不均匀的。这一点，从图2-2-5中可以看得很清楚，在二极管两端电压小于的一段图线上，相同的电压变化（例如V）所对应的电流是不同的：顺次分别为mA、mA、mA、mA。22 2、电动势与电功率（1）电源有保持两极间有一定电压的作用，不同种类的电源，保持两极间有一定电压的本领不同。例如：干电池可保持正、负极间有V的电压；常用的铅锌蓄电池可保持两极间有V的电压。为了表征电源的这种特性，物理学上引入了电动势这个物理量，电源的电动势在数值上等于电源没有接入外电路时两极间的电压。将理想表直接接在电源的两极上测出的电压就是电源的电动势。（2）电流通过一段路时，自由电荷在电场力作用下发生定向移动，电场力对自由电荷作功。电流在一段电路上所做的功W，等于这段电路两端的电压U、电路中电流I和通电时间t三者的乘积。即单位时间内电流所做功叫做电功率，用P表示电功率，则。2.3、电学基本定律231、 焦耳定律电流在一段只有电阻元件的电路上所做的功等于电流通过这段电路时的所产生的热量Q。焦耳通过实验得到结论：如果通过一段只有电阻元件的电路的电流为I，这段电路的电阻为R，通电时间为t，则这就是焦耳定律，我们还可推出这段电路中电流的发热功率为。电流做功的过程，就是电能转化为其他形式的能的过程。一般来讲，人们用电的目的往往不是为了发热。如使用电动机是为了将电能转化为机械能，使用电解槽是为了将电能转化为化学能等等。发热只是副效应，因此，一般说来电热只是电功的一部分，热功率是电功的一部分。232、欧姆定律部分电路欧姆定律：导体中的电流强度I跟它两端所加的电压U成正比，跟它的电阻R成反比，即上式适用于金属导电和电解液导电的情况。对非线线元件（如灯丝、二极管）和气体导电等情况不适用。一段含源电路欧姆定律：电路中任意两点间的电势差等于连接这两点的支路上各电路元件上电势降落的代数和，其中电势降落的正、负符图2-3-1号规定如下：a.当从电路中的一点到另一点的走向确定后，如果支路上的电流流向和走向一致，该支路电阻元件上的电势降取正号，反之取负号。b.支路上电源电动势的方向和走向一致时，电源的电势降为电源电动势的负值（电源内阻视为支路电阻）。反之，取正值。如图2-3-1所示，对某电路的一部分，由一段含源电路欧姆定律可求得：闭合电路欧姆定律和电源输出功率图2-3-2 图2-3-3 1闭合电路欧姆定律闭合电路欧姆定律公式：路端电压对于确定电源、一定，则图线和图线如图2-3-2和2-3-3所示。其中，为电源短路电流。2电源输出功率电源的功率 电源输出功率 当时电源输出功率为最大此时电源效率 %电源输出功率P随外电阻R变化如图2-3-4所示，若电源外电阻分别为、时，输图2-3-5出功率相等，则必有例2、如图2-3-5所示电路，设电源电压不变，问：（1）图2-3-4在什么范围内变化时，上消耗的电功率随的增大而增大？（2）在什么范围内变化时，上消耗的电功率随增大而减小？（3）为何值时，上消耗的电功率为最大？解： 先求出随变化的表达式。 令： 则： （1）当时，即 （2）当时，即0，（3）当=时，即=，最大233、基尔霍夫定律对电路中任何一个节点，流出的电流之和等于流入的电流之和。或可表达为：汇于节点的各支路电流强度的代数和为零。若规定流入电流为正，则从节点流出的电流强度加负号。对于有n个节点的完整回路，可列出n个方程，实际上只有个方程是独立的。沿回路环绕一周，电势降落的代数和为零，即对于给定的回路绕行方向，理想电源，从正极到负极，电势降落为正，反之为负；对电阻及内阻，若沿电流方向则电势降落为正，反之为负。若复杂电路包括m个独立回路，则有m个独立回路方程。例3、如图2-3-6所示电路中，已知求各支路的电流。分析： 题中电路共有2个节点，故可列出一个节点方程。而支路3个，只有二个独立图2-3-6的回路，因而能列出两个回路方程。三个方程恰好满足求解条件。解： 规定正方向如图所示，则有两个独立回路，有联解方程得：0，说明实际电流方向与图中所假定电流方向相反。2. 4、电路化简241、 等效电源定理实际的直流电源可以看作电动势为，内阻为零的恒压源与内阻r的串图2-4-1 联，如图2-4-1所示，这部分电路被称为电压源。