（北京专用）2020版高考物理总复习 第十章 第1讲 电流 电阻 电功及电功率课件

第1讲电流电阻电功及电功率一电流二电阻三电功和电功率知识梳理考点一电流的微观解释考点二对电阻、电阻定律的理解和应用考点三欧姆定律和伏安特性曲线深化拓展考点四电功、电功率、电热与热功率知识梳理一、电流1.电流(1)定义:电荷的①定向移动形成电流。(2)方向:规定②正电荷定向移动的方向为电流的方向。(3)三个公式a.定义式:I= ;b.决定式:I= ;c.微观式:I=③nqSv。qtUR2.欧姆定律(1)内容:导体中的电流I跟导体两端的电压U成④正比,跟导体的电阻R成⑤反比。(2)公式:I= 。(3)适用条件:适用于⑥金属和电解液导电,适用于纯电阻电路。UR二、电阻1.电阻(1)R= 。(2)物理意义:导体的电阻反映了①导体对电流阻碍作用的大小,R越大,阻碍作用②越大。UI2.电阻定律(1)内容:同种材料的导体,其电阻与它的③长度成正比,与它的④横截面积成反比;导体的电阻还与构成它的材料有关。(2)公式:R=ρ 。lS3.电阻率(1)计算式:ρ=R 。(2)物理意义:反映导体的⑤导电性能,是导体材料本身的属性。(3)电阻率与温度的关系金属:电阻率随温度升高而增大;半导体:通常电阻率随温度升高而⑥减小。Sl三、电功和电功率1.电功(1)定义:电流所做的功叫电功。电流做功,实质上是导体中的恒定电场对自由电荷的①静电力在做功。(2)公式:W=qU=IUt。(3)电流做功是②电能转化成其他形式能的过程。2.电功率(1)定义:单位时间内电流所做的功。表示电流做功的③快慢。(2)公式:P= =④IU。Wt3.焦耳定律(1)电热:电流流过一段导体时产生的⑤热量。(2)计算式:Q=⑥I2Rt。4.热功率(1)定义:单位时间内的发热量。(2)表达式:P= =⑦I2R。 Qt1.一个阻值为R的电阻,两端加上电压U后,通过电阻横截面的电荷量q随时间变化的图像如图所示,此图像的斜率可表示为 (C) A.UB.RC. D. URIR解析在q-t图像中图线的斜率是k= =I,即表示电流,由欧姆定律知I= ,则C正确。qtUR2.有Ⅰ、Ⅱ两根不同材料的电阻丝,长度之比为l1∶l2=1∶5,横截面积之比为S1∶S2=2∶3,电阻之比为R1∶R2=2∶5,外加电压之比为U1∶U2=1∶2,则它们的电阻率之比为 (B)A.2∶3B.4∶3C.3∶4D.8∶3解析设两根电阻丝电阻率分别为ρ1、ρ2,由电阻定律R=ρ ,故ρ= ,所以 = = ,B正确。lSRSl12ρρ111222SRlSRl433.关于电功W和电热Q的说法正确的是 (B)A.在任何电路中都有W=UIt、Q=I2Rt,且W=QB.在任何电路中都有W=UIt、Q=I2Rt,但W不一定等于QC.W=UIt、Q=I2Rt均只有在纯电阻电路中才成立D.W=UIt在任何电路中都成立,Q=I2Rt只在纯电阻电路中成立解析W=UIt、Q=I2Rt适用于一切电路,但在纯电阻电路中W=Q,在非纯电阻电路中WQ,B对,A、C、D错。4.横截面积为S的导线中,通有大小为I的电流。已知导线单位体积中有n个自由电子,每个自由电子的电荷量是e,自由电子定向移动的速率是v,则在时间Δt内通过导线截面的电子数是 (A)A.nSvΔtB.nvΔtC.IΔtD. ItSe解析根据电流的定义式可知,在Δt内通过导线截面的电荷量q=IΔt。所以在这段时间内通过的自由电子数为N= = 。由于自由电子定向移动的速率是v,因此在时间Δt内,位于以截面S为底,长为l=vΔt的这段导线内的自由电子都能通过截面。这段导线的体积V=Sl=SvΔt,所以Δt内通过截面S的自由电子数N=nV=nSvΔt。 qeIte深化拓展考点一电流的微观解释一、电流的微观解释1.建立微观模型:如图所示,粗细均匀的一段导体长为l,横截面积为S,导体单位体积内的自由电荷数为n,每个自由电荷的电荷量为q,当导体两端加上一定的电压时,导体中的自由电荷沿导体定向移动的速率为v。