(通用版)2021版高考物理大一輪復(fù)習(xí) 第8章 恒定電流 第1節(jié) 電流、電阻、電功及電功率教學(xué)案
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1、第8章 恒定電流 [高考導(dǎo)航] 考點(diǎn)內(nèi)容 要求 高考(全國卷)三年命題情況對(duì)照分析 2017 2018 2019 命題分析 歐姆定律 Ⅱ 卷Ⅰ·T23:研究小燈泡的伏安特性曲線 卷Ⅱ·T23:測微安表的內(nèi)阻,實(shí)物連線 卷Ⅲ·T23:多用電表 卷Ⅰ·T23:熱敏電阻的阻值隨溫度變化的曲線 卷Ⅱ·T22:電表的改裝 卷Ⅲ·T23:電阻的測量、實(shí)物連線 卷Ⅰ·T23:電表的改裝與電路設(shè)計(jì) 卷Ⅱ·T23:研究二極管電壓與溫度關(guān)系 卷Ⅲ·T23:歐姆表改裝及設(shè)計(jì) 1.從高考題型看,以選擇題和實(shí)驗(yàn)題的形式命題,且每年必有電學(xué)實(shí)驗(yàn)題。 2.對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查方式有:基
2、本儀器的使用、讀數(shù)、畫實(shí)驗(yàn)原理圖、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)器材的選取、連接實(shí)物圖等多種方式。 電阻定律 Ⅰ 電阻的串聯(lián)、并聯(lián) Ⅰ 電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻 Ⅱ 閉合電路的歐姆定律 Ⅱ 電功率、焦耳定律 Ⅰ 實(shí)驗(yàn)八:測定金屬的電阻率(同時(shí)練習(xí)使用螺旋測微器) 實(shí)驗(yàn)九:描繪小電珠的伏安特性曲線 實(shí)驗(yàn)十:測定電源的電動(dòng)勢和內(nèi)阻 實(shí)驗(yàn)十一:練習(xí)使用多用電表 核心素養(yǎng) 物理觀念:電功、電熱、電功率 、電動(dòng)勢、內(nèi)阻、電阻串聯(lián)、并聯(lián)。 科學(xué)思維:歐姆定律、電阻定律、閉合電路的歐姆定律、焦耳定律。 科學(xué)探究:測定金屬絲電阻率、描繪小電珠的伏安特性曲線、測定電源的電動(dòng)勢和
3、內(nèi)阻(如2017卷Ⅰ·T23)。 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:電路設(shè)計(jì)與安全、練習(xí)使用多用電表(如2019卷Ⅰ·T23)。 第1節(jié) 電流、電阻、電功及電功率 一、電流及歐姆定律 1.電流的理解 (1)定義:電荷的定向移動(dòng)形成電流。 (2)條件:①有可以自由移動(dòng)的電荷;②導(dǎo)體兩端存在電壓。 (3)方向:電流是標(biāo)量,為研究問題方便,規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?。在外電路中電流由電源正極到負(fù)極,在內(nèi)電路中電流由電源負(fù)極到正極。 (4)三個(gè)表達(dá)式 ①定義式:I=,q為在時(shí)間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。 ②微觀表達(dá)式:I=nqSv,其中n為導(dǎo)體中單位體積內(nèi)自由電荷的個(gè)數(shù),q為
4、每個(gè)自由電荷的電荷量,S為導(dǎo)體的橫截面積,v為自由電荷定向移動(dòng)的速率。 ③決定式:I=,即歐姆定律。 2.歐姆定律 (1)內(nèi)容:導(dǎo)體中的電流I跟導(dǎo)體兩端的電壓U成正比,跟導(dǎo)體的電阻R成反比。 (2)適用范圍:適用于金屬和電解液等純電阻電路。 二、電阻定律 1.電阻定律 (1)內(nèi)容:同種材料的導(dǎo)體,其電阻R與它的長度l成正比,與它的橫截面積S成反比;導(dǎo)體電阻還與構(gòu)成它的材料有關(guān)。 (2)表達(dá)式:R=ρ。 2.電阻率 (1)計(jì)算式:ρ=R。 (2)物理意義:反映導(dǎo)體的導(dǎo)電性能,是導(dǎo)體材料本身的屬性。 (3)電阻率與溫度的關(guān)系 金屬的電阻率隨溫度升高而增大,半導(dǎo)體的電阻率隨