不论外电阻R如何，总是提供不变电流的理想电源为恒流源。实际电源、r对外电阻R提供电流I为 其中为电源短路电流，因而实际电源可看作是一定的内阻与恒流并联的电流源，如图2-4-2所示。图2-4-2实际的电源既可看作电压源，又可看作电流源，电流源与电压源等效的条件是电流源中恒流源的电流等于电压源的短路电流。利用电压源与电流源的等效性可使某些电路的计算简化。等效电压源定理又叫戴维宁定理，内容是：两端有源网络可等效于一个电压源，其电动势等于网络的开路电压，内阻等于从网络两端看除电源以外网络的电阻。如图2-4-3所示为两端有源网络A与电阻R的串联，网络A可视为一电压源，等效电源图2-4-3图2-4-4电动势等于a、b两点开路时端电压，等效内阻等于网络中除去电动势的内阻，如图2-4-4所示。等效电流源定理 又叫诺尔顿定理，内容是：两端有源网络可等效于一个电流源，电流源的等于网络两端短路时流经两端点的电流，内阻等于从网络两端看除电源外网络的电阻。例4、如图2-4-5所示的电路中，图2-4-5（1）试用等效电压源定理计算从电源正极流出的电流；（2）试用等效电流源定理计算从结点B流向节点A的电流。分析： 根据题意，在求通过电源的电流时，可将ABCDE部分电路等效为一个电压源，求解通过的电流时，可将上下两个有源支路等效为一个电流源。图2-4-6解： （1）设ABCDE等效电压源电动势，内阻，如图2-4-6所示，由等效电压源定理，应有电源与电源串联，故0，表明电流从负极流出。（2）将A、B两个节点短接，构成等效电流源（）如图2-4-7所示，由等效电流图2-4-7源定理，为原电路流经A、B短接后的支路电流。因为有两电源，必须用线性叠加原理，所谓叠加原理与力学中“力的独立作用原理”极为相似，其内容为：若电路中有多个电源，则通过任一支路的电流等于各个电动势单独存在时该支路产生的电流之和。由叠加原理 图2-4-8由和的分流关系242、 Y变换在某些复杂的电路中往往会遇到电阻的Y型或，如图2-4-8所示，有时把Y型联接代换成等效的型联接，或把型联接代换成等效的Y型联接，可使电路变为串、并联，从而简化计算，等效代换要求Y型联接三个端纽的电压及流过的电流与型联接的三个端纽相同。在Y型电路中有可解得 在型电路中等效即满足：即 类似方法可得 、式是将Y型网络变换到型电路中的一组变换。同样将型电路变换到Y型电路，变换式可由、式求得：、 图2-4-10图2-4-9例5、试求如图2-4-9所示电路中的电流。分析： 这是包含一个Y型电路和一个型电路的网络，解决问题的方向可将左边Y型网络元变换成型网络元，或将右侧型网络元变换成Y型网络元。解： 将左侧Y型网络换成型，如图2-4-10所示已知 则有 图2-4-11由图2-4-10，可进一步电路整理为图2-4-11所示。将右侧型网络元换成Y型网络元同样可求得，这里不再叙述。243、 对称性原理等势节点的断接法在一个复杂电路中，如果能找到一些完全对称的点，（以两图2-4-12ABDC端连线为对称轴），那么可以将接在等电势节点间的导线或电阻或不含电源的支路断开（即去掉），也可以用导线或电阻或不含电源的支路将等电势节点连接起来，且不影响电路的等效性。例6、用导线连接成如图2-4-12所示的框架，ABCD和ABCE是正四面体，每段导线的电阻都是1。求AB间的总电阻。解： 设想A、B两点上存在电势差，由于电路的对称性可以知道D、C、两点的电势都应该介乎与的中间，即，所以两点应是等电势的。这样，去掉CD段导线，对A、B间的总电阻不会有影响。当去掉CD段导线后，就成为三路并联，即ADB，ACB，和AB。于是：电流分布法设有电流I从A点流入、B点流出，应用电流分流的思想和网络中两点间不同路径等电压图2-4-13的思想，（即基耳霍夫定理），建立以网络中各支路的电流为未知量的方程组，解出各支路电流与总电流I的关系，然后经任一路径计算A、B两点间的电压，再由即可求出等效电阻。例7、10根电阻均为r的电阻丝接成如图2-4-13所示的网络，试求出A、B两点之间的等效电阻。