2.在时间t内导体中长度l=vt内的自由电荷全部通过了截面D。3.这些电荷的总电荷量为Q=nvtSq。4.电流的表达式:I= =nqSv。Qt5.结论:从微观上看,电流由导体中自由电荷的密度、电荷定向移动的速率、导体的横截面积和自由电荷带电荷量共同决定。二、与电流有关的三种速率的比较电荷定向移动速率电流的传导速率电荷无规则热运动速率概念自由电荷沿某一方向运动的速率电场的传播速率自由电荷做无规则运动的速率速率大小金属导体中约为10-5m/s等于光速3×108m/s约为105m/s1-1在长度为l、横截面积为S、单位体积内的自由电子数为n的金属导体两端加上电压,导体中就会产生匀强电场。导体内电荷量为e的自由电子受电场力作用先做加速运动,然后与阳离子碰撞而减速,如此往复……所以,我们通常将自由电子的这种运动简化成速率为v(不随时间变化)的定向运动。已知阻碍电子运动的阻力大小与电子定向移动的速率v成正比,即f=kv(k是常数),则该导体的电阻应该等于 (B)A. B. klneS2klneSC. D. kSnel2kSnel解析由题意可知,对于电子有Ee=kv,又E= ,U=IR,I=nevS,联立解得R= 。Ul2klneS1-2(2014北京理综,24节选)若导线MN的质量m=8.0g、长度L=0.10m,感应电流I=1.0A,假设一个原子贡献1个自由电子,计算导线MN中电子沿导线长度方向定向移动的平均速率ve(下表中列出一些你可能会用到的数据)。阿伏加德罗常数NA6.0×1023mol-1元电荷e1.6×10-19C导线MN的摩尔质量μ6.0×10-2kg/mol答案7.8×10-6m/s解析导线MN中含有的原子数为N= NA因为一个金属原子贡献一个电子,所以导线MN中的自由电子数也是N。导线MN单位体积内的自由电子数n= 其中,S为导线MN的横截面积。因为电流I=nveSe所以ve= = = mμNSLInSeILNeAILμmNe解得ve=7.8×10-6m/s。考点二对电阻、电阻定律的理解和应用1.电阻与电阻率的区别(1)电阻是反映导体对电流阻碍作用大小的物理量。电阻率是反映制作导体的材料导电性能好坏的物理量。(2)导体电阻阻值与电阻率无直接关系,即电阻大,电阻率不一定大;电阻率小,电阻不一定小。2.两个公式的对比公式R= R=ρ 适用条件(1)金属、电解液(2)纯电阻电路导电材料字母含义U:导体两端的电压I:通过导体的电流ρ:材料的电阻率l:沿电流方向导体的长度S:垂直于电流方向的导体的横截面积公式含义反映了R的大小,不能说R∝U、R∝ R的决定式,R由ρ、l、S共同决定UIlSUI1I2-1把两根同种材料做成的电阻丝,分别接在两个电路中,甲电阻丝长为l,直径为d,乙电阻丝长为2l,直径为2d,要使两电阻丝消耗的功率相等,加在两电阻丝上的电压应满足 (C)A. =1B. = C. = D. =2UU甲乙UU甲乙22UU甲乙2UU甲乙解析根据电阻定律有:R甲=ρ ,R乙=ρ ,又知P甲= ,P乙= ,若使P甲=P乙,即 = ,则 = = =2,得 = ,所以选项C是正确的。lS甲2lS乙2UR甲甲2UR乙乙2UR甲甲2UR乙乙22UU甲乙RR甲乙2222ρldρldUU甲乙22-2经典电磁理论认为:当金属导体两端电压稳定后,导体中产生恒定电场,这种恒定电场的性质与静电场相同。由于恒定电场的作用,导体内自由电子定向移动的速率增加,而运动过程中会与导体内不动的粒子发生碰撞从而减速,可认为自由电子定向移动的平均速率不随时间变化。金属电阻反映的是定向移动的自由电子与不动的粒子的碰撞。假设碰撞后自由电子定向移动的速度全部消失,碰撞时间不计。某种金属中单位体积内的自由电子数量为n,自由电子的质量为m,带电荷量为e。现取由该种金属制成的长为L,横截面积为S的圆柱形金属导体,在其两端加上恒定电压U,自由电子连续两次与不动的粒子碰撞的时间间隔平均值为t0。