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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

U_A ? IR ? ε ? Ir = U_B 

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

U_A + IR ? ε + Ir = U_B = U_A

即 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)中所有獨立源為零值時的等效電阻。

2、基爾霍夫（克希科夫）定律

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

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”的電流強度的總和，等于從該“包容塊”流出的電流強度的總和。

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 U_P = … = U_P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…

R_c = 

R_b = 

R_a = 

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、電池等。發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽桓呻姵亍⑿铍姵厥菍⒒瘜W(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽还怆姵厥菍⒐饽苻D(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽辉�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，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

圖4

31.大約在　　　世紀(jì)　　　年代以后，人類利用化石能源（煤炭、石油、天然氣）的比重超過了生物能源。造成這種變化的歷史條件是：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

32.據(jù)測算，我國工業(yè)產(chǎn)品能源、原材料的消耗占企業(yè)生產(chǎn)成本的75%左右，如果能降低1個百分點，就能取得100多億元的效益。我國應(yīng)采取哪些措施降低能耗？

33.在其他能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應(yīng)性強的優(yōu)勢。在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能轉(zhuǎn)化為電能。核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能。

（1）核反應(yīng)方程式U+n→Ba+Kr+aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，n為中子，X為待求粒子，a為X的個數(shù)，則X為　　　，a =　　　。以,m _U、m _{B a}、m _{K r}分別表示U、Ba、Kr核的質(zhì)量，m_n、m_p分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應(yīng)過程中放出的核能ΔE=　                 　　。

（2）有一座發(fā)電能力為P=1.00×10⁶kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率η=40%。假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題（1）中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過程放出的核能ΔE=2.78×10^－11 J，U核的質(zhì)量m_U=390×10^－27 kg。求每年（1年=3.15×10⁷ s）消耗的U的質(zhì)量。

34.自然界中的鈾和鈷都有同位素。

（1）鈾主要以三種同位素的形式存在，三種同位素的原子百分含量分別為U 0.005%、U 0.72%、U 99.275%。請列出計算U元素近似原子量的計算式（不必算出具體數(shù)值）：　　      。

（2）放射性同位素⁶⁰Co能夠產(chǎn)生γ射線。高速運動的γ射線作用于DNA，能夠產(chǎn)生氫鍵斷裂、堿基替換等效應(yīng)，從而有可能誘發(fā)生物產(chǎn)生    　　　，使生物體出現(xiàn)可遺傳的變異，從而選擇和培育出優(yōu)良品種。此外用γ射線照射過的食品有利于貯藏，這是因為γ射線能　　　、　　　。在進(jìn)行照射生物或食品的操作時，需要注意人體防護(hù)。操作完畢后，人體　　　（可以、不可以）直接觸摸射線處理過的材料。

35.中國發(fā)展核武器對世界政治軍事格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。請回答：

   （1）根據(jù)下表資料分析我國核試驗的特點。

  （2）結(jié)合所學(xué)知識說明我國核試驗的目的。

  （3）我國在核武器使用問題上堅持的原則是什么？這一原則所依據(jù)的我國外交政策的基本點是什么？

36.我們應(yīng)如何辯證地看待人類對核資源的利用？

選做題：本題包括A、B、C三小題，請選定其中兩題，并在相應(yīng)的答題區(qū)域內(nèi)作答。

若三題都做，則按A、B兩題評分。

A．（選修模塊3—3）

12下列說法正確的是          。

       A．布朗運動不是液體分子的運動，但它可以說明分子在永不停息地做無規(guī)則運動

       B．液體的內(nèi)部分子間比液體表面層的分子間有更大的分子勢能

       C．分了了間距離增大時，分子間的引力和斥力都減小，它們的合力也減小

       D．液晶既有液體的流動性。又具有單晶體的各向異性

   （2）如圖所示，氣缸與活塞封閉了一定質(zhì)量的理想氣體。氣缸和活塞間無摩擦，且均可與外界進(jìn)行熱交換，若外界是環(huán)境的溫度緩慢升高，則封閉氣體的體積將        （增大、減小、不變），同時      （吸熱、放熱、既不吸熱也不放熱）

   （3）目前專家們正在研究二拉化碳的深海處理技術(shù)。實驗發(fā)現(xiàn)，在水深300m處，二氧化碳將變成凝膠狀態(tài)。當(dāng)水深超過2500m時，二氧化碳會濃縮成近似固體的硬膠體，可看成分子間是緊密排列的。已知二氧化碳的摩爾質(zhì)量為M，阿伏加德羅常數(shù)為N，每個二氧化碳分子體積為V₀，設(shè)在某狀態(tài)下二氧化碳?xì)怏w的密謀為ρ，則在該狀態(tài)下為V的二氧化碳?xì)怏w變成固體體積為多少？

B．（選修模塊3—4）

   （1）下列說法中正確的是           

       A．水面上的油膜在陽光照射下會呈現(xiàn)彩色，這是由于光的干涉造成的色散現(xiàn)象

       B．聲波與無線電波一樣，都是機械振動在介質(zhì)中的傳播

       C．用激光讀取光盤上記錄的信息是利用激光平行度好的特點

       D．當(dāng)觀察者向靜止的聲源運動時，接收到的聲音頻率低于聲源發(fā)出的頻率

   （2）一簡諧橫波沿x軸正方向傳播，在t=0時刻的波形如圖所示。已知介質(zhì)中質(zhì)點P的振動周期為2s，則該波傳播速度為       m/s，此時P點振動方向為      （y軸正方向、y軸負(fù)方向）

