1、第十二章 电路及其应用 A 串并联组合电路的应用第十二章 A串并联组合电路的应用（电流、电阻、电功、电功率和焦耳定律） 【教学目标】 复习电流、电压、电阻、欧姆定律等初中已学过的内容；能够应用串、并联电路的规律和特点解决简单的混联问题。 知道超导现象，了解导体电阻的大小与那些因素有关。 理解电功、电功率的概念，公式的物理意义。 知道非纯电阻电路中电能与其他形式能转化关系，电功大于电热。 能运用能量转化与守恒的观点解决简单的含电动机的非纯电阻电路问题。【课 时】2课时【重点难点】串并联组合电路复习部分：重点：串、并联电路的规律和特点。难点：应用电路的知识进行电路分析和计算。电功、电功率和焦耳定律
2、部分：重点：区别并掌握电功和电热的计算。难点：学生对电路中的能量转化关系缺乏感性认识，接受起来比较困难。【教学过程】情景引入：伏打与电池的发明1780年，著名医生伽伐尼在一个偶然的情况下发现，当起电盘放电时，如果用金属解剖刀触动靠近起电盘的蛙腿肌肉，蛙腿便会发生痉挛。1792年伽伐尼已经能用两种不同的金属与蛙腿接触而引起肌肉痉挛。这就是第一个伽伐尼电池。但是伽伐尼对此并不理解，他认为青蛙体内产生了“动物电”。伏打对此很感兴趣，经过一番研究，他发现蛙腿只是起了显示电流通过的作用，所谓特殊的“动物电”是不存在的。伏打把不同的金属板浸入一种电解液里，组成了第一个直流电源伏打电池。他用几个容器盛了盐水
3、，把插在盐水里的铜板、锌板连接起来，电流就产生了。1800年3月20日伏打向伦敦英国皇家学会宣布了这个发现。后人为了纪念他的功绩，将电势差的单位取名为伏特。经过了200多年，科学家和工程师发明了各式各样的电气元件和设备。现代生活已经与电密不可分了，今天就让我们来对电流有进一步的认识。复习初中学过的关于电路的知识。课本P30自主活动大家谈电路一般由哪几个部分组成？电灯为什么会发光？电流是怎样形成的？一、 电流的形成带电粒子在外加电场作用下定向移动，就形成了电流。在金属导体内移动的自由电荷是电子，在电解质中移动的既有负离子也有正离子。形成电流的条件：要有自由移动的电荷，即要有导体。导体中的自由电荷
4、发生定向移动时形成电流。导体两端存在电压。电源的作用就是保持导体两端的电压。电流方向：正电荷的移动方向。（电流方向和金属中的自由电子移动方向是相反的）电流方向总是从高电势流向低电势。电流强度（大小）：通过导体横截面的电量跟通过这些电量所用时间的比值，叫做电流强度，简称电流。定义式： （1s内通过导体横截面的电荷量为1C，（6.251018个电子）单位：安（培） A 。1A=1C/S。常用单位：毫安(mA)、微安(A)。单位换算：1A=103mA=106A阅读课本S.T.S.电流对人体的影响R1R2R3二、 串联电路和并联电路1串联电路：电流处处相等，总电压是各部分电压之和。即I1I2I3 U总
5、U1U2U3R1R2R32并联电路：总电流是各分电路电流之和，各分路两端电压相等。即I总I1I2I3 U1U2U33欧姆定律导体中的电流强度跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比。公式为： 三、 串并联组合电路把用电器用串联和并联的方式组合起来，叫做串并联组合电路。课堂练习：串并联电路课堂练习.ppt四、 电阻定律大量实验结果表明：在温度不变时，导体的电阻跟它的长度成正比，跟它的横截面积成反比。这就是电阻定律。电阻定律的公式是式中是比例常数，它的数值是由导体的材料性质所决定的，叫做电阻率。电阻率的单位是欧米，符号是m。电阻率跟温度有关。实验指出，绝大多数金属的电阻率随着温度升高而增大。下表
