第九部分 稳恒电流

第一讲 基本知识介绍

第八部分《稳恒电流》包括两大块：一是“恒定电流”，二是“物质的导电性”。前者是对于电路的外部计算，后者则是深入微观空间，去解释电流的成因和比较不同种类的物质导电的情形有什么区别。

应该说，第一块的知识和高考考纲对应得比较好，深化的部分是对复杂电路的计算（引入了一些新的处理手段）。第二块虽是全新的内容，但近几年的考试已经很少涉及，以至于很多奥赛培训资料都把它删掉了。鉴于在奥赛考纲中这部分内容还保留着，我们还是想粗略地介绍一下。

一、欧姆定律

1、电阻定律

a、电阻定律 R = ρ

b、金属的电阻率 ρ = ρ₀（1 + αt）

2、欧姆定律

a、外电路欧姆定律 U = IR ，顺着电流方向电势降落

b、含源电路欧姆定律

在如图8-1所示的含源电路中，从A点到B点，遵照原则：①遇电阻，顺电流方向电势降落（逆电流方向电势升高）②遇电源，正极到负极电势降落，负极到正极电势升高（与电流方向无关），可以得到以下关系

U_A ? IR ? ε ? Ir = U_B 

这就是含源电路欧姆定律。

c、闭合电路欧姆定律

在图8-1中，若将A、B两点短接，则电流方向只可能向左，含源电路欧姆定律成为

U_A + IR ? ε + Ir = U_B = U_A

即 ε = IR + Ir ，或 I = 

这就是闭合电路欧姆定律。值得注意的的是：①对于复杂电路，“干路电流I”不能做绝对的理解（任何要考察的一条路均可视为干路）；②电源的概念也是相对的，它可以是多个电源的串、并联，也可以是电源和电阻组成的系统；③外电阻R可以是多个电阻的串、并联或混联，但不能包含电源。

二、复杂电路的计算

1、戴维南定理：一个由独立源、线性电阻、线性受控源组成的二端网络，可以用一个电压源和电阻串联的二端网络来等效。（事实上，也可等效为“电流源和电阻并联的的二端网络”——这就成了诺顿定理。）

应用方法：其等效电路的电压源的电动势等于网络的开路电压，其串联电阻等于从端钮看进去该网络中所有独立源为零值时的等效电阻。

2、基尔霍夫（克希科夫）定律

a、基尔霍夫第一定律：在任一时刻流入电路中某一分节点的电流强度的总和，等于从该点流出的电流强度的总和。

例如，在图8-2中，针对节点P ，有

I₂ + I₃ = I₁ 

基尔霍夫第一定律也被称为“节点电流定律”，它是电荷受恒定律在电路中的具体体现。

对于基尔霍夫第一定律的理解，近来已经拓展为：流入电路中某一“包容块”的电流强度的总和，等于从该“包容块”流出的电流强度的总和。

b、基尔霍夫第二定律：在电路中任取一闭合回路，并规定正的绕行方向，其中电动势的代数和，等于各部分电阻（在交流电路中为阻抗）与电流强度乘积的代数和。

例如，在图8-2中，针对闭合回路① ，有

ε₃ ? ε₂ = I₃ ( r₃ + R₂ + r₂ ) ? I₂R₂ 

基尔霍夫第二定律事实上是含源部分电路欧姆定律的变体（☆同学们可以列方程 U_P = … = U_P得到和上面完全相同的式子）。

3、Y?Δ变换

在难以看清串、并联关系的电路中，进行“Y型?Δ型”的相互转换常常是必要的。在图8-3所示的电路中

☆同学们可以证明Δ→ Y的结论…

R_c = 

R_b = 

R_a = 

Y→Δ的变换稍稍复杂一些，但我们仍然可以得到

R₁ = 

R₂ = 

R₃ = 

三、电功和电功率

1、电源

使其他形式的能量转变为电能的装置。如发电机、电池等。发电机是将机械能转变为电能；干电池、蓄电池是将化学能转变为电能；光电池是将光能转变为电能；原子电池是将原子核放射能转变为电能；在电子设备中，有时也把变换电能形式的装置，如整流器等，作为电源看待。

电源电动势定义为电源的开路电压，内阻则定义为没有电动势时电路通过电源所遇到的电阻。据此不难推出相同电源串联、并联，甚至不同电源串联、并联的时的电动势和内阻的值。

例如，电动势、内阻分别为ε₁ 、r₁和ε₂ 、r₂的电源并联，构成的新电源的电动势ε和内阻r分别为（☆师生共同推导…）

ε = 

r = 

2、电功、电功率

电流通过电路时，电场力对电荷作的功叫做电功W。单位时间内电场力所作的功叫做电功率P 。

计算时，只有W = UIt和P = UI是完全没有条件的，对于不含源的纯电阻，电功和焦耳热重合，电功率则和热功率重合，有W = I²Rt = t和P = I²R = 。