   （3）如圖所示，真空中平行玻璃磚折射率為，下表面鍍有反射膜，一束單色光與界面成角斜射到玻璃磚表面上，最后在玻璃磚的右側(cè)面豎直光屏上出現(xiàn)了兩個光點A和B，相距h=2.0m，求玻璃磚的厚度d。

C．（選修模塊3—5）

   （1）下列關(guān)于的代物理知識說法中正確的是          。

       A．將放射性元素?fù)诫s到其它穩(wěn)定元素中，并降低其溫度，它的半衰期將發(fā)生改變

       B．α粒子散射實驗中少數(shù)α粒子發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)是盧瑟福猜想原子核式結(jié)構(gòu)模型的主要依據(jù)

       C．天然放射現(xiàn)象的發(fā)明說明了原子核有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

       D．用質(zhì)子流工作的顯微鏡比用相同速度的電子流工作的顯微鏡分辨率低

   （2）氫原子的能級如圖所示，有一群處于n=4能級的氫原了了，這群氫原子最多能發(fā)出        種譜線，發(fā)出的光子照射某金屬能產(chǎn)生光電效應(yīng)現(xiàn)象，則該金屬逸出不應(yīng)超過     eV。

   （3）近年來，國際熱核變實驗堆計劃取得了重大進(jìn)展，它利用的核反應(yīng)方程是

        若迎面碰撞，初速度大小分別為質(zhì)量分別為，反應(yīng)后的速度大小為v₃，方向與的運動方向相同，求中子的速度（選取m₁的運動方向為正方向，不計釋放的光子的動量，不考慮相對論效率）。

圖7

31.大約在　　　世紀(jì)　　　年代以后，人類利用化石能源（煤炭、石油、天然氣）的比重超過了生物能源。造成這種變化的歷史條件是：　　　　　　　　　　　　　　　。

32.據(jù)測算，我國工業(yè)產(chǎn)品能源、原材料的消耗占企業(yè)生產(chǎn)成本的75%左右，如果能降低1個百分點，就能取得100多億元的效益。我國應(yīng)采取哪些措施降低能耗？

33.在其他能源中，核能具有能量密度大，地區(qū)適應(yīng)性強的優(yōu)勢。在核電站中，核反應(yīng)堆釋放的核能被轉(zhuǎn)化為電能。核反應(yīng)堆的工作原理是利用中子轟擊重核發(fā)生裂變反應(yīng)，釋放出大量核能。

（1）核反應(yīng)方程式U+n→Ba+Kr+aX是反應(yīng)堆中發(fā)生的許多核反應(yīng)中的一種，n為中子，X為待求粒子，a為X的個數(shù)，則X為　　　，a=　　　。以m _U、m _{B a}、m _{K r}分別表示U、Ba、Kr核的質(zhì)量，m_n、m_p分別表示中子、質(zhì)子的質(zhì)量，c為光在真空中傳播的速度，則在上述核反應(yīng)過程中放出的核能ΔE=　　　。

（2）有一座發(fā)電能力為P=1.00×10⁶ kW的核電站，核能轉(zhuǎn)化為電能的效率η=40%。假定反應(yīng)堆中發(fā)生的裂變反應(yīng)全是本題（1）中的核反應(yīng)，已知每次核反應(yīng)過程放出的核能ΔE=2.78×10^－11 J，U核的質(zhì)量m_U=390×10^－27 kg。求每年（1年=3.15×10⁷ s）消耗的U的質(zhì)量。

34.自然界中的鈾和鈷都有同位素。

（1）鈾主要以三種同位素的形式存在，三種同位素的原子百分含量分別為U 0.005%、U 0.72%、U 99.27%。請列出計算U元素近似原子量的計算式（不必算出具體數(shù)值）：　　　。

（2）放射性同位素⁶⁰Co能夠產(chǎn)生γ射線。高速運動的γ射線作用于DNA，能夠產(chǎn)生氫鍵斷裂、堿基替換等效應(yīng)，從而有可能誘發(fā)生物產(chǎn)生　　　，使生物體出現(xiàn)可遺傳的變異，從而選擇和培育出優(yōu)良品種。此外用γ射線照射過的食品有利于貯藏，這是因為γ射線能　   　、　  　。在進(jìn)行照射生物或食品的操作時，需要注意人體防護(hù)。操作完畢后，人體　　　（可以、不可以）直接觸摸射線處理過的材料。

35.中國發(fā)展核武器對世界政治軍事格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。請回答。

（1）根據(jù)下表資料分析我國核試驗的特點。

（2）結(jié)合所學(xué)知識說明我國核試驗的目的。

（3）我國在核武器使用問題上堅持的原則是什么？這一原則所依據(jù)的我國外交政策的基本點是什么？

36.我們應(yīng)如何辯證地看待人類對核資源的利用？