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第一节 电阻定律
该怎样选择合适的导线呢？
主要内容
电阻定律
超导现象
1
2
01
PART 01
电阻定律
一、电阻定律
要形成电流，必须有能够自由移动的电荷——自由电荷。金属中的自由电子，电解质溶液（酸、碱、盐的水溶液）中的正、负离子，都是自由电荷。
我们在初中学过，电荷的定向移动形成电流，它也是一种物理模型。
在什么条件下，自由电荷才能发生定向移动呢？
当金属导体两端没有电压时，导体中大量的自由电子不停地做无规则的热运动，如下图所示，此时导体中没有电流。
一、电阻定律
把金属导体的两端分别接到电源的两极上，导体中的自由电子在电场力的作用下发生定向移动，形成电流，如下图所示。
一、电阻定律
一、电阻定律
电流有强弱之分，通过导体横截面的电荷量 q 跟通过这些电荷量所用时间 t 的比值，称为电流。电流用 I 表示，则
导体中的电流可以是正电荷的定向移动，也可以是负电荷的定向移动，还可以是正、负电荷沿相反方向的定向移动。习惯上规定：正电荷定向移动的方向为电流的方向。
一、电阻定律
而对于不同的导体，电压和电流的比值一般是不同的。比值越大，表明导体在同一电压下通过的电流越小。这个比值反映了导体对电流的阻碍作用，称为导体的电阻，用 R 表示，则
德国物理学家欧姆通过实验归纳出：导体中的电流 I 跟导体两端的电压 U 成正比。
一、电阻定律
导体中的电流 I 与导体两端的电压 U 成正比，与导体的电阻R 成反比。这就是部分电路欧姆定律。用公式表示为
实验表明，除金属外，部分电路欧姆定律对电解质溶液也适用，但对气态导体（如荧光灯管中的气体）、某些导电器件（如晶体管）和某些用电器（如电动机、电解槽等）并不适用。
【活动与探究】 探究电阻定律
一、电阻定律
发现问题：导体电阻的大小与导体本身哪些因素有关？有什么关系？
提出假设：导体电阻的大小与导体的长度、横截面积和材料等因素有关。
一、电阻定律
设计方案：由于导体的电阻受多种因素的影响，因此要采取控制变量法来研究电阻与以上每一种因素的关系。这就需要将金属导体接入电路，用电压表测量其两端电压，用电流表测量通过其电流，再利用部分电路欧姆定律即可计算出它的电阻值。最后将各金属导体的电阻值进行比较，验证上面的假设。
一、电阻定律
收集证据：准备 a、b、c、d 四根金属导体（ a 与 b 的横截面积和材料相同，a 的长度为 b 的 1/2；b 与 c 的长度和材料相同，b 的直径为 c 的 1/2；c 与 d 的长度和横截面积相同，材料不同）。
按照右图所示的电路图连接电路，在图中的A、B之间分别接入a、b、c、d。调节滑动变阻器，保持导线两端的电压相同，分别测出相应的电流。
按照根据部分电路欧姆定律，利用R计算出各导体的电阻值。
Ra = Ω；Rb = Ω；Rc = Ω；Rd = Ω。
一、电阻定律
结果验证：
（1）比较导体a、b的电阻之比与长度之比，可归纳出导体电阻的大小与其长度有关，且成 比（填“正”或“反”）。
（2）比较导体b、c的电阻之比与横截面积之比，可归纳出导体电阻的大小与其横截面积有关，且成 比（填“正”或“反”）。
（3）比较导体 c、d 的电阻值，可归纳出导体的电阻与导体材料
关（填“有”或“无”）。
一、电阻定律
交流反思：与同学讨论，尝试从微观角度解释导体的电阻为什么与以上因素存在相应的关系。
与同学交流，导体的电阻还可能与其他哪些因素存在关系？该如何设计实验进行验证？
人们通过大量实验归纳出，导体的电阻 R 跟它的长度 l 成正比，跟它的横截面积 S 成反比。这就是电阻定律。
一、电阻定律
式中的比例常量ρ跟导体的材料有关，是一个反映材料导电性能的物理量，称为材料的电阻率，它的国际单位制单位是Ω·m（欧·米）。
写成公式，则有
一、电阻定律
材 料 ρ/（Ω·m） 材 料 ρ/（Ω·m）
银 铜 铝 钨 铁 1.6×10－8 1.7×10－8 2.9×10－8 5.3×10－8 1.0×10－7 锰铜合金 康铜合金 镍铬合金 电木 橡胶 4.4×10－7
5.0×10－7
1.0×10－6