对非纯电阻电路，电功和电热的关系依据能量守恒定律求解。 

四、物质的导电性

在不同的物质中，电荷定向移动形成电流的规律并不是完全相同的。

1、金属中的电流

即通常所谓的不含源纯电阻中的电流，规律遵从“外电路欧姆定律”。

2、液体导电

能够导电的液体叫电解液（不包括液态金属）。电解液中离解出的正负离子导电是液体导电的特点（如：硫酸铜分子在通常情况下是电中性的，但它在溶液里受水分子的作用就会离解成铜离子Cu²⁺和硫酸根离子S，它们在电场力的作用下定向移动形成电流）。

在电解液中加电场时，在两个电极上（或电极旁）同时产生化学反应的过程叫作“电解”。电解的结果是在两个极板上（或电极旁）生成新的物质。

液体导电遵从法拉第电解定律——

法拉第电解第一定律：电解时在电极上析出或溶解的物质的质量和电流强度、跟通电时间成正比。表达式：m = kIt ＝ KQ （式中Q为析出质量为m的物质所需要的电量；K为电化当量，电化当量的数值随着被析出的物质种类而不同，某种物质的电化当量在数值上等于通过1C电量时析出的该种物质的质量，其单位为kg/C。）

法拉第电解第二定律：物质的电化当量K和它的化学当量成正比。某种物质的化学当量是该物质的摩尔质量M（克原子量）和它的化合价n的比值，即 K =  ，而F为法拉第常数，对任何物质都相同，F = 9.65×10⁴C/mol 。

将两个定律联立可得：m = Q 。

3、气体导电

气体导电是很不容易的，它的前提是气体中必须出现可以定向移动的离子或电子。按照“载流子”出现方式的不同，可以把气体放电分为两大类——

a、被激放电

在地面放射性元素的辐照以及紫外线和宇宙射线等的作用下，会有少量气体分子或原子被电离，或在有些灯管内，通电的灯丝也会发射电子，这些“载流子”均会在电场力作用下产生定向移动形成电流。这种情况下的电流一般比较微弱，且遵从欧姆定律。典型的被激放电情形有

b、自激放电

但是，当电场足够强，电子动能足够大，它们和中性气体相碰撞时，可以使中性分子电离，即所谓碰撞电离。同时，在正离子向阴极运动时，由于以很大的速度撞到阴极上，还可能从阴极表面上打出电子来，这种现象称为二次电子发射。碰撞电离和二次电子发射使气体中在很短的时间内出现了大量的电子和正离子，电流亦迅速增大。这种现象被称为自激放电。自激放电不遵从欧姆定律。

常见的自激放电有四大类：辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电。

4、超导现象

据金属电阻率和温度的关系，电阻率会随着温度的降低和降低。当电阻率降为零时，称为超导现象。电阻率为零时对应的温度称为临界温度。超导现象首先是荷兰物理学家昂尼斯发现的。

超导的应用前景是显而易见且相当广阔的。但由于一般金属的临界温度一般都非常低，故产业化的价值不大，为了解决这个矛盾，科学家们致力于寻找或合成临界温度比较切合实际的材料就成了当今前沿科技的一个热门领域。当前人们的研究主要是集中在合成材料方面，临界温度已经超过100K，当然，这个温度距产业化的期望值还很远。

5、半导体

半导体的电阻率界于导体和绝缘体之间，且ρ

（1）（6分）甲乙两个同学共同做“验证牛顿第二定律”的实验，装置如图所示。

①两位同学用砝码盘（连同砝码）的重力作为小车受到的合力，需要平衡桌面的摩擦力对小车运动的影响，将长木板的一端适当垫高，在不挂砝码盘的情况下，轻推小车，能使小车做_______________运动。另外，还应满足砝码盘（连同砝码）的质量m             小车的质量M。（填“远小于”、“远大于”或“近似等于”）接下来，甲同学在保持小车质量不变的条件下，研究加速度与合力的关系；乙同学在保持合力不变的条件下，研究小车的加速度与质量的关系。
②甲同学通过对小车所牵引纸带的测量，就能得出小车的加速度a。图2是某次实验所打出的一条纸带，在纸带上标出了5个计数点，在相邻的两个计数点之间还有4个点未标出，图中数据的单位是cm。

实验中使用的电源是频率f=50Hz的交变电流。根据以上数据，可以算出小车的加速度a=           m/s²。（结果保留三位有效数字）
（2）（12分）小明利用实验室提供的器材测量某种电阻丝材料的电阻率，所用电阻丝的电阻约为20Ω。他首先把电阻丝拉直后将其两端固定在刻度尺两端的接线柱a和b上，在电阻丝上夹上一个与接线柱c相连的小金属夹，沿电阻丝移动金属夹，可改变其与电阻丝接触点P的位置，从而改变接入电路中电阻丝的长度。可供选择的器材还有：
电池组E（电动势为3.0V，内阻约1Ω）；
电流表A₁（量程0～100mA，内阻约5W）；
电流表A₂（量程0～0.6A，内阻约0.2Ω）；
电阻箱R（0～999.9W）；
开关、导线若干。
小明的实验操作步骤如下：

