高中物理竞赛系列讲--- 电学基本定律

智浪教育-普惠英/电学基本定律2．3．1、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RtIQ2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RIP2。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。2．3．2、欧姆定律①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RUI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。②一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。智浪教育-普惠英/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：3232222211111RIRIrIrIRIUUBA③闭合电路欧姆定律和电源输出功率〈1〉闭合电路欧姆定律闭合电路欧姆定律公式：rRI路端电压IrUrRRU对于确定电源、r一定，则IU图线和RU图线如图2-3-2和2-3-3所示。其中rIm，为电源短路电流。〈2〉电源输出功率电源的功率rRIP2源2R1R2R1I2I1r2r3r321BA图2-3-1UOImIUOR图2-3-2图2-3-3智浪教育-普惠英/电源输出功率rRrRRrRIUP4222出当rR时电源输出功率为最大rP42最大此时电源效率50%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1R、2R时，输出功率相等，则必有212RRr例2、如图2-3-5所示电路，设电源电压不变，问：（1）2R在什么范围内变化时，2R上消耗的电功率随2R的增大而增大？（2）2R在什么范围内变化时，2R上消耗的电功率随2R增大而减小？（3）2R为何值时，2R上消耗的电功率为最大？解：先求出2P随2R变化的表达式。342342RRRRRRRAB34234211RRRRRRRI43323141213421RRRRRRRRRRRRRIPR2R1RrO最大P图2-3-4AB1R2R4R3R2I3I1I图2-3-5智浪教育-普惠英/43323141213421RRRRRRRRRRRRRRIUABAB22422222RRRURIPAB243323141212223RRRRRRRRRRRR23124331412223][RRRRRRRRRRR令：ARRRRRR433141CRBRRR223312则：222222224ABRBRACRBRACRPABRBRAC4222（1）当A＞B2R时，即433141RRRRRR＞312RRR智浪教育-普惠英/2222,,,PRBRAR（2）当A＜B2R时，即433141RRRRRR＞312RRR22RBRA＜0，22222,PRBRAR（3）当A=B2R时，即433141RRRRRR=312RRR，2P最大2．3．3、基尔霍夫定律①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。出入jiII或可表达为：汇于节点的各支路电流强度的代数和为零。0iI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1n个方程是独立的。②沿回路环绕一周，电势降落的代数和为零，即0jjiRI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,321V,543,62,51,242RRRV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，只有二个独立的回路，因而能列1I2I3I121R2R3R图2-3-6智浪教育-普惠英/出两个回路方程。三个方程恰好满足求解条件。解：规定321III、、正方向如图所示，则有0321III两个独立回路，有0112221RIRI033222RIRI联解方程得：AIAIAI5.0,.01321，2I＜0，说明2I实际电流方向与图中所假定电流方向相反。