5、溫度升高而減小。 三、電功率、焦耳定律 1.電功 (1)定義:導(dǎo)體中的自由電荷在電場力作用下定向移動(dòng),電場力做的功稱為電功。 (2)公式:W=qU=IUt。 (3)電流做功的實(shí)質(zhì):電能轉(zhuǎn)化成其他形式能的過程。 2.電功率 (1)定義:單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功,表示電流做功的快慢。 (2)公式:P==IU。 3.焦耳定律 (1)內(nèi)容:電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比,跟導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比。 (2)公式:Q=I2Rt。 4.熱功率 (1)定義:單位時(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量。 (2)表達(dá)式:P==I2R。 1.思考辨析(正確的畫“√”,錯(cuò)誤的畫“×”) (1
6、)由于規(guī)定正電荷定向移動(dòng)方向?yàn)殡娏鞣较?,所以電流是矢量?(×) (2)由R=知,導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體兩端電壓成正比,與流過導(dǎo)體的電流成反比。 (×) (3)由ρ=知,導(dǎo)體的電阻率與導(dǎo)體的電阻和橫截面積的乘積成正比,與導(dǎo)體的長度成反比。 (×) (4)公式W=t=I2Rt可適用于所有電路。 (×) (5)金屬的電阻率由導(dǎo)體本身的性質(zhì)決定,與溫度有關(guān)。 (√) (6)公式W=UIt適用于任何電路中求電功,Q=I2Rt適用于任何電路求電熱。 (√) 2.(人教版選修3-1P43T3改編)安培提出了著名的分子電流假說,根據(jù)這一假說,電子繞核運(yùn)動(dòng)可等效為一環(huán)形電流。設(shè)電荷量為e的電子以速率v繞
7、原子核沿順時(shí)針方向做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng),關(guān)于該環(huán)形電流的說法,正確的是( ) A.電流大小為,電流方向?yàn)轫槙r(shí)針 B.電流大小為,電流方向?yàn)轫槙r(shí)針 C.電流大小為,電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針 D.電流大小為,電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針 C [電子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期T=,由I=得I=,電流的方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反,故電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針。] 3.(人教版選修3-1P48T2改編)將四個(gè)定值電阻a,b,c,d分別接入電路,測得相應(yīng)的電流值、電壓值如圖所示。其中電阻最接近的兩個(gè)電阻是( ) A.a(chǎn)和b B.b和d C.a(chǎn)和c D.c和d [答案] A 4.(滬科版選修3-1P67T2改編)有
8、一根長1.22 m的導(dǎo)線,橫截面積為0.10 mm2。在它兩端加0.60 V電壓時(shí),通過它的電流正好是0.10 A。則這根導(dǎo)線是由________制成的(下表是常溫下幾種材料的電阻率,單位為Ω·m)( ) 銅 錳銅合金 鎳銅合金 鋁 1.7×10-8 4.4×10-7 5.0×10-7 2.9×10-8 A.銅絲 B.錳銅合金 C.鎳銅合金 D.鋁絲 C [由R=及R=ρ得ρ== Ω·m=4.9×10-7 Ω·m。所以導(dǎo)線是由鎳銅合金制成的。] 電流、歐姆定律 [依題組訓(xùn)練] 1.如圖所示,在1價(jià)離子的電解質(zhì)溶液內(nèi)插有兩根碳棒A和B作為電極,將它們接在直流
