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題目列表(包括答案和解析)

第九部分 穩(wěn)恒電流

第一講 基本知識介紹

第八部分《穩(wěn)恒電流》包括兩大塊:一是“恒定電流”,二是“物質(zhì)的導(dǎo)電性”。前者是對于電路的外部計算,后者則是深入微觀空間,去解釋電流的成因和比較不同種類的物質(zhì)導(dǎo)電的情形有什么區(qū)別。

應(yīng)該說,第一塊的知識和高考考綱對應(yīng)得比較好,深化的部分是對復(fù)雜電路的計算(引入了一些新的處理手段)。第二塊雖是全新的內(nèi)容,但近幾年的考試已經(jīng)很少涉及,以至于很多奧賽培訓(xùn)資料都把它刪掉了。鑒于在奧賽考綱中這部分內(nèi)容還保留著,我們還是想粗略地介紹一下。

一、歐姆定律

1、電阻定律

a、電阻定律 R = ρ

b、金屬的電阻率 ρ = ρ0(1 + αt)

2、歐姆定律

a、外電路歐姆定律 U = IR ,順著電流方向電勢降落

b、含源電路歐姆定律

在如圖8-1所示的含源電路中,從A點到B點,遵照原則:①遇電阻,順電流方向電勢降落(逆電流方向電勢升高)②遇電源,正極到負(fù)極電勢降落,負(fù)極到正極電勢升高(與電流方向無關(guān)),可以得到以下關(guān)系

UA ? IR ? ε ? Ir = UB 

這就是含源電路歐姆定律。

c、閉合電路歐姆定律

在圖8-1中,若將A、B兩點短接,則電流方向只可能向左,含源電路歐姆定律成為

UA + IR ? ε + Ir = UB = UA

 ε = IR + Ir ,或 I = 

這就是閉合電路歐姆定律。值得注意的的是:①對于復(fù)雜電路,“干路電流I”不能做絕對的理解(任何要考察的一條路均可視為干路);②電源的概念也是相對的,它可以是多個電源的串、并聯(lián),也可以是電源和電阻組成的系統(tǒng);③外電阻R可以是多個電阻的串、并聯(lián)或混聯(lián),但不能包含電源。

二、復(fù)雜電路的計算

1、戴維南定理:一個由獨(dú)立源、線性電阻、線性受控源組成的二端網(wǎng)絡(luò),可以用一個電壓源和電阻串聯(lián)的二端網(wǎng)絡(luò)來等效。(事實上,也可等效為“電流源和電阻并聯(lián)的的二端網(wǎng)絡(luò)”——這就成了諾頓定理。)

應(yīng)用方法:其等效電路的電壓源的電動勢等于網(wǎng)絡(luò)的開路電壓,其串聯(lián)電阻等于從端鈕看進(jìn)去該網(wǎng)絡(luò)中所有獨(dú)立源為零值時的等效電阻。

2、基爾霍夫(克?品颍┒

a、基爾霍夫第一定律:在任一時刻流入電路中某一分節(jié)點的電流強(qiáng)度的總和,等于從該點流出的電流強(qiáng)度的總和。

例如,在圖8-2中,針對節(jié)點P ,有

I2 + I3 = I1 

基爾霍夫第一定律也被稱為“節(jié)點電流定律”,它是電荷受恒定律在電路中的具體體現(xiàn)。

對于基爾霍夫第一定律的理解,近來已經(jīng)拓展為:流入電路中某一“包容塊”的電流強(qiáng)度的總和,等于從該“包容塊”流出的電流強(qiáng)度的總和。

b、基爾霍夫第二定律:在電路中任取一閉合回路,并規(guī)定正的繞行方向,其中電動勢的代數(shù)和,等于各部分電阻(在交流電路中為阻抗)與電流強(qiáng)度乘積的代數(shù)和。