由结构对称性，要求电流I从A点流入后在A点的电流分布应与电流I从B点流出前的电流分布相同，中间四方形必具有上、下电流分布对称和左、右电流分布对称，因此网络内电流分布应如图2-4-14所示。对图中C点和D点，有电流关联解得 由A、E两点间不同路线等电压的要求，得图2-4-14即 解、两式得选择线路AEDB，可得 因此，A、B间等效电阻便为244、 无穷网络等效变换法若 （a0）在求x值时，x注意到是由无限多个组成，所以去掉左边第一个对x值毫无影响，即剩余部分仍为x，这样，就可以将原式等效变换为，即。所以图2-4-15这就是物理学中解决无限网络问题的基本思路。例8、如图2-4-15所示，框架是用同种金属丝制成的，单位长度的电阻为，一连串内接等边三角形的数目可认为趋向无穷，取AB边长为a，以下每个三角形的边长依次减小一半，则框架上A、B两点间的电阻为多大？从对称性考虑原电路可以用如图2-4-16所示的等效电路来代替，同时我们用电阻为的电阻器来代替由无数层“格子”所构成的“内”三角，并且电 图2-4-16阻是这样的，因此解此方程得到245、 电流叠加法解题步骤是：先考虑一支流入或流出系统的电流，把它看作在给系统充电或放电，利用对称性求出系统中的电荷分布和电流场分布，求出每一支电流造成的分布后进行叠加，使得电荷分布全部抵消，而电流场叠加作为所求的电流场。图2-4-17例9、有一个无限平面导体网络，它由大小相同的正六边形网眼组成，如图2-4-17所示。所有六边形每边的电阻为，求：（1）结点a、b间的电阻。（2）如果有电流I由a点流入网络，由g点流出网络，那么流过de段电阻的电流 Ide为多大。解： （1）设有电流I自a点流入，流到四面八方无穷远处，那么必有电流由a流向c，有电流由c流向b。再假设有电流I 由四面八方汇集b点流出，那么必有电流由a流向c，有电流由c流向b。将以上两种情况综合，即有电流I由a点流入，自b点流出，由电流叠加原理可知（由a流向c）（由c流向b）因此，a、b两点间等效电阻（2）假如有电流I从a点流进网络，流向四面八方，根据对称性，可以设应该有 因为b、d两点关于a点对称，所以同理，假如有电流I从四面八方汇集到g点流出，应该有最后，根据电流的叠加原理可知以上几种方法可实现电路的化简。其中，电流分布法特别适合于纯电阻电路及求复杂导体和等效电阻，当为纯电容电路时，可先将电容换成电阻为解等效阻值，最后只需将R换成即可。例10、十个电容为C的电容器按图2-4-17个方式连接，求AB间等效电容。解： 将电容全部换成阻值为r的电阻，由“电容分布法”中的例题可知 图2-4-17用代替R，则 G图2-5-12。5、电桥电路，补偿电路和电势差计251、 惠斯通电桥用欧姆表测量电阻虽然方便，但不够精确，而用伏安法测电阻，电表所引起的误差又难以消除，精确地测量电阻，常用惠斯通电桥。图2-5-1是惠斯通电桥的电路图，当B、D两点的电势相等时，通过检流计的电流强度，此时就称电桥平衡（可通过调节滑动触头D的位置来实现）。根据串联电路中电阻与电压成正比的原理，可知此时应有一般来讲，和由同一均匀电阻丝组成，其阻值与长度成正比，待测电阻的计算公式为测出电阻丝长度和之比，再由标准电阻的阻值即可确定待测电阻的阻值。备注：操作方法见实验部分。 G图2-5-2252、 电势差计精确地测量电源电动势常采用电势差计。电势差计是根据补偿原理来设计的，补偿法的原理可用图2-5-2所示来说明。通常情况下，用测量仪器对电源进行测量时，总有电流通过电源，因而造成测量误差。用图2-5-3所示的电路进行测量时，可以使待测电源中的电流为零。图中工作电源与粗细均匀的电阻线A、B相连。适当调节C的位置，当电阻线在A、C段的电势降刚好与待测电源的电动势Ex 相等时，灵敏电流计G内没有电流通过，待测电源中的电流也为零。这时，称待测电路得到了补偿。若先对一个标准电池实现补偿，就可以对电路进行定标（测得A、C间单位长度相当多少伏电压），然后对某个待测电压实现补偿，即可精确地测定这个电压值。用这种方法既可以测量电源电动势，还可以测量某段电路两端电压。若再借助于比较法，还可测量电阻值。这种测量方法称为补偿法。滑线式电势差计的电路如图2-5-4所示。