如图所示 (1)求金属导体中自由电子定向移动受到的电场力大小;(2)求金属导体中的电流I;(3)电阻的定义式为R= ,电阻定律R=ρ 是由实验得出的。事实上,不同UILS途径认识的物理量之间存在着深刻的本质联系,请从电阻的定义式出发,推导金属导体的电阻定律,并分析影响电阻率ρ的因素。答案见解析解析(1)恒定电场的场强E= 则自由电子所受电场力大小F=Ee= (2)设自由电子在恒定电场中由静止经时间t0加速后的速度为v,由动量定理有:Ft0=mv-0解得v= 自由电子定向移动的平均速率 = = ULUeL0UetmLv02v02UetmL金属导体中产生的电流I= = =neS = (3)由电阻定义式可得R= = = 其中 为定值,此定值即电阻率ρ,所以R=ρ 电阻率的影响因素有:单位体积内自由电子的数目n,自由电子在恒定电场中由静止加速的平均时间t0。qtnSvtetv202nSUetmLUI202UnSUetmL202mLnetS202mnetLS考点三欧姆定律和伏安特性曲线1.欧姆定律(1)公式I= ,是电流的决定式,I正比于电压,反比于电阻。(2)公式中的I、U和R三个量必须对应同一段电路或同一段导体。(3)适用范围:适用于金属、电解液等组成的纯电阻电路。对于气体导电、含有电动机和电解槽等非纯电阻的电路不适用。UR2.对伏安特性曲线的理解(如图所示) (1)图线a、e、d、f表示线性元件,b、c表示非线性元件。(2)在图甲中,图线a、e的斜率表示电阻的大小,斜率越大,电阻越大,RaRe。在图乙中,图线d、f的斜率表示电阻倒数的大小,斜率越大,电阻越小,RdRf。(3)图线b的斜率变小,电阻变小,图线c的斜率变大,电阻变小。(注意:曲线上某点切线的斜率不是电阻或电阻的倒数。根据R= ,电阻为某点和原点连线的斜率或斜率倒数) UI3-1锰铜合金的电阻几乎不受温度变化的影响,常用来制作标准电阻。如图是两个标准电阻的伏安特性曲线,若把两个电阻串联接入电路中,在相同时间内产生的热量关系为 (C) A.Q1=Q2B.Q1Q2C.Q1Q2D.无法确定解析由I-U图线的斜率表示电阻的倒数可知R1R2,串联电路中电流处处相等,再结合焦耳定律Q=I2Rt可知Q1Q2。3-2小灯泡通电后其电流I随所加电压U变化的图线如图所示,P为图线上一点,PN为图线在P点的切线,PQ为U轴的垂线,PM为I轴的垂线,则下列说法中正确的是 (D)B.对应P点,小灯泡的电阻为R= C.对应P点,小灯泡的电阻为R= D.对应P点,小灯泡的功率为图中矩形PQOM所围面积11UI121UIIA.随着所加电压的增大,小灯泡的电阻减小解析I-U图像中,图线上该点与坐标原点连线斜率的倒数表示电阻的大小,对应P点小灯泡的电阻R= ,因此B、C错误;由图可知随着所加电压的增大,小灯泡的电阻增大,A错误;对应P点小灯泡的功率P=U1I2,大小等于矩形PQOM所围面积,D对。12UI考点四电功、电功率、电热与热功率1.W=IUt普遍适用于计算任何一段电路上的电功。P=IU普遍适用于计算任何一段电路上消耗的电功率。2.Q=I2Rt,只用于计算电热。3.纯电阻电路与非纯电阻电路的比较纯电阻电路非纯电阻电路实例含有白炽灯、电炉、电饭锅、电热毯、电熨斗或转子被卡住的电动机等元件的电路含有电动机、电解槽或日光灯等元件的电路电功与电热W=UIt,Q=I2Rt= t,W=QW=UIt,Q=I2Rt,WQ电功率与热功率P电=UI,P热=I2R= ,P电=P热P电=UI,P热=I2R,P电P热2UR2UR4.电功和电热的处理方法无论在纯电阻电路还是在非纯电阻电路中,发热功率都是I2R。处理非纯电阻电路的计算问题时,要善于从能量转化的角度出发,紧紧围绕能量守恒定律,利用“电功=电热+其他能量”寻找等量关系求解。 4-1一个直流电动机,线圈电阻是0.5Ω,当它两端所加电压为6V时,通过电动机的电流是2A。由此可知 (C)A.电动机消耗的电功率为10WB.电动机发热的功率为10WC.电动机输出