（1）（6分）甲乙两个同学共同做“验证牛顿第二定律”的实验，装置如图所示。

①两位同学用砝码盘（连同砝码）的重力作为小车受到的合力，需要平衡桌面的摩擦力对小车运动的影响，将长木板的一端适当垫高，在不挂砝码盘的情况下，轻推小车，能使小车做_______________运动。另外，还应满足砝码盘（连同砝码）的质量m              小车的质量M。（填“远小于”、“远大于”或“近似等于”）接下来，甲同学在保持小车质量不变的条件下，研究加速度与合力的关系；乙同学在保持合力不变的条件下，研究小车的加速度与质量的关系。

②甲同学通过对小车所牵引纸带的测量，就能得出小车的加速度a。图2是某次实验所打出的一条纸带，在纸带上标出了5个计数点，在相邻的两个计数点之间还有4个点未标出，图中数据的单位是cm。

实验中使用的电源是频率f=50Hz的交变电流。根据以上数据，可以算出小车的加速度a=            m/s²。（结果保留三位有效数字）

（2）（12分）小明利用实验室提供的器材测量某种电阻丝材料的电阻率，所用电阻丝的电阻约为20Ω。他首先把电阻丝拉直后将其两端固定在刻度尺两端的接线柱a和b上，在电阻丝上夹上一个与接线柱c相连的小金属夹，沿电阻丝移动金属夹，可改变其与电阻丝接触点P的位置，从而改变接入电路中电阻丝的长度。可供选择的器材还有：

电池组E（电动势为3.0V，内阻约1Ω）；

电流表A₁（量程0～100mA，内阻约5W）；

电流表A₂（量程0～0.6A，内阻约0.2Ω）；

电阻箱R（0～999.9W）；

开关、导线若干。

小明的实验操作步骤如下：

A．用螺旋测微器在电阻丝上三个不同的位置分别测量电阻丝的直径d；

B．根据所提供的实验器材，设计并连接好如图甲所示的实验电路；

C．调节电阻箱使其接入电路中的电阻值较大，闭合开关；

D．将金属夹夹在电阻丝上某位置，调整电阻箱接入电路中的电阻值，使电流表满偏，记录电阻箱的电阻值R和接入电路的电阻丝长度L；

E．改变金属夹与电阻丝接触点的位置，调整电阻箱接入电路中的阻值，使电流表再次满偏。重复多次，记录每一次电阻箱的电阻值R和接入电路的电阻丝长度L。

F．断开开关。

①小明某次用螺旋测微器测量电阻丝直径时其示数如图乙所示，则这次测量中该电阻丝直径的测量值d=____________ mm；

②实验中电流表应选择_____________（选填“A₁”或“A₂”）；

③小明用记录的多组电阻箱的电阻值R和对应的接入电路中电阻丝长度L的数据，绘出了如图丙所示的R-L关系图线，图线在R轴的截距为R₀，在L轴的截距为L₀，再结合测出的电阻丝直径d，可求出这种电阻丝材料的电阻率r=____________（用给定的物理量符号和已知常数表示）。

④若在本实验中的操作、读数及计算均正确无误，那么由于电流表内阻的存在，对电阻率的测量结果是否会产生影响？若有影响，请说明测量结果将偏大还是偏小。（不要求分析的过程，只回答出分析结果即可）

答：                      。

（2013·北京石景山一模）（18分）（1）某同学在“用单摆测定重力加速度”的实验中，通过测量单摆摆长L，利用秒表记录该单摆50次全振动所用的时间并求出周期T，根据单摆周期公式计算出重力加速度g。

　　　 ①如果该同学用秒表记录的时间如图所示，则秒表的示数为　　 s；

　　　 ②如果该同学测得的g值偏大，可能的原因是

　 A．测摆线长时摆线拉得过紧

　 B．开始计时时，秒表按下稍晚

　 C．实验中将51次全振动误记为50次

　 D．摆线上端未牢固地系于悬点，振动中出现松动，使摆线长度增加了

　　　 ③如果某同学在实验时，用的摆球质量分布不均匀，无法确定其重心位置。他第一次量得悬线长为L₁（不计摆球半径），测得周期为T₁：第二次量得悬线长为L₂，测得周期为T₂。根据上述数据，可求得g值为

　 （2）在“用油膜法估测分子的大小”的实验中，已知滴入水中的油酸溶液中所含的纯油酸的体积为4.0×l0^-6mL，将玻璃板放在浅盘上描出油膜轮廓，再将玻璃板放在边长为l.0cm的方格纸上，所看到的图形如右图所示。则该油膜的面积约为　 cm²（保留两位有效数字）。由此可估算出油酸分子的直径约为____cm（保留一位有效数字）。

（3）下列说法正确的是

　　　 A．“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中滑动变阻器需要用限流式接法

　　　 B．“测定金属的电阻率”实验中由于待测金属丝的电阻较小，电流表一定用内接法

　　　 C．“测定电源的电动势和内电阻”实验中为了使电压表示数变化明显，宜选用旧的干电池做待测电源

　　　 D．“将电流表改装为电压表”实验的校准电路中滑动变阻器需要用分压式接法