9、電源上,于是溶液里就有電流通過。若在t秒內(nèi),通過溶液內(nèi)截面S的正離子數(shù)為n1,通過的負(fù)離子數(shù)為n2,設(shè)基本電荷為e,則以下說法中正確的是( ) A.正離子定向移動(dòng)形成的電流方向從A→B,負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流方向從B→A B.溶液內(nèi)由于正、負(fù)離子移動(dòng)方向相反,溶液中的電流抵消,電流等于零 C.溶液內(nèi)的電流方向從A→B,電流I= D.溶液內(nèi)的電流方向從A→B,電流I= D [電荷的定向移動(dòng)形成電流,規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞣较?,由題圖所示可知,溶液中的正離子從A向B運(yùn)動(dòng),負(fù)離子由B向A移動(dòng),負(fù)電荷由B向A移動(dòng)相當(dāng)于正電荷由A向B移動(dòng),因此電流方向是A→B,帶電離子在溶液中
10、定向移動(dòng)形成電流,電流不為零,故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;溶液中電流方向是A→B,電流I==,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確。] 2.如圖所示,一根長為L、橫截面積為S的金屬棒,其材料的電阻率為ρ,棒內(nèi)單位體積內(nèi)自由電子數(shù)為n,電子的質(zhì)量為m、電荷量為e。在棒兩端加上恒定的電壓時(shí),棒內(nèi)產(chǎn)生電流,自由電子定向運(yùn)動(dòng)的平均速率為v,則金屬棒內(nèi)的電場強(qiáng)度大小為( ) A. B. C.ρnev D. C [由電流定義可知:I===neSv。由歐姆定律可得:U=IR=neSv·ρ=ρneLv,又E=,故E=ρnev,選項(xiàng)C正確。] 3.(多選)我國已經(jīng)于2012年10月1日起禁止銷售100 W及以上的白熾
11、燈,以后將逐步淘汰白熾燈。假設(shè)某同學(xué)研究白熾燈得到某白熾燈的伏安特性曲線如圖所示。圖象上A點(diǎn)與原點(diǎn)的連線與橫軸成α角,A點(diǎn)的切線與橫軸成β角,則( ) A.白熾燈的電阻隨電壓的增大而減小 B.在A點(diǎn),白熾燈的電阻可表示為tan β C.在A點(diǎn),白熾燈的電功率可表示為U0I0 D.在A點(diǎn),白熾燈的電阻可表示為 CD [白熾燈的電阻隨電壓的增大而增大,A錯(cuò)誤;在A點(diǎn),白熾燈的電阻可表示為,不能表示為tan β,選項(xiàng)B錯(cuò)誤,D正確;在A點(diǎn),白熾燈的功率可表示為U0I0,C正確。] 1.三個(gè)電流表達(dá)式的比較 公式 適用范圍 字母含義 公式含義 定義式 I= 一切
12、電路 q為時(shí)間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量 反映了I的大小,但不能說I∝q,I∝ 決定式 I= 金屬、電解液 U:導(dǎo)體兩端的電壓 R:導(dǎo)體本身的電阻 I由U、R決定,I∝U I∝ 微觀式 I=nqSv 一切電路 n:導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù) q:每個(gè)自由電荷的電荷量 S:導(dǎo)體橫截面積 v:電荷定向移動(dòng)速率 從微觀上看n、q、S、v決定了I的大小 2.伏安特性曲線的兩點(diǎn)注意 (1)I-U圖象叫作導(dǎo)體的伏安特性曲線,U-I圖象是元件兩端的電壓與流過它的電流之間的關(guān)系圖象。 (2)U-I(或I-U)圖象為曲線時(shí),圖線上某點(diǎn)與O點(diǎn)連線的斜率表示電阻(或電阻的倒數(shù))
