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1、教学课题：第二章 简单直流电路第一节 电动势 闭合电路的欧姆定律课 时：3课时教学目的：1 理解电动势的概念2 掌握闭合电路的欧姆定律3 掌握端电压、负载输出功率的概念和计算方法教学重点：掌握闭合电路的欧姆定律教学难点：掌握闭合电路的欧姆定律教学方法：讲授法、多媒体课件第一节 电动势 闭合电路的欧姆定律复习提问：1部分电路的欧姆定律的内容是什么？公式是什么？答：导体两端的电压和导体的电阻成正比，和流过导体的电流成反比。R=U/I一、电动势电路中要有电流通过，就必须在它的两端保持电压。干电池、蓄电池、发电机等电源，能够在电路中产生和保持电压。下面讨论电源是怎么产生这种作用的。图2-1是一个简化了
2、的带有电源的电路示意图。虚线框内是电源，A是电源的正极，B是电源的负极，R是用电器。电源外部的电路叫外电路，电源内部的电路叫内电路。电源的工作就是把正电荷从B极移送到A极，或者把负电荷从A极移送到B极。为了使问题简化，我们只讨论把正电荷从B极移送到A极的情形。把正电荷从B极取走，B极上就出现了等量的负电荷。要把正电荷送到A极，一定要有一种力来反抗正负电荷间的静电引力，这种力一定不是静电力，就称之为非静电力，不同电源的非静电力的来源可以不同，干电池和蓄电池的非静电力来自化学作用，发电机的非静电力来自电磁作用。非静电力把正电荷移送到A极，A极就有了多余的正电荷，B极就有了等量的负电荷。于是在电源内
3、部形成了电场。这个电场是阻碍正电荷从B极移到A极的，两极上的异种电荷越多，阻碍正电荷从B极移到A极的静电力就越大。如果外电路是断开的，当两极上的异种电荷达到一定值时，静电力和非静电力对电荷的作用达到平衡，正电荷从B极移到A极的过程停止，这时电源两极间就建立了一定的电压。如果使外电路闭合，在外电路中也形成了电场，正电荷就要通过外电路从A极移到B极，在那里跟负电荷中和。于是两极的电荷减少，电源内部的电场减弱，静电力和非静电力的平衡受到破坏，在电源内部又出现把正电荷从B极移到A极的过程。这个过程使电源两极保持一定的电压，使电路中持续有电流通过。非静电力在电源内部把正电荷从负极移到正极，是要做功的。这
4、个做功的过程，实际上就是把其他形式的能转化为电能的过程。因此，从能量转化观点来看，电源就是把其他形式的能转化为电能的装置。例如，电池是把化学能转化为电能的装置，发电机是把机械能转化为电能的装置。对于同一电源来说，非静电力把一定量的正电荷从负极移送到正极所做的功是一定的。但对不同的电源来说，把同样多的正电荷从负极移送到正极所做的功，一般上不同的。在移送电荷量相等的情况下，非静电力做的功越多，电源把其他形式的能转化为电能的本领也越大。电源的这种本领，可用电动势来表示。非静电力把正电荷从负极经电源内部移送到正极所做的功与被移送的电荷量的比值，叫做电源的电动势，用字母E表示。如果被移送的电荷量为q，非
5、静电力做的功为W，那么电动势E=W/q式中，W、q的单位分别是J、C。电动势E的单位跟电位、电压的单位相同，是V。每个电源的电动势是由电源本身决定的，跟外电路的情况没有关系。例如，干电池的电动势是1.5V，铅电池的电动势是2V。电动势是一个标量，但它和电流一样有规定的方向，即规定自负极通过电源内部到正极的方向为电动势的方向。二、闭合电路的欧姆定律图2-2所示是最简单的闭合电路。在闭合电路里，不但外电路有电阻，内电路也有电阻，内电路的电阻叫做内电阻。那么，在闭合电路里，电流是由哪些因素决定的呢？这个问题可以用能量守恒定律和焦耳定律来解决。设t时间内有电荷量q通过闭合电路的横截面。在电源内部，非静