它由三部分组成：工作电源E、开关和变阻器组成“工作电路”；标准电池、灵敏电流计G和保护电阻组成“标准电路”；待测电源、开关、电阻箱、灵敏电流计G和保护电阻组成“测量电路”，三部分之间接有转换开关和由粗细均匀的电阻线AB和滑动触头C。任何电势差计，无论结构多么复杂，都有以上三部分。测量前，应先对电势差计进行校准，回路中的工作电源电压可取34V间某个值。调节变阻器使工作电路中的电流达到规定值。再将转换开关接标准电池，调节滑动触头C，并逐步减小保护电阻，直至等于零时，接通灵敏电流计G，表中也有没电流通过。这时“标准回路”就达到了平衡，记下此时电阻线上段长度。然后，将调至最大，将转换开关接待测电源，并断开开关。按以上方法再调节“测量电路”使其达到平衡，并记下此时触头位置所对应的电阻线上的长度。在调节过程中，的位置不能动，以保护工作电流不变。此时，由于电阻线的粗细均匀，故有即 如果要测量待测电源的内阻r，可以合上，用以上方法测得待测电源的路端电压再根据公式 读出电阻箱的阻值，即可求出电源内阻为利用电势差计还可以借助于比较法测电阻，测量方法如图2-5-5所示，图中R为标准电阻，图2-5-5为待测电阻，先用电势差计测出两端的电压，再用同样的办法测出标准电阻R两端的电压U，由于电势差计没有分流作用，故因此 图2-6-126、黑箱问题此类问题具有智力测试的性质，无明显规律可循，而全凭思维的灵敏性和判断的周密性例11、如图2-6-1所示，在黑盒内有一个电源和几个阻值相同的电阻组成的电路，盒外有四个连接柱。利用电压表测出每两点间的电压分别为：。试画出盒内的电路，并要求电阻数不超过5个。解： 在盒内电阻数不超过5个的条件下，可能的电路有6种，如图2-6-2所示图2-6-22、7 物质的导电性271、导体的导电性（1）金属中的电流金属导体内的电流强度与自由电子的平均定向运动速率有关。设金属导体的横截面积为S，单位面积内自由电子的数密度为n，自由电子的平均定向运动速率v，电子电量为e，则由上式可估算出电子的定向运动速率是很小的，一般为数量级，与电子热运动的平均速率（约数量级）和“电的传播速率”（即电场的传播速率，为）不能混为一谈。（2）。液体中的电流液体导电包括液态金属导电与电解质导电两种。电解质导电与金属导电的机理不同，固态金属导电跟液态金属（如汞）导电的载流子是自由电子，在导电过程中，金属本身不发生化学变化，而电解质导电的载流子是正负离子，在导电过程中，伴随着电解现象，在正负极板处同时发生化学反应（即电解）。英国物理学家、化学家法拉第，通过大量的实验，在1833年总结出了两条电解定律。电解质导电时，所析出物质的质量m跟通过电解液的电流强度I成正比，跟通电时间t成正比，就这是法拉第电解第一定律。由于，法拉第电解第一定律也可表述为：电解时析出物质的质量m跟通过电解液的电量Q成正比，用公式表示为式中比例恒量k叫做电化当量，其物理意义是：通过1C电量时，所析出这种物质的质量。各种物质的电化当量跟它的摩尔质量M成正比，跟它的化合价n成正比。这就是法拉第电解第二定律。而在化学中，我们常将称为“化学当量”。因此，法拉第电解第二定律又可简述为：各种物的电化当量与它的化学当量成正比，即 例如一价银的化学当量等于它的摩尔质量，二价铁的化学当量等于它的摩尔质量0.065 546 kg/mol除以它的化合价，得0.031 772 kg/mol。上式中的比例恒量C是一个普通恒量，对各种物质都是相同的，称为“法拉第恒量”，用F表示。因此，法拉第电解第二定律又可以表示为实验指出，对于任何物质，都有，将上式代入电解第一定律可得这就是法拉第电解定律的统一表达式。当析出物质的质量m等于该物质的化学当量，则F与Q在数值上相等。例12、 把的食盐溶解在1L的水中，测得44%的食盐分子发生电离。若钠离子的迁移率（单位电场强度所产生的平均速率）为，氯离子的迁移率为。求食盐溶液的电阻率。分析： 由于溶液中的电流是正、负离子共同提供的，所以溶液中导电电流微观表达式为根据欧姆定律、电阻定律可以导出电阻率与钠离子、氯离子迁移率之间的关系，利用分子动理论求出离子体密度，代入数据可求解食盐溶液的电子率。