13、,但圖線的斜率沒有實(shí)際意義。 電阻、電阻定律 [依題組訓(xùn)練] 1.電阻與電阻率的關(guān)系 2.電阻的決定式和定義式的比較 公式 R=ρ R= 區(qū)別 電阻的決定式 電阻的定義式 說明了導(dǎo)體的電阻由ρ、L、S共同決定 提供了一種測電阻的方法——伏安法,R與U、I均無關(guān) 只適用于粗細(xì)均勻的金屬導(dǎo)體和濃度均勻的電解液 適用于任何純電阻導(dǎo)體 [題組訓(xùn)練] 1.關(guān)于材料的電阻率,下列說法正確的是( ) A.把一根長導(dǎo)線截成等長的三段,則每段的電阻率都是原來的 B.材料的電阻率隨溫度的升高而增大 C.通常情況下純金屬的電阻率較合金的電阻率小 D.電阻率是反映
14、材料導(dǎo)電性能好壞的物理量,電阻率越大的導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大 C [材料的電阻率與長度無關(guān),A錯(cuò)誤;半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度升高而減小,B錯(cuò)誤;通常情況下純金屬的電阻率較合金的電阻率小,C正確;電阻率大的導(dǎo)體,電阻不一定大,D錯(cuò)誤。] 2.如圖所示,厚度均勻的矩形金屬薄片邊長ab=10 cm,bc=5 cm。當(dāng)將A與B接入電壓為U的電路中時(shí),電流為1 A;若將C與D接入同一電路中,則電流為( ) A.4 A B.2 A C. A D. A A [設(shè)沿A、B方向的橫截面積為S1,沿C、D方向的橫截面積為S2,則=,A、B接入電路中時(shí)的電阻為R1,C、D接入電路中時(shí)的電阻為R
15、2,則有==。兩種情況下電壓相等,電流之比為==,I2=4I1=4 A。故A正確。] 3.兩根完全相同的金屬裸導(dǎo)線,如果把其中的一根均勻拉長到原來的2倍,把另一根對(duì)折后絞合起來,然后給它們分別加上相同電壓后,則在相同時(shí)間內(nèi)通過它們的電荷量之比為( ) A.1∶4 B.1∶8 C.1∶16 D.16∶1 C [本題應(yīng)根據(jù)電阻定律R=ρ、歐姆定律I=和電流定義式I=求解。對(duì)于第一根導(dǎo)線,均勻拉長到原來的2倍后,則其橫截面積必然變?yōu)樵瓉淼?,由電阻定律可得其電阻變?yōu)樵瓉淼?倍,第二根導(dǎo)線對(duì)折后,長度變?yōu)樵瓉淼?,橫截面積變?yōu)樵瓉淼?倍,故其電阻變?yōu)樵瓉淼摹=o上述變化后的裸導(dǎo)線加上相同的電壓,由
16、歐姆定律得:I1=,I2==,由I=可知,在相同時(shí)間內(nèi),電荷量之比q1∶q2=I1∶I2=1∶16。] 導(dǎo)體變形時(shí)電阻變化分析方法 (1)導(dǎo)體的電阻率不變。 (2)導(dǎo)體的體積不變,由V=lS可知l與S成反比。 (3)在ρ、l、S都確定之后,應(yīng)用電阻定律R=ρ求解。 電功、電功率與電熱、熱功率 [講典例示法] 1.純電阻電路與非純電阻電路的比較 2.電動(dòng)機(jī)的三個(gè)功率及關(guān)系 輸入功率 電動(dòng)機(jī)的總功率P總=P入=UI 輸出功率 電動(dòng)機(jī)的有用功的功率,也叫機(jī)械功率 熱功率 電動(dòng)機(jī)線圈上有電阻,電流通過線圈時(shí)會(huì)發(fā)熱,熱功率P熱=I2r 三者關(guān)系 P總=P出+P