例如,在圖8-2中,針對閉合回路① ,有

ε3 ? ε2 = I3 ( r3 + R2 + r2 ) ? I2R2 

基爾霍夫第二定律事實上是含源部分電路歐姆定律的變體(☆同學(xué)們可以列方程 UP = … = UP得到和上面完全相同的式子)。

3、Y?Δ變換

在難以看清串、并聯(lián)關(guān)系的電路中,進(jìn)行“Y型?Δ型”的相互轉(zhuǎn)換常常是必要的。在圖8-3所示的電路中

☆同學(xué)們可以證明Δ→ Y的結(jié)論…

Rc = 

Rb = 

Ra = 

Y→Δ的變換稍稍復(fù)雜一些,但我們?nèi)匀豢梢缘玫?/p>

R1 = 

R2 = 

R3 = 

三、電功和電功率

1、電源

使其他形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。如發(fā)電機(jī)、電池等。發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔;干電池、蓄電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽还怆姵厥菍⒐饽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔;原子電池是將原子核放射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽辉陔娮釉O(shè)備中,有時也把變換電能形式的裝置,如整流器等,作為電源看待。

電源電動勢定義為電源的開路電壓,內(nèi)阻則定義為沒有電動勢時電路通過電源所遇到的電阻。據(jù)此不難推出相同電源串聯(lián)、并聯(lián),甚至不同電源串聯(lián)、并聯(lián)的時的電動勢和內(nèi)阻的值。

例如,電動勢、內(nèi)阻分別為ε1 、r1和ε2 、r2的電源并聯(lián),構(gòu)成的新電源的電動勢ε和內(nèi)阻r分別為(☆師生共同推導(dǎo)…)

ε = 

r = 

2、電功、電功率

電流通過電路時,電場力對電荷作的功叫做電功W。單位時間內(nèi)電場力所作的功叫做電功率P 。

計算時,只有W = UIt和P = UI是完全沒有條件的,對于不含源的純電阻,電功和焦耳熱重合,電功率則和熱功率重合,有W = I2Rt = t和P = I2R = 。

對非純電阻電路,電功和電熱的關(guān)系依據(jù)能量守恒定律求解。 

四、物質(zhì)的導(dǎo)電性

在不同的物質(zhì)中,電荷定向移動形成電流的規(guī)律并不是完全相同的。

1、金屬中的電流

即通常所謂的不含源純電阻中的電流,規(guī)律遵從“外電路歐姆定律”。

2、液體導(dǎo)電

能夠?qū)щ姷囊后w叫電解液(不包括液態(tài)金屬)。電解液中離解出的正負(fù)離子導(dǎo)電是液體導(dǎo)電的特點(如:硫酸銅分子在通常情況下是電中性的,但它在溶液里受水分子的作用就會離解成銅離子Cu2+和硫酸根離子S,它們在電場力的作用下定向移動形成電流)。

在電解液中加電場時,在兩個電極上(或電極旁)同時產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的過程叫作“電解”。電解的結(jié)果是在兩個極板上(或電極旁)生成新的物質(zhì)。

液體導(dǎo)電遵從法拉第電解定律——

法拉第電解第一定律:電解時在電極上析出或溶解的物質(zhì)的質(zhì)量和電流強(qiáng)度、跟通電時間成正比。表達(dá)式:m = kIt = KQ (式中Q為析出質(zhì)量為m的物質(zhì)所需要的電量;K為電化當(dāng)量,電化當(dāng)量的數(shù)值隨著被析出的物質(zhì)種類而不同,某種物質(zhì)的電化當(dāng)量在數(shù)值上等于通過1C電量時析出的該種物質(zhì)的質(zhì)量,其單位為kg/C。)

法拉第電解第二定律:物質(zhì)的電化當(dāng)量K和它的化學(xué)當(dāng)量成正比。某種物質(zhì)的化學(xué)當(dāng)量是該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量M(克原子量)和它的化合價n的比值,即 K =  ,而F為法拉第常數(shù),對任何物質(zhì)都相同,F(xiàn) = 9.65×104C/mol 。

