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第4章
直流电及其应用
本章导读电路是由电源、导线、开关和用电器等组合起来，能使电流流通的整体。简单地说，电路就是电流的路径。电路的主要作用：实现电能的传输、分配和转换；实现信号的传递和处理。直流电的电流方向、大小不随时间改变，交流电的电流方向、大小随时间周期性变化。本章主要介绍直流电相关的一些定律。学习目标
了解电流的形成与电流强度的定义。
掌握部分电路欧姆定律和电阻定律。
了解电源电动势的含义。
掌握全电路欧姆定律。
目录 Contents
4.1 电阻定律
4.2 全电路欧姆定律
4.2 全电路欧姆定律
4.2 全电路欧姆定律
4.2.1 电源电动势
1．电源
电源就是把其他形式的能量转化为电能的装置。电源在电路中及时地把从电源负极经导线流到电源正极的自由电子通过电源内部搬运回电源负极，从而确保电源正、负极上的电荷一定，以使导线两端的电压维持恒定，这样电路中才有持续的、稳定不变的电流。
常见的电源是电池，日常生活中常用的电池主要有干电池、锌汞电池、铅蓄电池、锂电池和太阳能电池等。电池放电时能输出的总电荷量，即电池的容量，通常以安培·小时（ ）或毫安·小时（ ）为单位。容量为 的干电池，若以1.5 A的电流给用电器供电，大约能工作10 h。
4.2 全电路欧姆定律
2．电动势
为了表示电源把其他形式的能转化为电能的能力，我们引入电动势的概念。电动势是电源本身的属性，取决于电源正、负极材料及电解液的化学性质，与电源的体积、是否接入外电路无关。
不接用电器时，电源两端的电压就等于电源的电动势。电动势用符号E表示，它的单位是伏特，写作V。干电池的电动势为1.5 V，铅蓄电池的电动势为2 V，大型发电机的电动势可达到几万伏。
电源内部是由导体组成的，也有电阻，这个电阻叫作电源的内阻，用r表示，它反映电源内部导体对电流的阻碍作用。电源的内阻一般都很小，如铅蓄电池的内阻只有0.005～ ，干电池的内阻通常不到 。
1745 年，普鲁士的克莱斯特利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击。在这个发现的启发下，莱顿大学的
马森布罗克在1746年发明了收集电荷的“莱顿瓶”。
1786年，意大利解剖学家伽伐尼发现，用相连的不同金属分别接触青蛙的腿部肌肉，会引起青蛙肌肉的抽搐。伽伐尼认为这是“生物电”。
意大利物理学家伏打在多次实验后认为：伽伐尼的“生物电”之说并不正确，青蛙的肌肉只是起到检验作用，产生电流的关键在于不同的金属。为了论证自己的观点，伏打把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行实验。结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。
1799年，伏打把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是，他就将锌片与银片夹以浸透盐水的绒布或纸片叠起电堆，用手触摸
4.2 全电路欧姆定律
知识角
其两端时，会感到强烈的电流刺激。伏打用这种方法制成了世界上第一个电池——“伏打电堆”。这个“伏打电堆”实际上就是串联的电池组，它成为早期电学实验及电报机的电力来源。
1836年，英国的丹尼尔对“伏打电堆”进行了改良，制造出第一个能保持恒定电流的锌-铜电池，又称“丹尼尔电池”。此后，又陆续有去极化效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世，但这些电池都存在电压随使用时间延长而下降的问题。
1860年，法国的普朗泰发明出用铅做成电极的电池。这种电池的独特之处在于，当电池使用一段时间后电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升到初始值。这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。
