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第十一章 恒定电流
第一单元 基本概念和定律
知识目标
一、电流、电阻和电阻定律
1．电流：电荷的定向移动形成电流．
（1）形成电流的条件：内因是有自由移动的电荷，外因是导体两端有电势差． （2）电流强度：通过导体横截面的电量Q与通过这些电量所用的时间t的比值。
①I=Q/t；假设导体单位体积内有n个电子，电子定向移动的速率为V，则I=neSv；假若导体单位长度有N个电子，则I＝Nev．
②表示电流的强弱，是标量．但有方向，规定正电荷定向移动的方向为电流的方向． ③单位是：安、毫安、微安1A=103mA=106μA 2．电阻、电阻定律
（1）电阻:加在导体两端的电压与通过导体的电流强度的比值.
R=U/I,导体的电阻是由导体本身的性质决定的,与U.I无关.
(2)电阻定律:导体的电阻R与它的长度L成正比,与它的横截面积S成反比. R＝ρL/S (3)电阻率:电阻率ρ是反映材料导电性能的物理量，由材料决定,但受温度的影响． ①电阻率在数值上等于这种材料制成的长为1m,横截面积为1m的柱形导体的电阻. ②单位是:Ω·m. 3．半导体与超导体
(1)半导体的导电特性介于导体与绝缘体之间,电阻率约为10Ω·m ～10Ω·m (2)半导体的应用:
①热敏电阻:能够将温度的变化转成电信号,测量这种电信号,就可以知道温度的变化. ②光敏电阻:光敏电阻在需要对光照有灵敏反应的自动控制设备中起到自动开关的作用. ③晶体二极管、晶体三极管、电容等电子元件可连成集成电路. ④半导体可制成半导体激光器、半导体太阳能电池等. （3）超导体
①超导现象：某些物质在温度降到绝对零度附近时,电阻率突然降到几乎为零的现象. ②转变温度(TC):材料由正常状态转变为超导状态的温度 ③应用:超导电磁铁、超导电机等 二、部分电路欧姆定律
1、导体中的电流I跟导体两端的电压成正比，跟它的电阻R成反比。 I=U/R 2、适用于金属导电体、电解液导体，不适用于空气导体和某些半导体器件．
3、导体的伏安特性曲线:研究部分电路欧姆定律时,常画成I～U或U～I图象,对于线性元件伏
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安特性曲线是直线,对于非线性元件,伏安特性曲线是非线性的.
注意：①我们处理问题时，一般认为电阻为定值，不可由R=U/I认为电阻R随电压大而大，随电流大而小．
②I、U、R必须是对应关系．即I是过电阻的电流，U是电阻两端的电压．
【例1】来自质子源的质子（初速度为零），经一加速电压为800kV的直线加速器加速，形成电流强度为1mA的细柱形质子流。已知质子电荷e=1.60×10-19C。这束质子流每秒打到靶上的质子数为_________。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L和4L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n1和n2，则n1∶n2=_______。 解：按定义，I?R2﹥R1 R2＜R1 nenI,???6.25?1015. tte质子源 L v1 v2 4L 由于各处电流相同，设这段长度为l，其中的质子数为n个， 则由I?nelnev1和t?得I?,?n?。而tvlvv2?2as,?v?s,?n1?n2s22? s11点评：解决该题的关键是：（1）正确把握电流强度的概念 I＝Q/t而 Q＝ne。所以n=Q/e=It/e,（2）质子源运动路程上的线密度与其瞬时速度成反比，因为I＝neSv，所以当电流I一定时，n与v成反比．
【例2】用某种金属制成粗细均匀的导线，通以一定大小的恒定电流，过一段时间后，导线升高的温度（ ）
A．跟导线的长度成正比 B．跟导线的长度成反比 C．跟导线的横截面积成正比 D．跟导线的横截面积成反比
解析：金属导线的电阻为R＝ρL／S，通电后产生的电热为Q＝IRt＝Iρt／S．设金属导体升高的温度为ΔT，由热学知识可知导体需要的热量为 Q＝cmΔT＝ cρ密 LSΔT．电流产生的全部热量均被导线所吸收，即：Iρt／S＝cρ密 LSΔT，ΔT＝Iρt／cρ密LS，上式说明了 D选项正确．
三、电功、电功率
1．电功:电荷在电场中移动时,电场力做的功W＝UIt， 电流做功的过程是电能转化为其它形式的能的过程.