6、是几种金属导体在20时的电阻率。五、 超导现象1911年科学家发现，当温度降到接近绝对零度时某些金属材料的电阻会突然减小到零，这种现象叫做超导现象，处于这种状态的物体叫做超导体。把电阻突然变为零的温度叫做超导体的临界温度，也叫超导体的转变温度。各种不同超导体的临界温度是不同的，但都很低。目前，世界各国科学家都在寻找临界温度更高的超导体。自1986年以来，对氧化物高温超导体的研究，有了突破性的进展，目前各国实验室公布的铋、锶、钙、铜、氧超导体的比较稳定的临界温度已达125K。制备临界温度很高的超导体会给超导体的广泛应用带来诱人的前景，如把超导体用于远距离输电，可以大大减少电能损耗和节省材料。因为
7、电能在输送过程中，除了发电机线圈发热损耗一部分电能外，还有相当部分的电能损耗在输电线路上，如果采用超导材料制成发电机线圈和输电导线，发热现象将大大减少，每年可节省上万亿千瓦时的电能。利用超导现象可以制成磁悬浮列车，目前火车的最高速度不超过300千米/时，要再进一步提高火车运行的速度，就必须减小轮子和铁轨间的摩擦力，最好是让火车离开铁轨悬浮起来行驶，以进一步减小阻力，磁悬浮列车就解决了这个问题。1995年5月，我国制成的超导磁悬浮列车已进入试验阶段，速度可达500千米/时以上。有关超导的理论及其应用，正在深入研究中。六、 电功1、定义：电路中电场力对定向移动的电荷所做的功，简称电功，通常也说成是
8、电流的功。2、实质：能量的转化与守恒定律在电路中的体现。电能通过电流做功转化为其他形式的能。对于一段导体而言，两端电势差为U，把电荷q从一端搬至另一端，电场力的功W=qU，在导体中形成电流，且q=It，（在时间间隔t内搬运的电量为q，则通过导体截面电量为q，I=q/t），所以W=qU=ItU。这就是电路中电场力做功即电功的表达式。3、表达式：W=IUt说明：表达式的物理意义：电流在一段电路上的功，跟这段电路两端电压、电路中电流强度和通电时间成正比。适用条件：I、U不随时间变化恒定电流。4、单位：电流单位用安培（A），电压单位用伏（V），时间单位用秒（s），则电功的单位是焦耳（J）。七、 电功率
9、1、表达式： 物理意义：一段电路上功率，跟这段电路两端电压和电路中电流强度成正比。2、单位：功的单位用焦耳（J），时间单位用秒（s），功率单位为瓦特（W）。1W=1J/s这里应强调说明：推导过程中没用到任何特殊电路或用电器的性质，电功和电功率的表达式对任何电压、电流不随时间变化的电路都适用。再者，这里W=IUt是电场力做功，是消耗的总电能，也是电能所转化的其他形式能量的总和。电流在通过导体时，导体要发热，电能转化为内能。这就是电流的热效应，描述它的定量规律是焦耳定律。学生一般认为，W=IUt，又由欧姆定律，U=IR，所以得出W=I2Rt，电流做这么多功，放出热量Q=W=I2Rt。这里有一个错误
10、，可让学生思考并找出来。错在Q=W，何以见得电流做功全部转化为内能增量？有无可能同时转化为其他形式能？英国物理学家焦耳，经过长期实验研究后提出焦耳定律。八、 焦耳定律电流热效应1、内容：电流通过导体产生的热量，跟电流强度的平方、导体电阻和通电时间成正比。2、表达式：Q=I2Rt对于导体而言，根据欧姆定律，U=IR，所以Q=I2Rt=IIRt=IUt=W，电流做功完全用来生热，电能转化为内能。说明：焦耳定律表明，纯电阻电路中电流做功完全转化为内能，同时，有电阻的电路中电流做功会引起内能的增加，且电热Q=I2Rt。简单介绍产生焦耳热的原因：金属中自由电子在电场力作用下定向移动，由于电场做功，电子动
11、能增加，但不断地与晶格（原子核点阵）碰撞，不断把能量传给晶格，使晶格中各粒子在平衡位置附近的热运动加剧，从而温度升高。九、 纯电阻电路中的电功和电功率1、电功Q=W=I2Rt，对所有电路中电阻的生热都适用。结合纯电阻电路欧姆定律 2、电功率，对所有电路中电阻的电功率都适用。结合纯电阻电路欧姆定律U=IR十、 非纯电阻电路中的电功和电功率（以含电动机电路为例）非纯电阻电路中，电能与其他形式能转化的关系非常关键。以电动机为例，电动机电路如图所示，电动机两端电压为U，通过电动机电流为I，电动机线圈电阻为R，则电流做功或电动机消耗的总电能为W=IUt，电动机线圈电阻生热Q=I2R0t，电动机还对外做功