1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此也获得了广泛应用。
4.2 全电路欧姆定律
知识角
4.2 全电路欧姆定律
4.2.2 全电路欧姆定律
用导线把电源和用电器连接起来，就组成了闭合电路，如右图所示。其中，用电器、导线组成外电路，即右图中虚线框以外的部分；电源内部是内电路，即右图中虚线框以内的部分。外电路的电阻叫作外电阻，用R表示；内电路的电阻叫作内阻，用r表示。一般情况下，在电路图中不会将电源内阻特意画出。
4.2 全电路欧姆定律
在闭合电路中，电源内阻分得的电压叫作内电压；外电阻分得的电压叫作外电压，通常也叫作端电压。内电压与外电压之和就等于电源的电动势，即
设闭合电路中的电流为I，外电阻为R，内阻为r，根据部分电路欧姆定律，有
即
所以有
这就是全电路欧姆定律，即闭合电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路的总电阻成反比。
4.2 全电路欧姆定律
演示实验4-2 探究闭合电路中的电流与端电压、外电阻的关系
按照如下图所示的实验电路图连接电路。拨动滑动变阻器的滑片，改变其电阻R，观察电流表和电压表的示数如何随着R的改变而改变。
4.2 全电路欧姆定律
理想电压表的内阻无限大，在分析电路时，理想电压表所在支路可以看成断路，其内部通过的电流可以忽略不计。
理想电流表的内阻无限小，在分析电路时，理想电流表部分可以看成短路，其内阻导致的电压降低可忽略不计。
我们在进行电路分析时，一般认为电压表都是理想电压表，电流表都是理想电流表。
4.2 全电路欧姆定律
演示实验4-2表明，随着电阻R的增大，电流I逐渐减小，端电压U逐渐增大。
外电路断开时的情况叫作断路，如下图（a）所示。此时电路中的电流I为0，因此电源内阻分得的电压也为0，端电压U就等于电源电动势E。此时，电压表的数值就等于电源的电动势。
这是因为，在电源电动势E和内阻r不变的情况下，电阻R变大，则电路总电阻变大，电路中的电流I减小；由于电流I减小，所以内阻r分得的内电压 也减小，而电动势不变，由于端电压为 ，所以端电压不断增大。
4.2 全电路欧姆定律
当外电路如上图（b）所示时，叫作短路。此时，外电路的电阻等于0，端电压也就
等于 0，电路中的电流 。由于电源的内阻r一般都很小，所以短路电流I会非常大，
不但会烧坏电源，还有可能引起火灾。因此，平时绝不允许将电流表（通常电阻很小）或一根导线直接接在电源的两极上。为了保护电源，保证用电器的安全使用，通常会在电路中安装熔断器等保护装置。
4.2 全电路欧姆定律
课后实践
请在课后观察汽车发动机启动时车灯亮度的变化，用全电路欧姆定律分析产生这种现象的原因，并与同学分享交流。
学生实验2 多用表的使用
1．实验目的
（1）学习多用表的使用方法。
（2）能够独立使用多用表测量电阻、直流电流、直流电压。
（3）在教师指导下测量交流电压。
2．实验器材
指针式多用表、直流电源、小灯泡、定值电阻、单刀开关、导线。
多用表是一种多用仪表，一般可用来测量电阻、直流电的电流与电压以及交流电的电压等，并且每种测量都有几个量程挡位。
多用表由表头、选择开关和测量电路 3 部分组成，表头是一块高灵敏度磁电式电流表，它与选择开关及测量电路相配合，可测量电流、电压及电阻等。
常用的多用表有指针式和数字式两种。本实验使用指针式多用表，如右图所示。表的上半部分有表盘、指针、调零螺丝，下半部分有选择开关及调零旋钮。选择开关可以转动，周围标有测量项目和不同的量程。其中，电压挡中“ ”表示直流电，“～”表示交流电。
学生实验2 多用表的使用
3．实验原理
（1）观察多用表，进行调零，并接好表笔的一端。
进行测量前，要观察多用表的外形，根据测量的要求将选择开关旋转至相应的测量项目和挡位（即量程挡位）。随后，检查多用表的指针是否指在零刻度线上，即检查多用表指针是否指零。如果指针没有指零，要用螺丝刀轻轻地转动表盘下方中间的调零旋钮，使指针指零，也即机械调零。
多用表有两只表笔，一只红表笔，一只黑表笔，将红表笔一端插入标有“+”号的插孔中，黑表笔一端插入标有“ - ”号的插孔中。
