串并联组合电路的应用（电流、电阻、电功、电功率和焦耳定律）

第十二章电路及其应用A串并联组合电路的应用·1·第十二章A串并联组合电路的应用（电流、电阻、电功、电功率和焦耳定律）进才中学张烨【教学目标】⑴复习电流、电压、电阻、欧姆定律等初中已学过的内容；能够应用串、并联电路的规律和特点解决简单的混联问题。⑵知道超导现象，了解导体电阻的大小与那些因素有关。⑶理解电功、电功率的概念，公式的物理意义。⑷知道非纯电阻电路中电能与其他形式能转化关系，电功大于电热。⑸能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题。【课时】2课时【重点难点】串并联组合电路复习部分：重点：串、并联电路的规律和特点。难点：应用电路的知识进行电路分析和计算。电功、电功率和焦耳定律部分：重点：区别并掌握电功和电热的计算。难点：学生对电路中的能量转化关系缺乏感性认识，接受起来比较困难。【教学过程】情景引入：伏打与电池的发明1780年，著名医生伽伐尼在一个偶然的情况下发现，当起电盘放电时，如果用金属解剖刀触动靠近起电盘的蛙腿肌肉，蛙腿便会发生痉挛。1792年伽伐尼已经能用两种不同的金属与蛙腿接触而引起肌肉痉挛。这就是第一个伽伐尼电池。但是伽伐尼对此并不理解，他认为青蛙体内产生了“动物电”。伏打对此很感兴趣，经过一番研究，他发现蛙腿只是起了显示电流通过的作用，所谓特殊的“动物电”是不存在的。伏打把不同的金属板浸入一种电解液里，组成了第一个直流电源——伏打电池。他用几个容器盛了盐水，把插在盐水里的铜板、锌板连接起来，电流就产生了。1800年3月20日伏打向伦敦英国皇家学会宣布了这个发现。后人为了纪念他的功绩，将电势差的单位取名为伏特。经过了200多年，科学家和工程师发明了各式各样的电气元件和设备。现代生活已经与电密不可分了，今天就让我们来对电流有进一步的认识。复习初中学过的关于电路的知识。『课本P30自主活动』『大家谈』电路一般由哪几个部分组成？电灯为什么会发光？电流是怎样形成的？一、电流的形成带电粒子在外加电场作用下定向移动，就形成了电流。在金属导体内移动的自由电荷是电子，在电解质中移动的既有负离子也有正离子。形成电流的条件：①要有自由移动的电荷，即要有导体。导体中的自由电荷发生定向移动时形成电流。第十二章电路及其应用A串并联组合电路的应用·2·②导体两端存在电压。电源的作用就是保持导体两端的电压。电流方向：正电荷的移动方向。（电流方向和金属中的自由电子移动方向是相反的）电流方向总是从高电势流向低电势。电流强度（大小）：通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用时间的比值，叫做电流强度，简称电流。定义式：tqI（1s内通过导体横截面的电荷量为1C，（6.25×1018个电子））单位：安（培）A。1A=1C/S。常用单位：毫安(mA)、微安(μA)。单位换算：1A=103mA=106μA阅读课本『S.T.S.《电流对人体的影响》』二、串联电路和并联电路1．串联电路：电流处处相等，总电压是各部分电压之和。即I1＝I2＝I3U总＝U1＋U2＋U32．并联电路：总电流是各分电路电流之和，各分路两端电压相等。即I总＝I1＋I2＋I3U1＝U2＝U33．欧姆定律导体中的电流强度跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比。公式为：RUI三、串并联组合电路把用电器用串联和并联的方式组合起来，叫做串并联组合电路。『课堂练习：串并联电路课堂练习.ppt』四、电阻定律大量实验结果表明：在温度不变时．．．．．，导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的横截面积成反比。这就是电阻定律。电阻定律的公式是SlR式中ρ是比例常数，它的数值是由导体的材料性质所决定的，叫做电阻率。电阻率ρ的单位是欧·米，符号是Ω·m。电阻率跟温度有关。实验指出，绝大多数金属的电阻率随着温度升高而增大。下表是几种金属导体在20℃时的电阻率。R1R2R3R1R2R3第十二章电路及其应用A串并联组合电路的应用·3·五、超导现象1911年科学家发现，当温度降到接近绝对零度时某些金属材料的电阻会突然减小到零，这种现象叫做超导现象．．．．