12、，把电能转化为机械能，W=WQ=IUtI2R0t，W是电动机输出的机械能。这是一个非纯电阻电路，由于W0，则有UIR0。考虑每秒钟内能量转化关系，即功率，只要令上述各式中t=1s即可，可得总功率P总=IU，电热功率P热=I2R0，输出功率P出，三者关系是P总=P热P出，即P出=IUI2R。十一、 额定功率和实际功率为了使用电器安全、正常地工作，对用电器工作电压和功率都有规定数值。（1）额定功率：用电器正常工作时所需电压叫额定电压，在这个电压下消耗的功率称额定功率。一般说来，用电器电压不能超过额定电压，但电压低于额定电压时，用电器功率不是额定功率，而是实际功率。（2）实际功率P=IU，U、I分别
13、为用电器两端实际电压和通过用电器的实际电流。【附录一】伏打与电池的发明伏打（Alessandro Volta，17451827）是著名的意大利物理学家。他于1745年2月出生 在科摩，1774年担任科摩大学预科物理教授，同年他发明了起电盘。1779年又去帕维亚大学担任了物理教授职务。1791年被选为伦敦皇家学会会员。1780年，著名医生伽伐尼在一个偶然的情况下发现，当起电盘放电时，如果用金属解剖刀触动靠近起电盘的蛙腿肌肉，蛙腿便会发生痉挛（事实上这是电振荡的第一个迹象，蛙腿的作用就像检波器一样）。经过进一步的研究，1792年伽伐尼已经能用两种不同的金属与蛙腿接触而引起肌肉痉挛。这就是第一个伽伐
14、尼电池。但是伽伐尼对此并不理解，他认为青蛙体内产生了“动物电”。伏打对此很感兴趣，经过一番研究，他发现蛙腿只是起了显示电流通过的作用，所谓特殊的“动物电”是不存在的。伏打指出，伽伐尼实验中连接起来的是两种不同的金属（他称为第一类导体或干导体）和含液体的青蛙肌肉（他称为第二类导体或湿导体）。伏打把不同的金属板浸入一种电解液里，组成了第一个直流电源伏打电池。他用几个容器盛了盐水，把插在盐水里的铜板、锌板连接起来，电流就产生了。1800年3月20日伏打向伦敦英国皇家学会宣布了这个发现。伏打于1827年3月5日逝世，后人为了纪念他的功绩，将电势差的单位取名为伏特。【附录二】奇妙的超导现象一、超导现象1
15、911年的一天，荷兰莱顿大学的物理实验室里，昂尼斯教授正在专心致志地研究水银的低温性能。他先将水银冷却到40，液体水银便凝固成一条水银线；然后，再在水银线中通以电流，并一步一步地降低水银的温度，当温度降低到269.03，也就是绝对温度4.12K时，奇迹出现了：水银的电阻突然消失了。这意味着，电流在零电阻的导线中可以畅通无阻，不再消耗能量，如果电路是闭合的，电流就可以永无休止地流动下去。有人做过这样的实验：将一个铅环冷却到绝对温度7.25K以下，用磁铁在铅环中感应生成几百安培的电流。从1954年3月16日开始，在和外界隔绝的情况下，一直到1956年9月5日，铅环中的电流数值没有变化，仍在不停地循
16、环流动。人们把这种零电阻现象称为超导现象。凡具有超导性的物质称为超导体或超导材料。无论哪一种超导体，只有当温度降到一定数值时，才会发生超导现象。这个从正常电阻转变为零电阻的温度称为超导临界温度。由于昂尼斯在超导方面的卓越贡献，他获得了1913年的诺贝尔物理学奖。此后，人们陆续发现近30种单质和几千种合金及化合物都具有超导现象，而且超导临界温度的纪录不断地被打破。例如，1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K。1986年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视。1986年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48