17、熱 效率 η=×100%=×100% 特別說明 ①正常工作的電動(dòng)機(jī)是非純電阻元件 ②電動(dòng)機(jī)因故障或其他原因不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),相當(dāng)于一個(gè)純電阻元件 [典例示法] 如圖所示是一提升重物用的直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電路圖。電動(dòng)機(jī)內(nèi)電阻r=0.8 Ω,電路中另一電阻R=10 Ω,直流電壓U=160 V,電壓表示數(shù)UV=110 V。試求: (1)通過電動(dòng)機(jī)的電流; (2)輸入電動(dòng)機(jī)的電功率; (3)若電動(dòng)機(jī)以v=1 m/s勻速豎直向上提升重物,求該重物的質(zhì)量。(g取10 m/s2) 思路點(diǎn)撥:解此題要注意以下幾點(diǎn): (1)電路結(jié)構(gòu)及電路中電壓的關(guān)系; (2)含電動(dòng)機(jī)電路為非純電阻電路,歐姆
18、定律不能適用; (3)區(qū)分電動(dòng)機(jī)的輸入功率和輸出功率。 [解析] (1)由電路中的電壓關(guān)系可得電阻R的分壓 UR=U-UV=(160-110) V=50 V, 流過電阻的電流IR== A=5 A, 即通過電動(dòng)機(jī)的電流IM=IR=5 A。 (2)電動(dòng)機(jī)的分壓UM=UV=110 V, 輸入電動(dòng)機(jī)的功率P電=IMUM=550 W。 (3)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率P熱=Ir=20 W, 電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率P出=P電-P熱=530 W, 又因P出=mgv,所以m==53 kg。 [答案] (1)5 A (2)550 W (3)53 kg [考法拓展1] 在上例中,若直流電壓不變,電動(dòng)機(jī)
19、正常工作過程中,轉(zhuǎn)子突然被卡死,電壓表的示數(shù)變?yōu)槎嗌伲? [解析] 轉(zhuǎn)子突然被卡死,電路變?yōu)榧冸娮桦娐罚? 根據(jù)歐姆定律I= UV=Ir 可得:UV=11.9 V。 [答案] 11.9 V [考法拓展2] 在上例中,若電動(dòng)機(jī)的輸出功率保持不變,將一質(zhì)量m=26.5 kg的重物從靜止開始向上吊起,15 s時(shí),重物已達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),此時(shí)重物上升的高度是多少?(g取10 m/s2) [解析] 重物勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),mg=F,P=Fv 又根據(jù)動(dòng)能定理Pt-mgh=mv2 可得:h=29.8 m。 [答案] 29.8 m 非純電阻電路的分析方法 (1)抓住兩個(gè)關(guān)鍵量:確定電動(dòng)機(jī)的電壓U
20、M和電流IM是解決這類問題的關(guān)鍵。若能求出UM、IM,就能確定電動(dòng)機(jī)的電功率P=UMIM,根據(jù)電流IM和電動(dòng)機(jī)的電阻r可求出熱功率Pr=Ir,最后求出輸出功率P出=P-Pr。 (2)首先,對(duì)其他純電阻電路、電源的內(nèi)電路,利用歐姆定律進(jìn)行分析計(jì)算,確定相應(yīng)的電壓或電流。 然后,利用閉合電路的電壓關(guān)系、電流關(guān)系間接確定非純電阻電路的工作電壓和電流。 [跟進(jìn)訓(xùn)練] 純電阻電路中功率的分析與計(jì)算 1.有兩個(gè)標(biāo)有“110 V,25 W”和“110 V,60 W”字樣的燈泡,要把它們接在220 V的電源上,燈泡既正常發(fā)光,又最省電的連接方式應(yīng)是圖中的( ) A B
21、 C D B [額定電壓相同而額定功率不相同的電燈,它們的電阻是不相同的,由P=U2/R可知,功率大的電燈的電阻比功率小的電燈的電阻小,也就是說60 W燈泡的電阻比25 W燈泡的電阻小,對(duì)于A,兩燈并聯(lián)后與一個(gè)滑動(dòng)變阻器串聯(lián),若滑動(dòng)變阻器的分得電壓與兩燈并聯(lián)后的電壓相等,兩燈能正常工作,整個(gè)電路消耗的電功率為P=2(P1+P2)=2×(25+60) W=170 W,有用電功率為85 W;對(duì)于B,若滑動(dòng)變阻器與25 W燈并聯(lián)后的總電阻與60 W燈的電阻相等,兩燈均能正常發(fā)光,此時(shí)電路中消耗的總電功率為P=2P2=2×60 W=120 W,有用電功率為85 W;對(duì)于C,因60 W燈的電阻