使用多用表进行测量时，为了便于准确读数，要尽可能使指针指在表盘中间部位，所以需要恰当地选择量程。如果不知道被测电压、电流、电阻的大小，应先选用最高挡位，而后再调至较小挡位直至选出合适的挡位来测试，以免指针偏转过度而损坏表头。所选用的挡位愈靠近被测值，测量的数值就愈准确。
学生实验2 多用表的使用
4．实验步骤
（2）电阻的测量。
① 选择合适的电阻挡位，对多用表再次调零（即电阻调零），方法是把两只表笔短接，相当于在两只表笔之间接入阻值为0的电阻，此时指针应指零；如果未指零，则需转动电阻调零旋钮，使指针指零。
② 将两只表笔分别与待测电阻（即定值电阻）的两端相接，读出指针指示的刻度值，将该值乘以挡位的倍率即为待测电阻的电阻值。例如，指针指在“9”的位置，挡位的倍率是“ ”，则所测电阻的电阻值为90 Ω。
③ 再测2次，电阻值取3次实验结果的平均值。
学生实验2 多用表的使用
（3）直流电流的测量。
① 将直流电源、小灯泡和单刀开关用导线连成闭合电路。
② 断开单刀开关，将电路断开一个开口，把多用表接入电路中，使多用表的红表笔接到靠近电源正极的一端，黑表笔接到远离电源正极的一端。
③ 选择合适的挡位后，闭合单刀开关，读取电流数据。
④ 再测2次，电流值取3次实验结果的平均值。
学生实验2 多用表的使用
（4）直流电压的测量。
① 将直流电源、小灯泡和单刀开关用导线连成闭合电路。
② 断开单刀开关，将电路断开一个开口，把多用表接入电路中，使多用表的红表笔接到靠近电源正极的一端，黑表笔接到远离电源正极的一端。
③ 选择合适的挡位后，闭合单刀开关，读取电压数据。
④ 再测2次，电压值取3次实验结果的平均值。
学生实验2 多用表的使用
（5）交流电压的测量。
测量交流电压的方法与测量直流电压相似，不同的是交流电没有正、负方向之分，所以测量交流电压时，表笔不需要分正、负。由于交流电压较高，因此需要将多用表的选择开关旋到交流电压的最高挡，并在教师的指导下，测量实验室电源插座中的交流电压。在进行测量时，一定要注意人身安全，拿好表笔的绝缘部分，不要碰到表笔的金属触针。
共测3次，电压值取3次实验结果的平均值。
学生实验2 多用表的使用
（1）测量电阻时，不要用手触及待测电阻的两端（或两支表笔的金属部分），以免人体电阻与被测电阻并联，使测量结果不准确。
（2）测量电阻前，需对欧姆挡进行调零，将两支表笔短接，若电阻调零旋钮已调至最大，指针仍然不指零，这种现象通常是由表内电池电压不足造成的，应换上新电池再重新电阻调零；每换一次挡位，均需电阻调零。
（3）测量直流电压和直流电流时应注意“+”“ - ”极性，不要接错。如发现指针反转，应立即调换表笔，以免损坏指针及表头。
（4）测量电压与电流时不能旋错挡位。如果误使用电阻挡或电流挡去测电压，则极易烧坏多用表。
（5）多用表不用时，最好将挡位旋至交流电压最高挡，避免因意外因素而损坏。不要将其旋至电阻挡，因为表内有电池，如不小心使两根表笔相碰，则表内短路，不仅耗费电池，还会损坏多用表。
学生实验2 多用表的使用
5．注意事项
学生实验3 探究并测量电源电动势和内阻
1．实验目的
（1）利用所学知识和现有实验条件设计测量电源电动势和内阻的实验方案。
（2）验证实验方案，测量电源电动势和内阻。
2．实验器材
干电池、多用表、电阻箱、滑动变阻器、单刀开关和导线若干。
根据全电路欧姆定律，闭合电路中的电流I与电源电动势E、外电阻R及电源内阻r的关系可表示为
学生实验3 探究并测量电源电动势和内阻
3．实验原理
由于端电压 ，上式可写为
其中，端电压U和电流I可用多用表测得，改变R的电阻值，就可测得两组端电压 和 ，及其对应的两组电流 和 ，并可列出两个方程
学生实验3 探究并测量电源电动势和内阻
解此二元一次方程组就可得到电源的电动势E和内阻r。
（1）设计实验方案，画出实验电路图。
（2）根据实验电路图连接实验仪器，注意正确选择仪器的量程。
（3）根据实验方案进行实验，并重复测量3次。
（4）处理数据。
学生实验3 探究并测量电源电动势和内阻
4．实验步骤

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