2．电功率:电流做功的快慢,即电流通过一段电路电能转化成其它形式能对电流做功的总功率,P=UI
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3．焦耳定律:电流通过一段只有电阻元件的电路时，在 t时间内的热量Q=I2Rt． 纯电阻电路中W＝UIt=U2t/R=I2Rt，P=UI=U2/R=I2R 非纯电阻电路W＝UIt，P=UI 4．电功率与热功率之间的关系
纯电阻电路中，电功率等于热功率，非纯电阻电路中，电功率只有一部分转化成热功率． 纯电阻电路：电路中只有电阻元件，如电熨斗、电炉子等．
非纯电阻电路：电机、电风扇、电解槽等，其特点是电能只有一部分转化成内能．
【例3】一只标有“220 V，60 W”字样的灯泡，在额定电压下工作时，灯丝中通过的电流多大？如果线路电压下降到200V时，它的功率多大？（假设灯丝电阻不随温度而变化） 解析：灯泡上标有“220 V，60 W”的字样，表明灯泡的额定电压（即正常一作的电压）为 220 V，只有在这个电压下，它的功率才是额定功率60w．如果实际的电压不是220V，那么它的功率就不再是60 W．由题意可认为它相当于一个阻值不变的电阻．
灯泡的工作电流I=P/U=60/220=0。27（A） 灯泡的电阻R=U/P=220/60=807（Ω） 灯泡的实际功率 P=U/R=200/807= 50（W）
点评：由公式P=U2/R可知，当用电器电阻R不变时，P∝U2，可用P1/P2=U12/U22来计算，这样就不必算出灯丝的电阻．用电器实际功率的大小，是由加在用电器两端的实际电压的大小决定的．
【例4】直流电动机线圈的电阻为R，当电动机工作时通过线圈的电流是I，此时它两端的电压为U，则电动机的输出功率为（ ） A．UI；B．IU＋I2R C．IU一I2R； D．U2／R
解析：该题不少学生选了D，其原因是同电源输出功率混淆，认为输出功率就是端电压与电流乘积，而这里不是电源输出而是电机输出． 答案：C
点评：（l）处理该类题目首先应当注意这是非纯电阻电路．
（2）这里的输入功率UI=转化成机械能的功率十转化成内能的功率．
【例5】某脉冲激光器的耗电功率为2×l03W，每秒钟输出10个光脉冲，每个脉冲持续的时间 108s，携带的能量为 0．2J。则每个脉冲的功率为 W。该激光器将电能转化为激
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光能量的效率为
解析:P＝W/t=2×10W。每秒 钟转化为光脉的能量是 E＝ 0．2J× 10=2 J，该激光器将电能转化为激光能量的效率η=E/E总=0．001
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规律方法
1．电功、电功率的计算 (1)用电器正常工作的条件：
①用电器两端的实际电压等于其额定电压.
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②用电器中的实际电流等于其额定电流． ③用电器的实际电功率等于其额定功率．
由于以上三个条件中的任何一个得到满足时，其余两个条件必定满足，因此它们是用电器正常工作的等效条件．灵活选用等效条件，往往能够简化解题过程． (2)用电器接入电路时：
①纯电阻用电器接入电路中，若无特别说明，应认为其电阻不变． ②用电器实际功率超过其额定功率时,认为它将被烧毁.