17、.6K的锶镧铜氧化物。1987年2月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷。1987年3月，中国科学院公布了起始转变温度为93K的8种钡钇铜氧化物。1988年，中国科学院发现了超导临界温度为120K的钛钡钙铜氧化物。这些成就显示了我国高温超导材料的研究已经名列世界前茅。二、产生超导的微观解释为什么超导体在临界温度以下会具有零电阻特性呢？我们知道，在常温下金属导体的原子因失去外层电子成为正离子。正离子按规则排列在晶格的结点上，作微小的振动。摆脱了束缚的自由电子无序地充满在正离子周围，形成所谓“电子云”。导体在一定电压作用下，自由电子作定向运动就成为电
18、流。自由电子在运动中受到的阻碍称为电阻。随着温度不断地下降，降至超导临界温度以下时，自由电子将不再完全无序地“单独行动”。由于晶格的振动作用，每两个电子必须“手挽手”地结合成“电子对”，温度愈低，结成的电子对愈多，电子对的结合愈牢固，不同电子对之间相互的作用力愈弱。在电压的作用下，这种有秩序的电子对按一定方向畅通无阻地流动起来。当温度升高后，电子对因受热运动的影响而遭到破坏，重新失去了超导性。这是目前许多科学家对超导现象作出的解释，他们把这种有秩序的电子对在超导体中特殊的运动状态，作为引起超导性的根本原因。但是，科学永无止境，高温超导体的发现又进一步引起人们不断去深入探索超导的奥秘。三、超导在
19、生产生活中的应用超导现象的最直接、最诱人的应用是用超导体制造输电电缆。因为超导体的主要特性是零电阻，因而允许在较小截面的电缆上输送较大的电流，而且基本上不发热和不损耗能量。据估计，我国目前约有15的电能损耗在输电线路上，每年损失的电能达到900多亿千瓦时。如果改用超导体输电，就能大大节约电能，缓解日益严重的能源紧张。要进行超导输电，首先必须选择好制造电缆的超导体，其次要保证电缆处于超导临界温度以下的低温。为此，每条超导电缆必须放在对热量和电都能绝缘的冷却管里，管里盛放冷却介质，如液态氦等。冷却介质经过冷却泵站进行循环使用，这样便使整条输电线路都在超导状态下运行。这样的超导输电电缆比普通的地下电
20、缆容量大25倍，可以传输几万安培的电流，电能消耗仅为所输送电能的万分之几。自从发现高温超导陶瓷后，特别是1987年全世界掀起了“超导热”以后，人们把注意力转向高温超导陶瓷的研究和应用。研究实践表明，陶瓷超导体同样具有实用意义，预计在50年左右的时间内，有可能制备出工作在77K（196.15）的温度下、临界电流密度超过每平方厘米10万安的实用化线材、缆材或带材。超导体还可用于制造超导通信电缆。人们对通信电缆的主要要求是信号传递准确、迅速，容量大，重量轻，超导通信电缆正好能满足上述要求。因为超导通信电缆的电阻接近于零，允许用较小截面的电缆进行话路更多的通信，这样就可以降低超导通信电缆的自重，节约超
21、导体材料，更主要的是超导通信电缆基本上没有信号的衰减，不论距离远近，接收方都能准确无误地收到发出方发出的信号，所以在线路上不必增设中间放大器，就能进行远距离通信。用超导体制造雷达天线、导航天线、通信天线和电视天线，可使天线的损耗电阻减小几个数量级，而天线辐射效率可增加几百倍或更多；还可减少各种干扰信号，使天线发射和接收信号的能力大大提高。尤其重要的是，这将改变传统天线庞大、笨重的外观，做到小型化、轻型化，以满足军事上或其他的特殊需要。将超导体做成线圈，由于它的零电阻特性，故可在截面较小的线圈导线中，通以大电流，形成很强的磁场，这就是超导磁体。超导磁体的磁场强度可达1520万高斯，重量却不超过数