將兩個定律聯(lián)立可得:m = Q 。

3、氣體導(dǎo)電

氣體導(dǎo)電是很不容易的,它的前提是氣體中必須出現(xiàn)可以定向移動的離子或電子。按照“載流子”出現(xiàn)方式的不同,可以把氣體放電分為兩大類——

a、被激放電

在地面放射性元素的輻照以及紫外線和宇宙射線等的作用下,會有少量氣體分子或原子被電離,或在有些燈管內(nèi),通電的燈絲也會發(fā)射電子,這些“載流子”均會在電場力作用下產(chǎn)生定向移動形成電流。這種情況下的電流一般比較微弱,且遵從歐姆定律。典型的被激放電情形有

b、自激放電

但是,當(dāng)電場足夠強(qiáng),電子動能足夠大,它們和中性氣體相碰撞時,可以使中性分子電離,即所謂碰撞電離。同時,在正離子向陰極運(yùn)動時,由于以很大的速度撞到陰極上,還可能從陰極表面上打出電子來,這種現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射。碰撞電離和二次電子發(fā)射使氣體中在很短的時間內(nèi)出現(xiàn)了大量的電子和正離子,電流亦迅速增大。這種現(xiàn)象被稱為自激放電。自激放電不遵從歐姆定律。

常見的自激放電有四大類:輝光放電、弧光放電、火花放電、電暈放電。

4、超導(dǎo)現(xiàn)象

據(jù)金屬電阻率和溫度的關(guān)系,電阻率會隨著溫度的降低和降低。當(dāng)電阻率降為零時,稱為超導(dǎo)現(xiàn)象。電阻率為零時對應(yīng)的溫度稱為臨界溫度。超導(dǎo)現(xiàn)象首先是荷蘭物理學(xué)家昂尼斯發(fā)現(xiàn)的。

超導(dǎo)的應(yīng)用前景是顯而易見且相當(dāng)廣闊的。但由于一般金屬的臨界溫度一般都非常低,故產(chǎn)業(yè)化的價值不大,為了解決這個矛盾,科學(xué)家們致力于尋找或合成臨界溫度比較切合實際的材料就成了當(dāng)今前沿科技的一個熱門領(lǐng)域。當(dāng)前人們的研究主要是集中在合成材料方面,臨界溫度已經(jīng)超過100K,當(dāng)然,這個溫度距產(chǎn)業(yè)化的期望值還很遠(yuǎn)。

5、半導(dǎo)體

半導(dǎo)體的電阻率界于導(dǎo)體和絕緣體之間,且ρ

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(本題14分)兩百多年來,自行車作為一種便捷的交通工具,已經(jīng)融入人們的社會生活之中,騎自行車出行,不僅可以減輕城市交通壓力和減少汽車尾氣污染,而且還可以作為一項很好的健身運(yùn)動。

右圖為一種早期的自行車,這種不帶鏈條傳動的自行車前輪的直徑很大,這樣的設(shè)計在當(dāng)時主要是為了(   )

A.提高速度www.ks5u.com

B.提高穩(wěn)定性www.ks5u.com

C.騎行方便

D.減小阻力

自行車的設(shè)計蘊(yùn)含了許多物理知識,利用所學(xué)知識完成下表

自行車的設(shè)計

目的(從物理知識角度)

車架用鋁合金、鈦合金代替鋼架

減輕車重

車胎變寬

自行車后輪外胎上的花紋

小明同學(xué)在學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動的知識后,設(shè)計了一個課題,名稱為:快速測量自行車的騎行速度。他的設(shè)想是:通過計算踏腳板轉(zhuǎn)動的角速度,推算自行車的騎行速度。經(jīng)過騎行,他得到如下的數(shù)據(jù):www.ks5u.com在時間t內(nèi)踏腳板轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為N,那么腳踏板轉(zhuǎn)動的角速度=              ;要推算自行車的騎行速度,還需要測量的物理量有                                  ;自行車騎行速度的計算公式v=              。

與普通自行車相比,電動自行車騎行更省力。下表為某一品牌電動自行車的部分技術(shù)參數(shù)。

在額定輸出功率不變的情況下,質(zhì)量為60Kg的人騎著此自行車沿平直公路行駛,所受阻力恒為車和人總重的0.04倍。當(dāng)此電動車達(dá)到最大速度時,牽引力為        N,當(dāng)車速為2m/s時,其加速度為          m/s2(g=10m/s2)。

規(guī)格

后輪驅(qū)動直流永磁鐵電機(jī)