，处于这种状态的物体叫做超导体．．．。把电阻突然变为零的温度叫做超导体的临界温度．．．．，也叫超导体的转变温度．．．．。各种不同超导体的临界温度是不同的，但都很低。目前，世界各国科学家都在寻找临界温度更高的超导体。自1986年以来，对氧化物高温超导体的研究，有了突破性的进展，目前各国实验室公布的铋、锶、钙、铜、氧超导体的比较稳定的临界温度已达125K。制备临界温度很高的超导体会给超导体的广泛应用带来诱人的前景，如把超导体用于远距离输电，可以大大减少电能损耗和节省材料。因为电能在输送过程中，除了发电机线圈发热损耗一部分电能外，还有相当部分的电能损耗在输电线路上，如果采用超导材料制成发电机线圈和输电导线，发热现象将大大减少，每年可节省上万亿千瓦时的电能。利用超导现象可以制成磁悬浮列车，目前火车的最高速度不超过300千米/时，要再进一步提高火车运行的速度，就必须减小轮子和铁轨间的摩擦力，最好是让火车离开铁轨悬浮起来行驶，以进一步减小阻力，磁悬浮列车就解决了这个问题。1995年5月，我国制成的超导磁悬浮列车已进入试验阶段，速度可达500千米/时以上。有关超导的理论及其应用，正在深入研究中。六、电功1、定义：电路中电场力对定向移动的电荷所做的功，简称电功，通常也说成是电流的功。2、实质：能量的转化与守恒定律在电路中的体现。电能通过电流做功转化为其他形式的能。对于一段导体而言，两端电势差为U，把电荷q从一端搬至另一端，电场力的功W=qU，在导体中形成电流，且q=It，（在时间间隔t内搬运的电量为q，则通过导体截面电量为q，I=q/t），所以W=qU=ItU。这就是电路中电场力做功即电功的表达式。3、表达式：W=IUt说明：①表达式的物理意义：电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压、电路中电流强度和通电时间成正比。②适用条件：I、U不随时间变化——恒定电流。4、单位：电流单位用安培（A），电压单位用伏（V），时间单位用秒（s），则电功的单位是焦耳（J）。七、电功率1、表达式：IUtWP物理意义：一段电路上功率，跟这段电路两端电压和电路中电流强度成正比。2、单位：功的单位用焦耳（J），时间单位用秒（s），功率单位为瓦特（W）。1W=1J/s这里应强调说明：推导过程中没用到任何特殊电路或用电器的性质，电功和电功率的表达式对任何电压、电流不随时间变化的电路都适用。再者，这里W=IUt是电场力做功，是消耗的总电能，也是电能所转化的其他形式能量的总和。电流在通过导体时，导体要发热，电能转化为内能。这就是电流的热效应，描述它的定量规律是焦耳定律。第十二章电路及其应用A串并联组合电路的应用·4·学生一般认为，W=IUt，又由欧姆定律，U=IR，所以得出W=I2Rt，电流做这么多功，放出热量Q=W=I2Rt。这里有一个错误，可让学生思考并找出来。错在Q=W，何以见得电流做功全部转化为内能增量？有无可能同时转化为其他形式能？英国物理学家焦耳，经过长期实验研究后提出焦耳定律。八、焦耳定律——电流热效应1、内容：电流通过导体产生的热量，跟电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比。2、表达式：Q=I2Rt对于导体而言，根据欧姆定律，U=IR，所以Q=I2Rt=I·IRt=IUt=W，电流做功完全用来生热，电能转化为内能。说明：焦耳定律表明，纯电阻电路中电流做功完全转化为内能，同时，有电阻的电路中电流做功会引起内能的增加，且电热Q=I2Rt。简单介绍产生焦耳热的原因：金属中自由电子在电场力作用下定向移动，由于电场做功，电子动能增加，但不断地与晶格（原子核点阵）碰撞，不断把能量传给晶格，使晶格中各粒子在平衡位置附近的热运动加剧，从而温度升高。九、纯电阻电路中的电功和电功率1、电功Q=W=I2Rt，对所有电路中电阻的生热都适用。结合纯电阻电路欧姆定律RUIIRU，tRURtIIUtQ222、电功率RItQP2，对所有电路中电阻的电功率都适用。结合纯电阻电路欧姆定律U=IRRURIUIP22十、非纯电阻电路中的电功和电功率（以含电动机电路为例）非纯电阻电路中，电能与其他形式能转化的关系非常关键。