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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105m/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3108m/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)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: 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)。 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)。 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IU曲线和UI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IU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IU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): 金属丝的电阻R:由伏安法测出; 金属丝的横截面积S:用螺旋测微器测得直径D后可求出; 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: 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。 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。 电流不宜过大(电流表用00.6A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。所以需要测定的物理量为:电压(U)、电流()、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34,在下列器材中应选用的是(写代号)。A. 电压表(015V)B. 电压表(03V)C. 电流表(00.6A)D. 电流表(03A) E. 滑动变阻器(050,2A)F. 滑动变阻器(0500,lA)G. 电源(=3V,=0.2)H. 电源(=10V,r=l)I. 开关 J. 导线(若干)解:略答案:B、C、E、G、I、J5. 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52. 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=3,R2=2,R3=5,电容器的电容C1=4F,C2=1F,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=1.6105CQ2=C2UAB=1105C图73. 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=2k,R2=3k,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9A. R1两端实际电压是2VB. 电压表内阻为6kC. R2两端实际电压是3.6VD. 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=6V2k/(2k+3k)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=6k。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: U23:1D. 两导体的电压相等时电流之比Il:I23:14. 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61015Hz的频率绕核旋转已知电子的电量为1.61019C,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=2.0106F的平行板电容器接在电压U10V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=103s,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0.66mm2. 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dB. 用米尺量出整个金属线的长度三次取其平均值为lC. 选用电流表内接线路来测电阻,多次测量取平均值为RD. 将测得的d、l、R代入公式算出电阻率3. 如图在测量金
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