解： 根据溶液中电流的微观表达式根据欧姆定律、电阻定律 得： 又由分子动理论，求得离子体密度n为电离率，M为摩尔质量，N为阿伏加德罗常数。 （3）气体中的电流通常情况下，气体不导电。只有在电离剂存在或极强大的电场情况下，气体才会被电离而导电。气体导电既有离子导电，又有电子导电。气体导电不遵从欧姆定律。由于引起气体电离的原因不同，可分为被激放电和自激放电。在电离剂（用紫外线、X射线或放射性元素发出的放射线照射或者用燃烧的火焰照射气体）的作用下，发生的气体放电现象叫做被激放电。没有电离剂作用而在高电压作用下发生的气体放电现象叫做自激放电。各种自激放电形式的区别如下表气体电离原因阴极发射电子原因辉光放电电子碰撞被正离子轰击弧光放电强电流通过时产生的高温被正离子轰击并保持很高的温度(主要是热电子发射)火花放电主要是电子碰撞还有火花本身的辐射被正离子轰击电晕放电很强电场的作用(场致电离和碰撞电离) 图2-7-1图2-7-2种种自激放电形式间的联系主要表现在它们之间可以转化。在放电电流很强时，辉光放电可以变成弧光放电。若电源的功率很大时，火花放电可以变成弧光放电。272、 半导体的导电性（1）半导体的导电性导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质被称为半导体，如硅、锗、氧化亚铜等。以硅为例，硅是四价元素，硅原子最外层四个价电子，在形成单晶硅时，每个原子都以四个价电子与相邻的四个原子联系。相邻的两个原子就有一对共有电子，形成共价键。如图2-7-1所示。共价键中电子是被束缚的。但是由于热运动，极少数电子可能获得足够大能量，挣脱成为自由电子，同时共价键中留下一个空位叫空穴，原子是中性的，失去电子后可以看作空穴带正电，如图2-7-2所示。这个空穴很容易被附近共价键中束缚电子填补，形成新的空穴，束缚电子的填补运动叫空穴运动，在纯净的半导体中，自由电子和空穴是成对出现，叫电子空穴对。半导体的导电是既有电子导电，又有空穴导电。但由于纯净的半导体中，电子空穴对数目较少，导电性差。但采取某些措施如加热或光照，可使更多电子挣脱束缚，形成更多电子一空穴对，导电能力大大增强，这种性质称为热敏特性和光敏特性。同样在纯净半导体中掺入其他元素，也能使半导体的导电性能加强。（2）N型半导体、P型半导体及P-N结在纯净的硅中掺入微量的五价元素如磷、砷等，一些硅原子空间位置被五价的原子代替图2-7-4图2-7-3图3-2-5如磷原子。磷在与周围硅原子形成共价键时多出一个电子，很容易成为一个自由电子，相应原子失去电子成为正离子。这类半导体由于磷的掺入自由电子数目显著增多，导致电子浓度比空穴浓度要大得多，因而它主要靠电子导电，叫做电子型半导体或N型半导体。在纯净的硅中掺入微量三价元素如铟、镓、硼等，同样在晶体中一些硅原子会被它们取代。由于形成共价键时缺少一个电子，附近共价键中电子很容易来填补，使得它们成为负离子，同时形成一个空穴。三价元素的掺入使空穴的数目增加，这类半导体中空穴浓度要比自由电子浓度大得多，导电主要是空穴导电，因而被称为空穴型半导体P型半导体。当采用特殊工艺使半导体一侧为P型半导体，另一侧成为N型半导体，由于N型半导体中电子浓度大，而P型半导体中空穴浓度大，结果发生扩散运动，N区由于跑掉电子留下正离子，P区跑掉空穴留下负离子，在它们的交界处附近形成一个电场，如图2-7-3所示，显然这个电场区是阻止它们扩散的，当该阻挡层达稳定时，扩散运动达到动态平衡，这个电场区阻挡层叫PN结。在PN结的N区和P区各引一电极就构成一晶体二极管。晶体二极管对应正、负极及符号如图2-7-4所示。晶体二极管加正向电压时（P接电源“+”极，N接电源“-”极），外电场与阻挡电场叠加，使PN结阻挡图2-7-6图2-7-7 图3-2-9 图3-2-9 图3-2-9 层变薄，这时P区空穴、N区电子又可顺利通过PN结，且外加电压大，这种作用对电子、空穴运动更有利。而电压反向时，会使阻挡层加厚，只有P区自由电子和N区空穴能通过PN结形成反向电流，但是它们的浓度太小，粗略地认为几乎没有反向电流。因而二极管表现为单向导电特性，其伏安特性曲线如图3-2-5所示。