【例6】微型吸尘器的直流电动机内阻一定，当加上0．3V的电压时，通过的电流为0．3A，此时电动机不转，当加在电动机两端的电压为2．0V时，电流为0．8A，这时电动机正常工作，则吸尘器的效率为多少？
解析：当加0.3V电压时，电动机不转，说明电动机无机械能输出，它消耗的电能全部转化为内能，此时电动机也可视为纯电阻，则r=U1/I1=1Ω，当加2．0V电压，电流为0．8A时，电动机正常工作，有机械能输出，此时的电动机为非纯电阻用电器，消耗的电能等于转化机械能和内能之和。转化的热功率由P=I2r=0．8×1= 0．64 W计算，总功率由 P0= I2U2=0．8×2．0＝1．6W计算。所以电动机的效率为η=（P－P0）/P=60％。 2．部分电路欧姆定律的应用
【例7】如图所示是一种测定风作用力的仪器原理图，P为金属球，悬挂在一细长金属丝下面,O是悬点，R0是保护电阻，CD是水平放置的光滑电阻丝，与细金属丝始终保护良好接触．无风时，金属丝与电阻丝在C点接触，此时?示数为I0；有风时金属丝将偏转一角度θ，角θ与风力大小有关，设风力方向水平向左，OC=h,CD=L,金属球质量为m，电阻丝单位长度的阻值为k，电源内阻和金属丝电阻不计，金属丝偏角为θ时，?的示数为I/，此时风力为F,试写出： （1）F与θ的关系式． （2)F与I/的关系式．
解析:(1)有风力时；对金属球P,受力如图,F=F1sinθ;mg=F1cosθ;F=mgtanθ (2)无风时,电路中U=I0(R0＋kL)
有风力时,电路中U=I(R0＋kL), L=L－htanθ
mg由以上各式解得F?/?I/?I0?
Ikh思考：本题你是怎样将实际问题抽象成简单的物理模型的？
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F F1 θ mg 【例8】图为一种加速度仪的示意图,质量为m的振子两端连有劲度系数均为K的轻弹簧,电源电动势为E，不计内阻，滑动变阻器的总阻值为R，有效长度为L，系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中，这时电压表指针恰好在刻度盘正中。求： (1)系统的加速度a(以向右为正）和电压表读数U的函数关系式。
(2)将电压表刻度改为加速度刻度后，其刻度是均匀的还是不均匀的？为什么？ (3)若电压表指针指在满刻度的3/4位置，此时系统的加速度大小和方向如何？
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解析:设加速度a向右，m向左平移了x，对m用牛顿第二定律有2Kx＝ma；根据部分电路欧姆
U定律和电阻定律,电压表示数与左段电阻成正比，因此也和x成正比，所以?EL?x2，两式L解得a?kL?2kLU．
mEm可见，a与U为一次函数关系，所以将电压表刻度改为加速度刻度后，其刻度是均匀的。 因为系统静止时滑动触头位于滑动变阻器正中，电压表指针恰好在刻度盘正中，U=E/2，所以
kL电压表指针指在满刻度的3/4位置时，U=3E/4，带入a与U的一次函数关系式，得a??，
2m负号表示加速度方向向左。
试题展示
1．关于电阻率，下列说法中不正确的是 ．．．
A．电阻率是表征材料导电性能好坏的物理量，电阻率越大，其导电性能越好? B．各种材料的电阻率都与温度有关，金属的电阻率随温度升高而增大?
C．所谓超导体，当其温度降低到接近绝对零度的某个临界温度时，它的电阻率突然变为零?
D．某些合金的电阻率几乎不受温度变化的影响，通常用它们制作标准电阻? 【解析】 电阻率表示导体的导电性能的好坏，电阻率越小，导体的导电性能越好．? 【答案】 A?
2、2007年度诺贝尔物理学奖授予了法国和德国的两位科学家，以表彰他们发现“巨磁电阻效应”．基于巨磁电阻效应开发的用于读取硬盘数据的技术,被认为是纳米技术的第一次真正应用．在下列有关其它电阻应用的说法中。错误的是
A.热敏电阻可应用于温度测控装置中 B.光敏电阻是一种光电传感器 C.电阻丝可应用于电热设备中
D.电阻在电路中主要起到通过直流、阻碍交流的作用。 答案：D
解析：考查基本物理常识。热敏电阻的原理是通过已知某电阻的电阻值与温度的函数关系，测得该热敏电阻的值即可获取温度，从而应用于温度测控装置中，A说法正确；光敏电阻是将光信号与电信号进行转换的传感器，B说法正确；电阻丝通过电流会产生热效应，可应用于电热设备中，C说法正确；电阻对直流和交流均起到阻碍的作用，D说法错误。
3、当光照射到光敏电阻上时，光敏电阻的阻值 （填“变大”、“不变”或“变小”）．半导体热敏电阻是利用半导体材料的电阻率随 变化而改变的特性制成的．
答案：变小；温度
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