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物 理
第4章 直流电路与安全用电
4.1 电阻定律
4.4 全电路欧姆定律
4.2 串联电路和并联电路
4.3 电功与电功率
4.5 安全用电
4.3 电功与电功率
1．电功
在导体的两端加上电压，导体内就形成了电场．导体内的电荷在电场力的作用下发生定向移动，形成了电流，因此电场力做了功．这个功叫做电流做的功，简称电功．
电流通过一段电路时做的功 W，等于这段电路两端的电压 U 与电路中的电流 I 以及通电时间 t 的乘积，即
电功的单位也是焦耳（J），常用的还有千焦（kJ）．在日常生活中，我们也常用“度”，也就是千瓦时作为电功的单位．
4.3.1 电功
【例题4】 一块电烙铁接在220 V的电路中，通过的电流为500 mA，则通电1 h消耗的电能是多少焦？合多少度？
解：由电功的公式可得
2．电功的测量
用来测量电路消耗电能（即电功）的仪表叫做电能表．电能表的计数器上两次读数之差，就是这段时间内用电的度数．
4.3.2 电功率
电流所做的功与完成这些功所用时间的比值叫做电功率，通常用 P 表示，即
根据电功的公式 ,则
【例题5】 如图的电器，其正常工作时的电流时多大？如果由于电压不稳定，在200 V电压下，它的实际功率是多少？
分析：已知电器的额定功率和额定电压，则根据功率的定义式即可求得电器正常工作时的电流．在电压不稳定时，通过用电器的电流也会变化，但是电阻是由电器自身特性决定的，不受其两端电压影响，根据欧姆定律即可求出电器在电压不稳时的电流，然后可计算出其实际功率．
解：由电功率公式 ，得
根据欧姆定律，电器电阻为
200 V电压下，通过电器的电流为
则电器的实际功率是
英国物理学家焦耳通过实验发现：电流通过导体时产生的热量，等于电流的平方、导体的电阻和通电时间三者的乘积．这就是焦耳定律，用公式表示为
如果电路中只含有电阻，电流所做的功也可以用下面的公式表示
4.3.3 焦耳定律
【例题6】 质加在一内阻为2 的电动机上的电压为110 V，通过电机的电流为1 A，则该电动机消耗的功率有多大？1 h有多少电能转变为机械能和热能？
解：电动机的功率为
电流做的总功为
产生的热量为
分析：电动机不是纯电阻，因此此电路中电流所做的功不等于产生的热量，还有一部分转化为机械能．计算电功时就必须运用电功的定义式．
产生的机械能为
4.4 全电路欧姆定律
1．电源
4.4.1 电源电动势
电源就是把其他形式的能转化为电能的装置．
电源在电路中及时地把从电源负极经过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，使电源正、负极上的电荷保持一定，使导线两端的电压维持不变，从而使电路中有持续的、稳定不变的电流流过．
为了表示电源把其他形式的能转化为电能的本领大小，我们引入电动势的概念．电动势是电源本身的属性，取决于电池正、负极材料及电解液的化学性质，跟电源的体积、是否接入外电路亦无关．
2．电动势
不接用电器时，电源两极间电压就等于电源的电动势．电动势用符号E表示，它的国际制单位是伏，写作V．
电源内部是由导体组成的，也有电阻，叫做电源的内阻，用 r 表示，它是电源内部导体对电流的阻碍作用，与导体的体积和形状有关．
用导线把电源和电器连接起来，就组成了闭合电路，如图所示．虚线框以外的部分组成外电路；虚线框以内的部分是内电路．外电路的电阻叫做外电阻，用 R 表示，内电路的电阻即内阻，用 r 表示．
在电路中，电源的内阻分得的电压称为内电压，外电路分得的电压叫做外电压，通常称为端电压．而内电压与外电压之和就是电源的电动势，即
4.4.2 全电路欧姆定律
设闭合电路中的电流为 I，外电阻为 R，内电阻为 r，根据部分电路欧姆定律，则
即
所以
这就是全电路欧姆定律，即全电路中的电流跟电源的电动势成正比，跟电路的总电阻成反比．
演示实验4-1 全电路欧姆定律