（3）晶体三极管晶体三极管由两个PN结、三个电极线和管壳构成，分PNP型和NPN型两类，如图2-7-6所示。它的三个电极e、b、c分别称为发射极、基极、集电极。三极管特性是放大作用，联接电路如图2-7-7所示。微小的基极电流变化能引起集电流较大变化。所以在输入端加一个较弱的信号，在输出端Rc 上得到一个放大的强信号。三极管电流分配关系 放大倍数 例3、如图2-7-8所示，电阻，电动势，两个相同的二极管串联在电路中，二极管D的特性曲线如图2-7-9所示，试求：图2-7-8图2-7-9（1）通过二极管D电流；（2）电阻消耗的功率。分析： 二极管属于非线性元件，它的电阻是随其不同工作点而不同。所以应当根据电路特点确定由电路欧姆的律找出其关系，在其特性曲线上作出相应图线，两根图线的交点即为其工作点。解： 设二极管D两端电压，流过二极管电流为，则有代入数据解得与的关系为在二极管特性曲线上再图2-7-10作出上等式图线，如图2-7-10所示。 图3-2-10由图可见，两根图线交点P就在此状态下二极管工作点。电阻上的电压为其功率为 （4）电子电量的确定按法拉第电解定律按当今电子论的观点：一个电子所带的电量为e，在电解池中通过电量Q时，阴极板将向溶液提供个电子，这些电子可以使个化合价为的正离子还原。由于每析出N个原子（N是阿伏伽德罗数），可以在极板上得到M克物质。因此电解池通过电量Q时所析出的物质质量为比较以上二式得 或 上式把法拉第恒量F、电子电量e、阿伏伽德罗数N三者联系起来，只要用实验精确测量出法拉第恒量F、阿伏伽德罗数N，就可以计算出电子的电量了。机械振动和机械波51简谐振动511、简谐振动的动力学特点如果一个物体受到的回复力与它偏离平衡位置的位移大小成正比，方向相反。即满足：的关系，那么这个物体的运动就定义为简谐振动根据牛顿第二是律，物体的高中物理竞赛力学教程第五讲机械振动和机械波加速度，因此作简谐振动的物体，其加速度也和它偏离平衡位置的位移大小成正比，方何相反。x图5-1-1现有一劲度系数为k的轻质弹簧，上端固定在P点，下端固定一个质量为m的物体，物体平衡时的位置记作O点。现把物体拉离O点后松手，使其上下振动，如图5-1-1所示。当物体运动到离O点距离为x处时，有 式中为物体处于平衡位置时，弹簧伸长的长度，且有，因此 说明物体所受回复力的大小与离开平衡位置的位移x成正比。因回复力指向平衡位置O，而位移x总是背离平衡位置，所以回复力的方向与离开平衡位置的位移方向相反，竖直方向的弹簧振子也是简谐振动。注意：物体离开平衡位置的位移，并不就是弹簧伸长的长度。512、简谐振动的方程图5-1-2由于简谐振动是变加速运动，讨论起来极不方便，为此。可引入一个连续的匀速圆周运动，因为它在任一直径上的分运动为简谐振动，以平衡位置O为圆心，以振幅A为半径作圆，这圆就称为参考圆，如图5-1-2，设有一质点在参考圆上以角速度作匀速圆周运动，它在开始时与O的连线跟轴夹角为,那么在时刻t，参考圆上的质点与O的连线跟的夹角就成为，它在轴上的投影点的坐标 （2）这就是简谐振动方程，式中是t=0时的相位，称为初相：是t时刻的相位。参考圆上的质点的线速度为，其方向与参考圆相切，这个线速度在轴上的投影是 ） （3）这也就是简谐振动的速度参考圆上的质点的加速度为，其方向指向圆心，它在轴上的投影是 ） （4）这也就是简谐振动的加速度 由公式（2）、（4）可得 由牛顿第二定律简谐振动的加速度为因此有 （5） 简谐振动的周期T也就是参考圆上质点的运动周期，所以 513、简谐振动的判据 物体的受力或运动，满足下列三条件之一者，其运动即为简谐运动： 物体运动中所受回复力应满足 ；物体的运动加速度满足 ；物体的运动方程可以表示为 。事实上，上述的三条并不是互相独立的。其中条件是基本的，由它可以导出另外两个条件和。5.2 弹簧振子和单摆简谐振动的教学中经常讨论的是弹簧振子和单摆，下面分别加以讨论。图5-2-1521、弹簧振子弹簧在弹性范围内胡克定律成立，弹簧的弹力为一个线性回复力，因此弹簧振子的运动是简谐振动，振动周期 。