1010 ～1014
1013 ～1016
几种常用材料在20 ℃时的电阻率
一、电阻定律
从表中可以看出，金属和合金的电阻率都很小；而电木、橡胶的电阻率都很大。使用时，可以根据需要，参照电阻率表选取合适的材料。
例如，在输电、用电线路中，为了减小电阻就要选用铜、铝等材料作导线；电炉、滑动变阻器等的电阻丝要选用电阻率稍大的合金材料制作；在用电器和电工工具的绝缘部分，又要选用电阻率超大的电木、橡胶等材料制作。
我们在给空调装配专用导线时，由于空调的功率较大，工作电流也较大，因此应选择电阻较小的粗铜导线。
一、电阻定律
各种材料的电阻率都要受温度变化的影响。纯金属（如铂、金、铜、镍等）的电阻率随温度的升高而增大，利用这种特性可制成电阻温度计（右图）。电阻温度计测量范围广，测量精度高。
一、电阻定律
02
PART 01
超导现象
物体运动超导体具有很强的抗磁性，当一个小的永磁体降落到超导体表面附近时，在永磁体与超导体间会产生排斥力，使永磁体悬浮于超导体上，如右图所示。
1911 年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度下降到4.2 K 时发现水银的电阻变为零，这种现象称为超导现象。能够发生超导现象的物质称为超导体。
二、超导现象
超导材料由正常状态转变为超导状态的温度，称为超导材料的临界温度。目前发现的超导材料的临界温度都很低，科学家们仍在努力寻找高温超导材料，即在室温下就能工作的超导材料，以便得到更广泛的应用。
二、超导现象
我国在超导材料领域的探索及研究一直处于世界先进水平。1989年，我国已研制成临界温度为132.2 K的超导体。在2016年度国家科技奖励大会上，以中国科学院物理研究所赵忠贤院士为代表的团队，由于在超导材料方面的突出贡献而获得了国家最高科学技术奖。
我们应该关注科学家在前沿科技领域取得的新进展、新动态，尤其是我国在科学技术上所取得的新成果、新成就，感悟科学家为中华民族谋复兴的初心和使命，树立正确的人生观和价值观，坚定为实现中华民族伟大复兴而奋斗的信念，具有科学态度和社会责任感。
【行为与责任】
二、超导现象
超导的应用具有十分诱人的前景。超导的应用大致可分为三类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。
大电流应用即超导发电、输电和储能等；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
【应用与拓展】 超导的应用前景
二、超导现象
超导发电机 在电力领域，利用超导线圈可以将发电机的磁感应强度提高到5~6 T，并且几乎没有能量损失，这种发电机便是交流超导发电机。超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5~10倍，达1×1010 W，而体积却减小1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％。
超导输电线路 超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器，从而把电力几乎无损耗地输送给用户。据统计，目前的铜或铝导线输电，约有15 %的电能损耗在输电线路上，仅在我国，每年的电力损失达1 000多亿度。若改为超导输电，节省的电能相当于新建一个三峡水电站。
超导计算机 高速计算机要求集成电路芯片上的元件和连接线密集排列，但密集排列的电路在工作时会产生大量的热，而散热是超大规模集成电路面临的难题。超导计算机中的超大规模集成电路，其元件间的连线用接近零电阻和超微发热的超导器件来制作，不存在散热问题，同时计算机的运算速度会大大提高。
超导磁悬浮列车 利用超导材料的抗磁性，将超导材料放在一块永久磁体的上方，磁体和超导体之间会产生排斥力，使超导体悬浮在磁体上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车。
谢谢聆听！

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