1.電源和電流；2.導體的電阻；3.實驗：導體電阻率的測量；4.串聯(lián)電路和并聯(lián)電路；5.實驗：練習使用多用電表

1. 電源和電流

（1）電源(power source)

定義：能把電子在電源內(nèi)部從電源正極搬運到負極的裝置。

(資料圖)

作用：移送電荷，維持電源正、負極間有一定的電勢差，保持電路中有持續(xù)電流。

（2）恒定電流(steady current)

恒定電場(steady electric field)：由穩(wěn)定分布的電荷所產(chǎn)生的穩(wěn)定的電場。

恒定電場的形成：當電路達到穩(wěn)定時，導線中的電場是由電源、導線等電路元件所積累的電荷共同形成的。

恒定電場的特何位置的電荷分布和電場分布都不隨時間變化，其基本性質(zhì)與靜電場相同。

【恒定電流】

定義：大小、方向都不隨時間變化的電流稱為恒定電流，電流的強弱程度用電流這個物理量表示。

公式：，I表示電流大小，q表示在時間t內(nèi)通過導體橫截面的電荷量。該式是電流的定義式，計算出的 電流是時間t內(nèi)的平均值。對于恒定電流，電流的瞬時值與平均值相等。

單位：安培，簡稱安，符號為A；常見的電流單位還有毫安(mA)、微安(μA)。。

電流的方向：規(guī)定正電荷定向移動的方向為電流的方向，則負電荷定向移動的方向與電流的方向相反。

電流是標量：雖然有方向，但它是標量，它遵循代數(shù)運算法則。

【電流的微觀表示式】

電流的微觀表示式：。n為導體單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)，q為每個自由電荷的電荷量，S為導體的橫截面積，v為自由電荷沿導體定向移動的速率。

是電流的 定義式，是電流的決定式，因此與通過導體橫截面的電荷量及時間無關(guān)，從微觀上看，電流決定于導體中單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)、每個自由電荷的電荷量大小、定向移動的速率，還與導體的橫截面積有關(guān)。

v表示電荷定向移動的速率。自由電荷在不停地做無規(guī)則的熱運動，其速率為熱運動的速率，電流是自由電荷在熱運動的基礎上向某一方向定向移動形成的。

【三種速率的對比】

電子定向移動速率：中的，大小約為。

電流的傳導速率：就是導體中建立電場的速率，等于光速，為?。閉合開關(guān)的瞬間，電路中各處以光速建立恒定電場，電路中各處的自由電子幾乎同時定向移動，整個電路也幾乎同時形成了電流。

電子熱運動速率：電子做無規(guī)則熱運動的速率，大小約為。由于熱運動向各個方向運動的機會相等，故此運動不能形成電流。

2. 導體的電阻

（1）電阻(resistance)

概念：導體兩端的電壓與通過導體的電流大小之比。

定義式：。

單位：歐姆()，常用的單位還有：千歐()、兆歐()，且。

物理意義：反映導體對電流阻礙作用的大小。對給定的導體，它的電阻是一定的，與導體兩端是否加電壓，導體中是否有電流無關(guān)。導體U-I圖像的斜率反映電阻大小。