（1）恒力对弹簧振子的作用比较一个在光滑水平面上振动和另一个竖直悬挂振动的弹簧振子，如果m和k都相同（如图5-2-1），则它们的振动周期T是相同的，也就是说，一个振动方向上的恒力不会改变振动的周期。如果在电梯中竖直悬挂一个弹簧振子，弹簧原长，振子的质量为m=1.0kg，电梯静止时弹簧伸长=0.10m，从t=0时，开始电梯以g/2的加速度加速下降,然后又以g/2加速减速下降直至停止试画出弹簧的伸长随时间t变化的图线。由于弹簧振子是相对电梯做简谐运动，而电梯是一个有加速度的非惯性系，因此要考虑弹簧振子所受到的惯性力f。在匀速运动中，惯性力是一个恒力，不会改变振子的振动周期，振动周期因为，所以因此在电梯向下加速或减速运动的过程中，振动的次数都为当电梯向下加速运动时，振子受到向上的惯性力mg/2，在此力和重力mg的共同作用下，振子的平衡位置在 的地方，同样，当电梯向下减速运动时，振子的平衡位置在 图5-2-2的地方。在电梯向下加速运动期间，振子正好完成5次全振动，因此两个阶段内振子的振幅都是。弹簧的伸长随时间变化的规律如图5-2-2所示，读者可以思考一下，如果电梯第二阶段的匀减速运动不是从5T时刻而是从4.5T时刻开始的，那么图线将是怎样的？ （2）弹簧的组合 设有几个劲度系数分别为、的轻弹簧串联起来，组成一个新弹簧组，当这个新弹簧组在F力作用下伸长时，各弹簧的伸长为，那么总伸长 各弹簧受的拉力也是F，所以有 图5-2-3故 根据劲度系数的定义，弹簧组的劲度系数 即得 如果上述几个弹簧并联在一起构成一个新的弹簧组，那么各弹簧的伸长是相同的。要使各弹簧都伸长，需要的外力根据劲度系数的定义，弹簧组的劲度系数 导出了弹簧串、并联的等效劲度系数后，在解题中要灵活地应用，如图5-2-3所示的一个振动装置，两根弹簧到底是并联还是串联？这里我们必须抓住弹簧串并联的本质特征：串联的本质特征是每根弹簧受力相同；并联的本质特征是每根弹簧形变相同。由此可见图5-2-3中两根弹簧是串联。当m向下偏离平衡位置时，弹簧组伸长了2 ，增加的弹力为 m受到的合外力（弹簧和动滑轮质量都忽略） 所以m的振动周期 = 再看如图5-2-4所示的装置，当弹簧1由平衡状态伸长时，弹簧2由平衡位置伸长了，那么，由杆的平衡条件一定有（忽略杆的质量）ba图5-2-4 由于弹簧2的伸长，使弹簧1悬点下降 因此物体m总的由平衡位置下降了此时m所受的合外力所以系统的振动周期 （3）没有固定悬点的弹簧振子 质量分别为和的两木块A和B，用一根劲度系数为k的轻弹簧联接起来，放在光滑的水平桌面上（图5-2-5）。现在让两木块将弹簧压缩后由静止释放，求系统振动的周期。想象两端各用一个大小为F、方向相反的力将弹簧压缩，假设某时刻A、B各偏离了原来的平衡位置和，因为系统受的合力始终是零，所以应该有 A、B两物体受的力的大小 由、两式可解得图5-2-5 由此可见A、B两物体都做简谐运动，周期都是此问题也可用另一种观点来解释：因为两物体质心处的弹簧是不动的，所以可以将弹簧看成两段。如果弹簧总长为，左边一段原长为，劲度系数为；右边一段原长为，劲度系数为，这样处理所得结果与上述结果是相同的，有兴趣的同学可以讨论，如果将弹簧压缩之后，不是同时释放两个物体，而是先释放一个，再释放另一个，这样两个物体将做什么运动？系统的质心做什么运动？图5-2-6522、单摆一个质量为m的小球用一轻质细绳悬挂在天花板上的O点，小球摆动至与竖直方向夹角，其受力情况如图5-2-6所示。其中回复力，即合力的切向分力为 当5时，OAB可视为直角三角形，切向分力指向平衡位置A，且，所以 （式中）说明单摆在摆角小于5时可近似地看作是一个简谐振动，振动的周期为 图5-2-7在一些异型单摆中，和g的含意以及值会发生变化。（1）等效重力加速度单摆的等效重力加速度等于摆球相对静止在平衡位置时，指向圆心的弹力与摆球质量的比值。图5-2-8如在加速上升和加速下降的升降机中有一单摆，当摆球相对静止在平衡位置时，绳子中张力为，因此该单摆的等效重力加速度为=。周期为再如图5-2-7所示，在倾角为的光滑斜面上有一单摆，当摆球相对静止在平衡位置时，绳中张力为，因此单摆的等效重力加速度为=，周期为图5-2-9又如一节车厢中悬挂一个摆长为的单摆，车厢以加速度在水平地面上运动（如图5-2-8）。