按照图所示的电路图连接电路．运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．
实验表明，随着电阻 R 的增大，电流 I 逐渐减小，端电压 U 逐渐增大．
当外电路断开时，这种情况叫做断路，如图 a 所示．此时电路中电流 I 为零，因此内电阻分得电压也为零，端电压 U 就等于电动势 E．
当外电路如图 b 所示时，这种情况叫做短路．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 ．
【例题6】 已知电路中电源电动势 ，内阻 ，外电阻 ．则电路中的电流和端电压分别是多少？
解：根据全电路欧姆定律，电路中的电流为
端电压为
也可根据欧姆定律计算端电压，即
分析：根据题意可知电源电动势 E 、内阻 r 和外电阻 R，根据全电路欧姆定律即可求出结果．
【例题7】 如图所示的电路中，电源的内阻不可忽视．已知电阻 ， ．当电键 S 接位置 1 时，电流表的示数为0.20 A，当电键 S 接位置 2 时，电流表的示数为0.25 A．求电源电动势 E 和内阻 r 分别是多少
分析：要求两个未知量，必须列出两个方程．根据题意，电键 S 在不同的位置就组成两个不同的电路，两个电路的电动势和内阻相同．根据全电路欧姆定律就可以列出两个方程，并进行求解．
解：根据全电路欧姆定律，得
代入数据，得
解方程，得
4.5 安全用电
4.5.1 人体触电类型
1．单相触电
人体直接接触到带电设备中的相线，相线、人体与大地组成回路，电流通过人体，这种触电现象称为单相触电．其危险程度与电压的高低、电网的中性点是否接地以及每相对地电容量的大小有关．
要避免单相触电，在进行操作时必须穿上胶鞋或者站在干燥的木凳上，以增大电阻减小电流．
2．两相触电
人体不同部位同时接触带电设备或线路中的两根相线，相线、人体以及另一相线构成回路，这种触电方式称为两相触电，发生两相触电是最危险的．
3．跨步电压触电
当电气设备发生接地故障，接地电流以落地点为中心向大地流散．若人在接地短路点周围行走，其两脚间的电压就是跨步电压．由跨步电压引起的人体触电，称为跨步电压触电，如图所示．
4.5.2 电气火灾的防范
1．电气火灾的原因
电流通过导体总要克服一些阻力，消耗一些电能，这些电能主要转化为热能，即电流通过导体的热效应．在正常情况下，其发热量被控制在允许的范围内，一般不会引起火灾事故．只有在异常情况下，发热量才会迅速增加，从而导致火灾．
（1）电气设备或导线的功率或电流超过其额定值；
（2）线路短路；
（3）电线接头接触不良。
为了避免电气火灾，在日常生活中应当树立安全用电意识．居民家庭从家用电表开始，应选择与用电设备相匹配的电表，选用与电表相符合的保险丝，超过使用年限的家用电器要及时更换．
2．电气火灾的防范
4.5.3 用电安全措施
要实现安全用电，应在实际工作和生活中注意以下事项：
（1）个人不能私自拆装电线和电器，以免造成触电或短路事故．
（2）开关必须装在相线上，应合理选择导线及熔断器，不能随意更改熔体的规格和材质．
（4）不能用湿布擦拭或是用水清洗正在使用的电器．
（3）安装电器时，必须根据安装说明正确安装；带金属外壳的电器必须采取接地保护措施；大功率电器必须使用接地良好的三相插座．
（6）当电线落在地上时，不能走得太近，以免发生跨步电压触电，应当及时告知有关人员处理．
（5）不能在架空线路或者户外变电所附近放风筝、钓鱼，不得攀爬电线杆和变压器塔等电气设备．
（7）当由于电气故障引发火灾时，应当及时切断电源．电气起火时，迅速用沙子覆盖，或者用四氯化碳灭火器、二氧化碳灭火器灭火，不能用水或者一般酸碱泡沫灭火器灭火，以免发生触电危险．
（8）若发现有他人发生触电事故时，首先应当迅速切断电源，用绝缘物体挑开触电者身上的带电物体；其次，立即呼叫120急救中心；再次，要使触电者保持呼吸畅通，用干净的敷料包扎电灼伤的伤口和创面．
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