車型

14電動自行車

額定輸出功率

200W

整車質(zhì)量

40Kg

額定電壓

48V

最大載重

120 Kg

額定電流

4.5A

以自行車代替汽車出行,可以減少我們現(xiàn)代生活中留下的“磁足跡”,積極應(yīng)對全球氣候變暖的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我們的各種行為留下的“磁足跡”可以用直觀的“磁足跡計數(shù)器”進(jìn)行估算。比如:www.ks5u.com

開車的二氧化碳排放量(Kg)=汽油消耗升數(shù)×2.2

設(shè)騎車代替開車出行100Km,可以節(jié)約9L,則可以減排的二氧化碳越(   )

A.100Kg

B.20Kg

C.9 Kg

D.2.2 Kg

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(本題14分)兩百多年來,自行車作為一種便捷的交通工具,已經(jīng)融入人們的社會生活之中,騎自行車出行,不僅可以減輕城市交通壓力和減少汽車尾氣污染,而且還可以作為一項很好的健身運(yùn)動。
小題1:右圖為一種早期的自行車,這種不帶鏈條傳動的自行車前輪的直徑很大,這樣的設(shè)計在當(dāng)時主要是為了(  )
A.提高速度
B.提高穩(wěn)定性
C.騎行方便
D.減小阻力
小題2:自行車的設(shè)計蘊(yùn)含了許多物理知識,利用所學(xué)知識完成下表
自行車的設(shè)計
目的(從物理知識角度)
車架用鋁合金、鈦合金代替鋼架
減輕車重
車胎變寬
 
自行車后輪外胎上的花紋
 
小題3:小明同學(xué)在學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動的知識后,設(shè)計了一個課題,名稱為:快速測量自行車的騎行速度。他的設(shè)想是:通過計算踏腳板轉(zhuǎn)動的角速度,推算自行車的騎行速度。經(jīng)過騎行,他得到如下的數(shù)據(jù):在時間t內(nèi)踏腳板轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為N,那么腳踏板轉(zhuǎn)動的角速度=             ;要推算自行車的騎行速度,還需要測量的物理量有                                 ;自行車騎行速度的計算公式v=             。

小題4:與普通自行車相比,電動自行車騎行更省力。下表為某一品牌電動自行車的部分技術(shù)參數(shù)。
在額定輸出功率不變的情況下,質(zhì)量為60Kg的人騎著此自行車沿平直公路行駛,所受阻力恒為車和人總重的0.04倍。當(dāng)此電動車達(dá)到最大速度時,牽引力為       N,當(dāng)車速為2m/s時,其加速度為         m/s2(g=10m/s2)。
規(guī)格
后輪驅(qū)動直流永磁鐵電機(jī)
車型
14電動自行車
額定輸出功率
200W
整車質(zhì)量
40Kg
額定電壓
48V
最大載重
120 Kg
額定電流
4.5A
小題5:以自行車代替汽車出行,可以減少我們現(xiàn)代生活中留下的“磁足跡”,積極應(yīng)對全球氣候變暖的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我們的各種行為留下的“磁足跡”可以用直觀的“磁足跡計數(shù)器”進(jìn)行估算。比如:
開車的二氧化碳排放量(Kg)=汽油消耗升數(shù)×2.2
設(shè)騎車代替開車出行100Km,可以節(jié)約9L,則可以減排的二氧化碳越(  )
A.100Kg
B.20Kg
C.9 Kg
D.2.2 Kg

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兩百多年來,自行車作為一種便捷的交通工具,已經(jīng)融入人們的社會生活之中,騎自行車出行,不僅可以減輕城市交通壓力和減少汽車尾氣污染,而且還可以當(dāng)作一項很好的健身運(yùn)動。

(1).下圖為一種早期的自行車,這種不帶鏈條傳動系統(tǒng)的自行車前輪的直徑很大,這樣的設(shè)計在當(dāng)時主要是為了(    )

A.提高速度                              B.提高穩(wěn)定性

C.騎行方便                              D.減小阻力

(2).自行車的設(shè)計蘊(yùn)含了許多物理知識。利用所學(xué)知識完成下表。

自行車的設(shè)計

目的(從物理知識角度考慮)

車架用鋁合金、鈦合金代替鋼架

減輕車重

車胎變寬

 

自行車后輪外胎上的花紋

 