22、十千克，而用普通导线绕制成的电磁体要产生10万高斯的磁场已经非常困难。磁场强度为5万高斯的常规电磁体重达20吨，而达到同样的磁场强度，超导磁体的重量还不到1千克。超导磁体的另一个优点就是不产生热量，不消耗电能，只要通入一次电流就可以经久不息地流动下去，不需要再补充电能。超导磁体唯一需要的能量就是把环境温度维持在超导临界温度以下的能量。例如，美国造出一台10万高斯的常规电磁体，耗电达1600千瓦，每分钟还要用4500升水冷却，而日本制造的一台17.5万高斯的超导磁体，总共耗电才15千瓦，其中包括13千瓦的冷却消耗。超导磁体正成功地应用在制造超导发电机上。超导发电机的构造与常规的同步发电机大致相同
23、，一般都由定子和转子两部分组成。所不同的是，超导发电机的定子线圈和转子线圈都是用超导体制成的。转子一般由水轮机、汽轮机、内燃机等发动机带动。当直流电通入超导转子线圈后，由于转子线圈处于零电阻状态，故电流很大，从而形成一个很强的旋转磁场。超导定子线圈在这个转动的磁场中不断切割磁力线，产生电压，输出功率极大的电能。常规的发电机最大输出功率很少超过150万千瓦，原因是转子线圈产生的磁场强度有限，而定子线圈中电流过大会导致严重发热，影响发电机正常工作。超导发电机比常规发电机提高输出功率20倍以上，可超过2000万千瓦。此外，超导发电机还能减少能量消耗，节约原材料和降低成本。例如，一台6000千瓦的常规
24、发电机重370吨，同样功率的超导发电机仅重40吨，可以降低成本50左右。超导磁体还能制造磁流体发电机。所谓磁流体发电，是将火力发电产生的高温气体变成等离子气体，再高速喷入发电通道，使发电通道中的磁力线受到切割，在等离子气体中产生感应电动势，把气体离子推向发电通道两侧的电极，在外回路中产生电流，热能就这样直接转化为电能。磁流体发电机如用超导磁体来产生发电通道中的强磁场，与常规发电机联合使用，可把热效率从2040提高到5060，节省1/41/3的燃料。此外，它还具有重量轻、体积小、启动快、不污染空气等优点。我们先来做一个有趣的实验：在一个铅环上放一个铅球，把它们的温度降低到超导临界温度（7.2K）
25、以下，变成超导体。通过磁感应，使铅环中产生电流，这时铅球像着了魔似地飘然升起，当到达一定高度后便悬浮在铅环上方不动了。这是怎么回事呢？原来，铅环里通了电流，就在周围产生了磁场，磁场在铅球表面感应出一股电流，这股电流产生的磁场与铅环本身产生的磁场方向相反，使铅球受到向上的斥力，这斥力与铅球的重力平衡，铅球便悬浮在铅环的上方。超导体的这种排斥外界磁力线，使自身变成磁力线无法通过的物体的性质，称为完全抗磁性。人们正是利用超导体的完全抗磁性，研制成功了高速超导磁悬浮列车。1966年，美国首先提出制造超导磁悬浮列车的设想。此后，美国自己，以及英国、日本、德国、瑞典等国家都进行了开发和研制。目前日本、德国
26、的超导磁悬浮列车已投入运行，车速高达500千米/小时。乘坐这种超导磁悬浮列车，从上海到北京，只需要2小时48分钟。那么，这种列车是怎样悬浮起来的呢？原来，在每节车厢的底部都安装了超导磁体，在列车行进的路面上埋有许多由闭合的矩形铝环组成的铝轨，在超导磁体的线圈中通入电流就会产生很强的磁场。列车开动后，超导磁体相对于铝环运动，在铝环里感应出一股很大的电流，并相应形成极强的磁场。铝环产生的磁场与车上超导磁体的磁场方向相反，相互排斥。也就是说，超导体的完全抗磁性，使车上的超导磁体受到地面铝环的向上托力。当车速大于每小时150千米时，托力大于列车自重，就使列车浮起，车速愈高，托力愈大。当列车停下时，由于铝环中没有感应电流，也就不能产生磁场，所以在开车启动和减速停车时有一段时间仍需用车轮在轨道上运行。列车悬浮在空中飞奔，还存在空气的阻力。所以有人设想：让列车在抽成真空的隧道里行进，这样将能大幅度地提高车速。到那时，人类的高速飞行将由高空转入地下。超导材料还可以用于制造威力无比的快速激光炮、具有人工智能的电子计算机、能明察秋毫的电子显微镜、先进医疗器械核磁共振诊断摄象机等等。也许，上述应用还远非超导材料的最重要应用。人们正开拓思路，扩大视野，不断学习和研究，促使超导技术向前发展。8
