高中物理人教版必修三第12章第2节 闭合电路的欧姆定律

高中物理人教版必修三第12章第2节 闭合电路的欧姆定律 电动势 闭合电路欧姆定律及其能量关系 路端电压与负载的关系 欧姆表的原理 电源的U-I图像。

• 人教版必修三第12章第2节 闭合电路的欧姆定律
• 一、电动势
  • 闭合电路：由导线、电源和用电器连成的电路叫作闭合电路。用电器和导线组成外电路，电源内部是内电路。
    • 闭合电路中，正电荷的移动情况分析
      • 在外电路中，正电荷由电源正级流向负极。
      • 在内电路中，正电荷从电源负极被搬运至正极。
      • 电源之所以能维持外电路中稳定的电流，是因为它有能力把负极的正电荷经过电源内部不断地搬运至正极。
    • 闭合电路中，能量转化情况分析
      • 在外电路中，静电力做功，电荷的电势能转化为其他形式的能。
      • 在内电路中，除静电力之外，还存在非静电力。非静电力做功，把其他形式的能转化为电势能。
  • 电源：电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置
    • 电荷在电源内部受力情况分析：在电源内部，存在着由正极指向负极的电场。在这个电场中，静电力阻碍正电荷向正极移动。因此，在电源内部要使正电荷向正极移动，就一定要有一种与静电力方向相反的力作用于电荷才行，这种力就叫非静电力。
    • 非静电力
      • 非静电力方向：与电源内部静电力的方向相反。
      • 非静电力作用：把正电荷从电源负极搬运到正极。
      • 非静电力做功：把其他形式的能转化为电荷的电势能，使电荷的电势能增加。
      • 非静电力来源：在化学电池中，非静电力是化学作用；在发电机中，非静电力是电磁作用，等等。
  • 电动势
    • 定义：非静电力所做的功与所移动的电荷量之比叫作电动势，用 E 表示，单位：V
    • 定义式：
      • 其中：E表示电动势，W表示移动电荷量 q 时非静电力所做的功
    • 物理意义：电动势在数值上等于非静电力把 1C 的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。
    • 电动势由电源中非静电力的特性决定，跟外电路无关。
      • 对于常用的干电池来说，电动势跟电池的体积无关。
• 二、闭合电路欧姆定律及其能量分析
  • 闭合电路电阻分布情况
    • 外电路的电阻称为外电阻
    • 通常在电源内部也存在电阻，内电路中的电阻叫内电阻。
      • 电源可以看作一个没有电阻的理想电源与电阻的串联。
  • 闭合电路内、外电路都会出现电势降低
    • 在外电路中，沿电流方向电阻两端的电势降低，用U外表示外电路总的电势降落
    • 在内电路中，内阻的电势也会沿电流方向降低，用U内表示内电路的电势降落
  • 闭合电路中能量转化情况
    • 时间 t 内电源输出的电能
      • 电源中，非静电力做功将其他能转化为电能，转化的数值与非静电力做的功W相等。
    • 时间 t 内电路转化的内能
      • 外电路转化的内能为
      • 内电路转化的内能为
    • 根据能量守恒，非静电力做的功等于内、外电路中电能转化为其他形式能的总和
  • 闭合电路欧姆定律
    • 内容：闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。
    • 闭合电路欧姆定律的另类表达：电源的电动势等于内、外电路电势降落之和。
      • 其中：
• 三、路端电压与负载的关系
  • 外电路中的用电器叫作负载，外电路的电势降落叫作路端电压。
    • 对于确定的电源来说，电动势E 和内阻 r 可以看作不变。
    • 负载变化时，电路中的电流就会变化，路端电压也随之变化。
    • 路端电压U，
  • 当外电阻R减小时，电路中电流 I 增大，内电路的电势降落 Ir 增大，这时路端电压U减小。
    • 断路：当外电路断开时，电流 I 为0，Ir 也为0，则U=E，即断路时路端电压等于电源电动势。
      • 根据这个道理可以测量电源的电动势。
    • 电源短路：当电源两端短路时，外电阻R=0，此时短路电流可能很大。
      • • 电源的内阻 r 一般很小，所以短路电流很大。电流过大，会导致温度过高，烧坏电源，甚至引起火灾。
          • 绝对不允许将电源两端用导线直接连接在一起。
  • 电源的U- I 图像
    • 路端电压U与电流 I 之间的函数关系
      • • 由此可知，电源的U- I 图像是一条直线
    • 分析图像，当外电路断开时，路端电压等于电源电动势，即电动势的数值等于图像上直线与U坐标轴的交点值；当电源两端短路时，电流会很大，但也不是无穷大，即短路电流的数值等于图像上直线与 I 坐标轴的交点值。
• 四、拓展学习 欧姆表的原理
  • 欧姆表是在电流表的基础上改装而的的，为了使测量电阻时电流表指针能够偏转，表内有电源。
    • 电源电动势为E ，内阻为 r ，电流表的电阻为Rg，可变电阻为R1，电流表满偏电流为 Ig ，欧姆表的总电阻为R欧。
    • 当红、黑表笔直接接触时（相当于被测电阻为0），电流表指针指在最大值 Ig 处
      • • 若已知E和 Ig ，就可求得R欧
    • 当红、黑表笔之间接有待测电阻Rx时，电流表指针指在 Ix 处
      • • • 由此可知，电阻与电流存在一一对应的关系。
  • 只要将原来的电流刻度转换成对应的电阻刻度，指针就能够指示出被测电阻值，但Rx与 Ix 之间不是线性关系，所以刻度盘上电阻值的刻度不均匀。