由于小球m相对车厢受到一个惯性力，所以它可以“平衡”在OA位置，此单摆可以在车厢中以OA为中心做简谐振动。当小球相对静止在平衡位置A处时，绳中张力为，等效重力加速度，单摆的周期图5-2-10 （2）等效摆长单摆的等效摆长并不一定是摆球到悬点的距离，而是指摆球的圆弧轨迹的半径。如图5-2-9中的双线摆，其等效摆长不是，而是，周期 再如图5-2-10所示，摆球m固定在边长为L、质量可忽略的等边三角形支架ABC的顶角C上，三角支架可围绕固定的AB边自由转动，AB边与竖直方向成角。当m作小角度摆动时，实际上是围绕AB的中点D运动，故等效摆长 正因为m绕D点摆动，当它静止在平衡位置时，指向D点的弹力为，等效重力加速度为，因此此异型摆的周期（3）悬点不固定的单摆如图5-2-11，一质量为M的车厢放在水平光滑地面上，车厢中悬有一个摆长为，摆球的质量为m的单摆。显然，当摆球来回摆动时，车厢也将作往复运动，悬点不固定。图5-2-11由摆球相对于车厢的运动是我们熟悉的单摆，故取车厢为非惯性系，摆球受到重力mg，摆线拉力N和惯性力的作用，如图分析摆球N= （忽略摆球向心力）回复力 分析车厢： 因为很小，所以可认为，则由、式可得把它代入摆球偏离平衡位置的位移 所以 因此摆球作简谐振动，周期 由周期表达式可知：当Mm时，因为此时M基本不动，一般情况下，5.3 振动能量与共振 5. 31、简谐振动中的能量以水平弹簧振子为例，弹簧振子的能量由振子的动能和弹簧的弹性势能构成，在振动过程中，振子的瞬时动能为：振子的瞬时弹性势能为：振子的总能量为：图5-3-1简谐振动中，回复力与离开平衡位置的位移x的比值k以及振幅A都是恒量，即是恒量，因此振动过程中，系统的机械能守恒。如以竖直弹簧振子为例，则弹簧振子的能量由振子的动能、重力势能和弹簧的弹性势能构成，尽管振动过程中，系统的机械能守恒，但能量的研究仍比较复杂。由于此时回复力是由弹簧的弹力和重力共同提供的，而且是线性力（如图5-3-1），因此，回复力做的功（图中阴影部分的面积）也就是系统瞬时弹性势能和重力势能之和，所以类比水平弹簧振子瞬时弹性势能表达式，式中x应指振子离开平衡位置的位移，则就是弹性势能和重力势能之和，不必分开研究。简谐振动的能量还为我们提供了求振子频率的另一种方法，这种方法不涉及振子所受的力，在力不易求得时较为方便，将势能写成位移的函数，即，。图5-3-2另有 也可用总能量和振幅表示为532、阻尼振动简谐振动过程的机械能是守恒的，这类振动一旦开始，就永不停止，是一种理想状态。实际上由于摩擦等阻力不可完全避免，在没有外来动力的条件下，振动总会逐渐减弱以致最后停息。这种振幅逐渐减小的振动，称为阻尼振动。阻尼振动不是谐振动。振动模型与运动规律如图5-3-2所示，为考虑阻尼影响的振动模型，c为阻尼器，粘性阻尼时，阻力R=-cv，设m运动在任一x位置，由有分为 （17）式中 图5-3-31cmx图5-3-4这里参考图方法不再适用，当 C 较小时，用微分方程可求出振体的运动规律，如图4-22所示。阻尼对振动的影响由图5-3-3可见，阻尼使振幅逐渐衰减，直至为零。同时也伴随着振动系统的机械能逐渐衰减为零。此外，愈大，即阻尼愈大，振幅衰减愈快。而增大质量m可使n减小。所以，为了减小阻尼，单摆的重球及弹簧振子往往选用重球。常量阻力下的振动例1、如图5-3-4所示，倔强系数为250g/cm的弹簧一端固定，另端连结一质量为30g的物块，置于水平面上，摩擦系数，现将弹簧拉长1cm后静止释放。试求：（1）物块获得的最大速度；（2）物块经过弹簧原长位置几次后才停止运动。解：振体在运动中所受摩擦阻力是与速度方向相反的常量力，并不断耗散系统的机械能，故不能像重力作用下那样，化为谐振动处理。（1）设首次回程中，物块运动至弹簧拉力等于摩擦力的x位置时，达最大速度。由 ，再由能量守恒： 代入已知数据得（2）设物体第一次回程中，弹簧的最大压缩量为，则 再设物体第一次返回中，弹簧的最大拉伸量为，则可见振体每经过一次弹簧原长位置，振幅减小是相同的，且均为而 故物体经过16次弹簧原长位置后，停止在该处右方。533