(3).小明同學(xué)在學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動的知識后,設(shè)計了一個課題,名稱為:快速測量自行車的騎行速度。他的設(shè)想是:通過計算踏腳板轉(zhuǎn)動的角速度,推算自行車的騎行速度。經(jīng)過騎行,他得到如下數(shù)據(jù):

在時間t內(nèi)踏腳板轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為N,那么踏腳板轉(zhuǎn)動的角速度ω=________;要推算自行車的騎行速度,還需要測量的物理量有________________________________________________;

自行車騎行速度的計算公式v=________。

(4).與普通自行車相比,電動自行車騎行更省力。下表為某一品牌電動自行車的部分技術(shù)參數(shù)。

規(guī)格

后輪驅(qū)動直流永磁鐵電機(jī)

車型

14°電動自自行車

額定輸出功率

200 W

整車質(zhì)量

40 kg

額定電壓

48 V

最大載重

120 kg

額定電流

4.5 A

    在額定輸出功率不變的情況下,質(zhì)量為60 kg的人騎著此電動自行車沿平直公路行駛,所受阻力恒為車和人總重的0.04倍,當(dāng)此電動車達(dá)到最大速度時,牽引力為________N;當(dāng)車速為2 m/s時,其加速度為________m/s2。(取g=10 m/s2)。

(5).以自行車代替汽車出行,可以減少我們在現(xiàn)代生活中留下的“碳足跡”,積極應(yīng)對全球氣候變暖的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。我們的各種行為留下的“碳足跡”可以用直觀的“碳足跡計數(shù)器”進(jìn)行估算。比如:

開車的二氧化碳排放量(kg)=汽油消耗升數(shù)×2.2

設(shè)騎車代替開車出行100 km,可以節(jié)油9 L,則可以減排二氧化碳約(    )

A.100 kg               B.20 kg               C.9 kg               D.2.2 kg

5.B

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I、某同學(xué)用如圖1所示裝置探究感應(yīng)電流的方向與引起感應(yīng)電流的磁場的關(guān)系.已知電流從a接線柱流入電流表時,電流表指針右偏.實驗時,磁場方向、磁鐵運(yùn)動情況及電流表指針偏轉(zhuǎn)情況都記錄在下表中.
(1)由實驗1、3得出的結(jié)論是
 

(2)由實驗2、4得出的結(jié)論是
 

(3)由實驗1、2、3、4得出的結(jié)論是
 

實驗序號 磁場方向 磁鐵運(yùn)動情況 指針偏轉(zhuǎn)情況
1 向下 插入 右偏
2 向下 拔出 左偏
3 向上 插入 左偏
4 向上 拔出 右偏
精英家教網(wǎng)
II、(1)某學(xué)習(xí)小組通過一個簡單的電路圖探究多用電表的結(jié)構(gòu)和原理,如圖2所示,若黑表筆做為電表的公共端,紅表筆通過轉(zhuǎn)換開關(guān)接入待測量相應(yīng)的測量端,使用時,只有部分電路起作用.
當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接1或2時,此多用電表為
 
表,當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接3或4時,此多用電表為
 
表,當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接5時,此多用電表為
 
表,若靈敏電流計G的滿偏電流Ig=lmA,內(nèi)阻Rg=10Ω,R1=0.106Ω,R2=0.42Ω,當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)接2時,此多用電表的量程為
 

(2)某電壓表的內(nèi)阻在20kΩ~50kΩ之間,現(xiàn)要測量其內(nèi)阻,實驗室提供下列器材:
A.待測電壓表V(量程3V) B.電流表A1(量程0.6mA) C.電流表A2(量程200μA)
D.電流表A3(量程0.6A) E.電壓表V1(量程4V) F.電壓表V2(量程3V)
G.滑動變阻器R(最大阻值1kΩ)H.電源E(電動勢4V)I.開關(guān)S,導(dǎo)線若干
①為了盡量減少測量誤差,要求測量多組數(shù)據(jù),請你在圖3所示的框內(nèi)畫出符合實驗要求的實驗電路圖;
②所提供的器材中,在盡量減少測量誤差的情況下,應(yīng)選用的器材為
 
(填寫字母代號).

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