以电动机为例，电动机电路如图所示，电动机两端电压为U，通过电动机电流为I，电动机线圈电阻为R，则电流做功或电动机消耗的总电能为W=IUt，电动机线圈电阻生热Q=I2R0t，电动机还对外做功，把电能转化为机械能，W′=W－Q=IUt－I2R0t，W′是电动机输出的机械能。这是一个非纯电阻电路，由于W′＞0，则有U＞IR0。第十二章电路及其应用A串并联组合电路的应用·5·考虑每秒钟内能量转化关系，即功率，只要令上述各式中t=1s即可，可得总功率P总=IU，电热功率P热=I2R0，输出功率P出，三者关系是P总=P热＋P出，即P出=IU－I2R。十一、额定功率和实际功率为了使用电器安全、正常地工作，对用电器工作电压和功率都有规定数值。（1）额定功率：用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下消耗的功率称额定功率。一般说来，用电器电压不能超过额定电压，但电压低于额定电压时，用电器功率不是额定功率，而是实际功率。（2）实际功率P=IU，U、I分别为用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。第十二章电路及其应用A串并联组合电路的应用·6·【附录一】伏打与电池的发明伏打（AlessandroVolta，1745～1827）是著名的意大利物理学家。他于1745年2月出生在科摩，1774年担任科摩大学预科物理教授，同年他发明了起电盘。1779年又去帕维亚大学担任了物理教授职务。1791年被选为伦敦皇家学会会员。1780年，著名医生伽伐尼在一个偶然的情况下发现，当起电盘放电时，如果用金属解剖刀触动靠近起电盘的蛙腿肌肉，蛙腿便会发生痉挛（事实上这是电振荡的第一个迹象，蛙腿的作用就像检波器一样）。经过进一步的研究，1792年伽伐尼已经能用两种不同的金属与蛙腿接触而引起肌肉痉挛。这就是第一个伽伐尼电池。但是伽伐尼对此并不理解，他认为青蛙体内产生了“动物电”。伏打对此很感兴趣，经过一番研究，他发现蛙腿只是起了显示电流通过的作用，所谓特殊的“动物电”是不存在的。伏打指出，伽伐尼实验中连接起来的是两种不同的金属（他称为第一类导体或干导体）和含液体的青蛙肌肉（他称为第二类导体或湿导体）。伏打把不同的金属板浸入一种电解液里，组成了第一个直流电源——伏打电池。他用几个容器盛了盐水，把插在盐水里的铜板、锌板连接起来，电流就产生了。1800年3月20日伏打向伦敦英国皇家学会宣布了这个发现。伏打于1827年3月5日逝世，后人为了纪念他的功绩，将电势差的单位取名为伏特。【附录二】奇妙的超导现象一、超导现象1911年的一天，荷兰莱顿大学的物理实验室里，昂尼斯教授正在专心致志地研究水银的低温性能。他先将水银冷却到—40℃，液体水银便凝固成一条水银线；然后，再在水银线中通以电流，并一步一步地降低水银的温度，当温度降低到—269.03℃，也就是绝对温度4.12K时，奇迹出现了：水银的电阻突然消失了。这意味着，电流在零电阻的导线中可以畅通无阻，不再消耗能量，如果电路是闭合的，电流就可以永无休止地流动下去。有人做过这样的实验：将一个铅环冷却到绝对温度7.25K以下，用磁铁在铅环中感应生成几百安培的电流。从1954年3月16日开始，在和外界隔绝的情况下，一直到1956年9月5日，铅环中的电流数值没有变化，仍在不停地循环流动。人们把这种零电阻现象称为超导现象。凡具有超导性的物质称为超导体或超导材料。无论哪一种超导体，只有当温度降到一定数值时，才会发生超导现象。这个从正常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温度。由于昂尼斯在超导方面的卓越贡献，他获得了1913年的诺贝尔物理学奖。此后，人们陆续发现近30种单质和几千种合金及化合物都具有超导现象，而且超导临界温度的纪录不断地被打破。例如，1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K。1986年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个现象引起了科学家对氧化