歐姆定律：。表示通過導體的電流I與電壓U成正比，與電阻R成反比。適用于金屬或電解質(zhì)溶液導電(純電阻電路)。

（2）影響導體電阻的因素

影響導體電阻的因素：導體的長度、橫截面積、材料有關(guān)。可以采用控制變量法進行實驗探究。

（3）導體的電阻率

電阻定律：同種材料的導體，其電阻R與它的長l成正比，與它的橫截面積S成反比；導體電阻還與構(gòu)成它的材料有關(guān)。

公式：，式中是比例系數(shù)，稱為這種材料的電阻率。

電阻率是反映導體導電性能的物理量，是導體材料本身的屬性，與導體的形狀、大小無關(guān)。單位是歐姆·米，符號。

（4）電阻率與溫度的關(guān)系及應用

①金屬的電阻率隨溫度的升高而增大，可用于制作電阻溫度計。

②大部分半導體的電阻率隨溫度的升高而減小，半導體的電阻率隨溫度的變化較大，可用于制作熱敏電阻。

③有些合金，電阻率幾乎不受溫度變化的影響，常用來制作標準電阻。

④一些導體在溫度特別低時電阻率可以降到零，這個現(xiàn)象叫作超導現(xiàn)象。

【和的區(qū)別與聯(lián)系】

（5）導體的伏安特性曲線

伏安特性曲線：用縱坐標表示電流I，用橫坐標表示電壓U，這樣畫出的導體的I-U圖像叫作導體的伏安特性曲線。

【線性元件和非線性元件】

①線性元件：伏安特性曲線是一條過原點的直線、歐姆定律適用的元件，如金屬導體、電解質(zhì)溶液。

②非線性元件：伏安特性曲線是一條曲線(如圖1)、歐姆定律不適用的元件，如氣態(tài)導體(日光燈、霓虹燈管中的氣體)和半導體元件。

注意：I-U圖像是曲線時，根據(jù)公式，電阻等于圖線上點與坐標原點之間連線的斜率的倒數(shù)，而不是該點切線斜率的倒數(shù)。

3. 實驗：導體電阻率的測量

（1）實驗1：長度的測量及測量工具的選用

【游標卡尺】

構(gòu)造：主尺、游標尺(主尺和游標尺上各有一個內(nèi)、外測量爪)、游標卡尺上還有一個深度尺，如下圖所示。

用途：測量厚度、長度、深度、內(nèi)徑、外徑。

原理：利用主尺的單位刻度(1mm)與游標尺的單位刻度之間固定的差值來制成。

常用的游標卡尺有10分度、20分度和50分度三種，如下表。

使用方法：先讀出主尺上的整毫米數(shù)a，再從游標尺上讀出與主尺某一刻度線對齊的游標的格數(shù)n，則結(jié)果為：a+n×精確度 mm。以下圖為例，最后結(jié)果為23+7×0.1=23.7mm。

【螺旋測微器(千分尺)】

構(gòu)造：測砧、測微螺桿、尺架、鎖緊裝置、微調(diào)旋鈕，如下圖所示。

原理：精密螺紋的螺距是0.5 mm，即旋鈕D每轉(zhuǎn)一周，測微螺桿F前進或后退0.5 mm，可動刻度分成50等份，因此每旋轉(zhuǎn)一格，對應測微螺桿F前進或后退0.01mm。0.01mm即為螺旋測微器的精確度。

使用方法：先使A與F接觸，可動刻度E的零點恰好跟固定刻度B的零點重合，逆時針旋轉(zhuǎn)旋鈕D，將測微螺桿F旋出，把被測物體放入A、F之間，再順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕D，當F快要接觸被測物時，要停止使用旋鈕D，改用微調(diào)旋鈕D′，聽到“喀喀”聲時停止，然后讀數(shù)。

讀數(shù)：先讀取固定刻度B上的刻度a，再讀取E上的刻度n，考慮到每一個對應0.01mm，可以得到結(jié)果為a+n×0.01 mm，即L＝固定刻度示數(shù)＋可動刻度示數(shù)(估讀一位)×分度值。以下圖為例，其結(jié)果為：6.5+22.5×0.01=6.725mm。

注意：讀數(shù)時要準確到0.01 mm，估讀到0.001 mm，測量結(jié)果若用毫米做單位，則小數(shù)點后面必須保留三位；注意固定刻度上半毫米刻度線是否露出。