22、比25 W燈的電阻小,據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理知此時(shí)燈(110 V,25 W)電壓將大于110 V而被燒毀,所以C的電路不可能使兩燈正常工作;在D中,當(dāng)兩個(gè)滑動(dòng)變阻器與其串聯(lián)的燈泡電阻分別相等時(shí),兩燈均能正常發(fā)光,電路消耗的總功率為170 W,有用的電功率為85 W,綜上所述,只有B選項(xiàng)符合題意。] 非純電阻電路中功率的分析與計(jì)算 2.(多選)如圖所示,電源電動(dòng)勢E=3 V,小燈泡L的規(guī)格為“2 V 0.4 W”,開關(guān)S接1,當(dāng)滑動(dòng)變阻器調(diào)到R=4 Ω時(shí),小燈泡L正常發(fā)光,現(xiàn)將開關(guān)S接2,小燈泡L和電動(dòng)機(jī)M均正常工作。則( ) A.電源內(nèi)阻為1 Ω B.電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻為4 Ω C.
23、電動(dòng)機(jī)正常工作電壓為1 V D.電源效率約為93.3% AD [小燈泡正常工作時(shí)的電阻RL==10 Ω,流過小燈泡的電流I==0.2 A,當(dāng)開關(guān)S接1時(shí),R總==15 Ω,電源內(nèi)阻r=R總-R-RL=1 Ω,A正確;當(dāng)開關(guān)S接2時(shí),電動(dòng)機(jī)M兩端的電壓UM=E-Ir-U=0.8 V,電源效率η=×100%=×100%≈93.3%,D正確。] STSE中的電功、電功率問題 3.如圖為一種服務(wù)型機(jī)器人,其額定功率為48 W,額定工作電壓為24 V。機(jī)器人的鋰電池容量為20 A·h。則機(jī)器人( ) A.額定工作電流為20 A B.充滿電后最長工作時(shí)間為2 h C.電池充滿電后總電
24、量為7.2×104 C D.以額定電流工作時(shí)每秒消耗能量為20 J C [根據(jù)P=UI可知,額定電流應(yīng)該為2 A,選項(xiàng)A錯(cuò)誤。電池的容量為20 A·h,即在額定電流2 A下工作時(shí),能夠工作的最長時(shí)間為10 h,選項(xiàng)B錯(cuò)誤。電池充滿電后的總電量為Q=It=20×3 600 C=7.2×104 C,選項(xiàng)C正確。在額定電流下,機(jī)器人的功率為48 W,即每秒消耗能量48 J,選D錯(cuò)誤。] 4.(多選)下表列出了某品牌電動(dòng)自行車及所用電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù),不計(jì)其自身機(jī)械損耗。若該車在額定狀態(tài)下以最大運(yùn)行速度行駛,則( ) 自重 40 kg 額定電壓 48 V 載重 75 kg 額定電流 12 A 最大行駛速度 20 km/h 額定輸出功率 350 W A.電動(dòng)機(jī)的輸入功率為576 W B.電動(dòng)機(jī)的內(nèi)電阻為4 Ω C.該車獲得的牽引力為104 N D.該車受到的阻力為63 N AD [由于U=48 V,I=12 A,則P=IU=576 W,故選項(xiàng)A正確;因P入=P出+I(xiàn)2r,r== Ω=1.57 Ω,故選項(xiàng)B錯(cuò)誤;由P出=Fv=Ffv,F(xiàn)=Ff=63 N,故選項(xiàng)C錯(cuò)誤,D正確。] 12
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