【電壓表、電流表的讀數(shù)】

①確定電表量程，即指針指到最大刻度時電表允許通過的最大電壓或電流值。

②根據(jù)表盤總的刻度數(shù)確定精確度，即每一小格表示的值，同時確定讀數(shù)有效數(shù)字所在的位數(shù)。

③按照指針的實際位置進行讀數(shù)。

0～3 V的電壓表和0～3 A的電流表讀數(shù)方法相同，此量程下的精確度是0.1 V和0.1 A，讀到0.1的下一位，即讀到小數(shù)點后面兩位。

0～15 V量程的電壓表，精確度是0.5 V，在讀數(shù)時只要求讀到小數(shù)點后面一位，即讀到0.1 V。

0～0.6 A量程的電流表，精確度是0.02 A，在讀數(shù)時只要求讀到小數(shù)點后面兩位，這時要求“半格估讀”，即讀到最小刻度的一半0.01 A。

兩種電表對應兩種量程以下圖舉例，對應結(jié)果為

0～0.6 A量程的電流表：0.44 A；0～3 A量程的電流表：2.20 A。

0～3 V量程的電壓表：1.70 V； ? 0～15 V量程的電壓表：8.5 V。

（2）實驗2：金屬絲電阻率的測量

【實驗原理】

①按照如下電路將金屬絲接入電路中，用伏安法測金屬絲的電阻。

②用毫米刻度尺測出金屬絲的有效長度l，用螺旋測微器測出金屬絲的直徑d，算出橫截面積。

③由電阻定律，得到電阻。

【實驗器材】

螺旋測微器或游標卡尺、毫米刻度尺、電壓表、電流表、開關(guān)及導線、待測金屬絲、電池、滑動變阻器。

【實驗步驟】

①測金屬絲的直徑：用螺旋測微器在待測金屬絲上三個不同位置各測一次直徑并記錄。

②連接電路：按如圖7所示的電路圖連接實驗電路。

③測量金屬絲的有效長度：用毫米刻度尺測量接入電路中的待測金屬絲的有效長度，重復測量3次并記錄。

④求解電阻：把滑動變阻器的滑動觸頭調(diào)節(jié)到使接入電路中的電阻值最大的位置，電路經(jīng)檢查確認無誤后，閉合開關(guān)S。改變滑動變阻器滑動觸頭的位置，讀出幾組相應的電流表、電壓表的示數(shù)I和U的值，記入表格內(nèi)，斷開開關(guān)S。

⑤拆除實驗電路，整理好實驗器材。

【實驗數(shù)據(jù)處理】

計算法：利用每次測量的U、I值分別計算出電阻，再求出電阻的平均值作為測量結(jié)果。

圖像法：可建立U-I坐標系，將測量的U、I值描點作出圖像，利用圖像的斜率來求出電阻值R。

【注意事項】

①一般金屬絲電阻較小，為了減小實驗的系統(tǒng)誤差，必須選擇電流表外接法；

②測量l時應測接入電路的金屬絲的有效長度(即兩接線柱之間的長度，且金屬絲伸直)；在金屬絲的3個不同位置上用螺旋測微器測量直徑d；

(3)電流不宜過大(電流表用0～0.6 A量程)，通電時間不宜太長，以免電阻率因溫度升高而變化。

4. 串聯(lián)電路和并聯(lián)電路

串聯(lián)電路：把幾個導體或用電器依次首尾連接，接入電路的連接方式，如圖8甲所示。

并聯(lián)電路：把幾個導體或用電器的一端連在一起，另一端也連在一起，再將兩端接入電路的連接方式，如圖8乙所示。

（1）串、并聯(lián)電路的特點

串聯(lián)電路中的電壓分配：串聯(lián)電路中各電阻兩端的電壓跟它們的阻值成正比，即。

并聯(lián)電路中的電流分配：并聯(lián)電路中通過各支路電阻的電流跟它們的阻值成反比，即。

【串、并聯(lián)電路中的電阻】

滑動變阻器的兩種接法：分壓式、限流式。

（2）電壓表和電流表的電路結(jié)構(gòu)

常用電壓表和電流表由表頭(小量程電流表)改裝而成。

【表頭G的三個參量】

電流表的內(nèi)阻：表頭的電阻叫作電流表的內(nèi)阻。

滿偏電流：指針偏到最大刻度時的電流叫作滿偏電流。

滿偏電壓：表頭通過滿偏電流時，加在它兩端的電壓叫作滿偏電壓。

【電表改裝原理】

①電壓表改裝：將表頭與一個較大的電阻串聯(lián)，如下圖

②電流表改裝：將表頭與一個較小的電阻并聯(lián)，如下圖

③電表改裝及其特點

【電流表的內(nèi)接法和外接法】

①兩種接法比較

②電流表內(nèi)、外接法的選擇

直接比較法

當時，采用內(nèi)接法，當時，采用外接法?？捎谩按髢?nèi)偏大、小外偏小”來輔助記憶。對應解釋為：大電阻用內(nèi)接法，得到的電阻阻值會大于電阻的實際值；小電阻用外接法，得到電阻阻值會小于電阻的實際值。

公式計算法

當，即時，用電流表內(nèi)接法；當，即當時，用電流表外接法；當時，兩種接法效果相同。

試觸法

如下圖，把電壓表的可動接線端分別試接b、c兩點，觀察兩電表的示數(shù)變化，若電流表的示數(shù)變化明顯，說明電壓表的分流作用對電路影響大，應選用內(nèi)接法，若電壓表的示數(shù)有明顯變化，說明電流表的分壓作用對電路影響大，所以應選外接法。

5. 實驗：練習使用多用電表

（1）認識多用電表

多用電表可以用來測量直流電流、直流電壓、交變電流、交變電壓以及電阻。

構(gòu)造如下圖

表的上半部分為表盤，標有電壓、電流和電阻的刻度線，用于讀取這些電學量的測量；表中央的指針定位螺絲用于使指針指到零刻度；表下半部分中間的旋鈕是選擇開關(guān)，周圍標有測量功能的區(qū)域及量程。

（2）使用多用電表

【測電壓】

①選擇直流電壓擋合適的量程，并將選擇開關(guān)旋至相應位置。

②將多用電表并聯(lián)在待測電路兩端，注意紅表筆接觸點的電勢應比黑表筆接觸點的電勢高。

③根據(jù)表盤上的直流電壓刻度讀出電壓值，讀數(shù)時注意最小刻度所表示的電壓值。

【測電流】

①選擇直流電流擋合適的量程，并將選擇開關(guān)旋至相應位置。

②將被測電路導線拆開一端，把多用電表串聯(lián)在電路中。

③讀數(shù)時，要認清刻度盤上的最小刻度。

注意：電流應從紅表筆流入多用電表。

【測電阻】

①將選擇開關(guān)旋至歐姆擋，此時表內(nèi)電源接通，紅表筆連接表內(nèi)電源的負極，黑表筆連接表內(nèi)電源的正極．電流從歐姆表的黑表筆流出，經(jīng)過被測電阻，從紅表筆流入。

②測量步驟：

選擋：估計待測電阻的大小，旋轉(zhuǎn)選擇開關(guān)，使其尖端對準歐姆擋的合適擋位。

歐姆調(diào)零：將紅、黑表筆短接，調(diào)整“歐姆調(diào)零旋鈕”，使指針指向“0 Ω”。

測量、讀數(shù)：將兩表筆分別與待測電阻的兩端接觸，指針示數(shù)乘以倍率即為待測電阻阻值。

實驗完畢，應將選擇開關(guān)置于“OFF”擋或交流電壓最高擋。

注意：測電阻必須把待測電阻隔離；牢記兩個調(diào)零過程，切記換擋需進行歐姆調(diào)零；合理選擇量程，使指針盡可能指在中間刻度附近；讀數(shù)時應乘以相應的倍率；歐姆表的表盤刻度不均勻，一般不估讀。

【使用多用電表的注意事項】

①使用前要機械調(diào)零；②電流都是從紅表筆流入，從黑表筆流出；③電壓、電流的讀數(shù)要看清選擇開關(guān)所選擇的量程，搞清楚每一小格表示多少，及應讀到的有效數(shù)字位數(shù)。

（3）多用電表檢查電路故障

【故障種類及特點】

電路故障一般有兩種情況，即短路和斷路．

短路的特點：電路中有電流，但短路部分電壓為零；被短路的用電器不工作，與之串聯(lián)的用電器工作電流增大。

斷路的特點：在電源正常的情況下，斷路部分電流為零，但斷路處有電壓，若干路斷路則斷路處電壓等于電源電壓。

【分析與檢測方法】

①電壓表檢測法

若電路斷路，將電壓表與電源并聯(lián)，若有電壓說明電源完好，然后將電壓表逐段與電路并聯(lián)，若某一段電壓表指針偏轉(zhuǎn)，說明該段電路中有斷點。若電路短路，則用電壓表逐段與電路并聯(lián)，某一段電壓表示數(shù)為零，則該段被短路。

②歐姆表檢測法

斷開電路，用多用電表的歐姆擋測量待測部分的電阻，若檢測部分示數(shù)正常，說明兩點間電路正常；若檢測部分電阻很小(幾乎為零)，說明該部分短路；若檢測部分指針幾乎不動，說明該部分有斷路。

（4）用多用電表測二極管的電阻

二極管由半導體材料制成，如下圖所示，左端為正極，右端為負極。

特點：電流從正極流入時電阻很小，而從正極流出時電阻很大。

測二極管正向電阻：將多用電表的選擇開關(guān)選至低倍率的歐姆擋，歐姆調(diào)零之后將黑表筆接觸二極管的正極，紅表筆接觸二極管的負極。

測二極管反向電阻：將多用電表的選擇開關(guān)選至高倍率的歐姆擋，歐姆調(diào)零之后將黑表筆接觸二極管的負極，紅表筆接觸二極管的正極。

本章思維導圖

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