6、电力把q从负极移到正极所所的功W=Eq，考虑到q=It，那么W=EIt。电流通过电阻R和r时，电能转化为热能，根据焦耳定律，Q=RI2t+rI2t。电源内部其他形式的能转化成的电能，在电流通过电阻时全部转化为热能，根据能量守恒定律，W=Q，即EIt= RI2t+rI2t，所以E=RI+rI或上式表示：闭合电路内的电流，跟电源的电动势成正比，跟整个电路的电阻成反比，这就是闭合电路的欧姆定律。由于RI=U是外电路上的电压降（也叫端电压），rI=U是内电路上的电压降，所以E=U+U这就是说，电源的电动势等于内外电路电压降之和。三、端电压电源的电动势不随外电路的电阻而改变，但电源加在外电路两端的电压端
7、电压却不是这样。从图2-3所示的实验，很容易看到，变阻器的电阻R改变了，电压表所示的端电压U也随着改变。R增大，U也增大；R减小，U也减小。 图2-3利用闭合电路的欧姆定律很容易说明这个现象。由于I=E/（R+r），外电路的电阻R增大时，电流I要减小；由于端电压U=ErI，电流I减小时，端电压U就增大。反之，外电路的电阻R减小时，电流I要增大，于是端电压U就减小。电源端电压随负载电流变化的规律叫做电源的外特性。下面讨论两种特殊情况：（1）当外电路断开时，R变成无限大，I变成零，rI也变为零，U=E，这表明外电路断开时的端电压等于电源的电动势。利用这个道理可以用电压表来粗略测定电源的电动势。当然
8、，这时电压表本身构成了外电路，因此，测出的端电压并不准确地等于电动势。不过由于电压表的内阻很大，I很小，rI也很小，因此，U和E相差很小，只要不要求十分准确，可以用这个办法来测电动势。（2）当外电路短路时，R趋近于零，端电压U也趋近于零，这时I电源的内电阻一般都很小，所以，短路时电流很大。电流太大不但会烧坏电源，还可能引起火灾。为了防止这类事故，在电力线路中必须安装保险装置，同时实验中绝不可将导线或电流表（电流表内阻很小）直接接到电源上，以防止短路。图2-4中曲线表示了端电压U随负载电阻R的变化关系。为了比较，图中作出了电动势相同但内阻r值不同的两条曲线。例1 在图2-5中，当单刀双掷开关S扳
9、到位置1时，外电路的电阻R1=14，测得电流I1=0.2A；当S扳到位置2时，外电路电阻R2=9，测得电流I2=0.3A，求电源的电动势和内电阻。解：根据闭合电路的欧姆定律，可列出联立方程E= R1I1+rI1E= R2I2+rI2消去E，可得R1I1+rI1= R2I2+rI2所以把r值代入E R1I1+rI1中，可得E=3V这道例题又介绍了一种测量电源电动势和内电阻的方法。四、电源向负载输出的功率将U=E-rI两端同乘以I，得UI=EI-rI2式中。EI是电源的总功率，UI是电源向负载输出的功率，rI2是内电路消耗的功率。由以讨论可知：电流随负载电阻的增大而减小，端电压随负载电阻的增大而增
10、大，电源输出给负载的功率P=IU也和负载电阻有关。那么，在什么情况下电源的输出功率最大呢？若负载为纯电阻时，则利用（R+r）2=（R-r）2+4Rr，上式可以写成电源的电动势E和内电阻r与电路无关，可以看作是恒量。因此，只有R=r时，上式中分母的值最小，整个分式的值最大，这时电源的输出功率就达到最大值，该最大值为这样，就得到结论：外电路的电阻等于电源的内电阻时，电源的输出功率最大，这时称负载与电源匹配。图2-6曲线表示了电动势和内阻均恒定的电源输出的功率P随负载电阻R的变化关系。当电源的输出功率最大时，由于R=r，所以，负载上和内阻上消耗的功率相等，这时电源的效率不高，只有50%。在电工和电子
11、技术中，根据具体情况，有时要求电源的输出功率尽可能大些，有时又要求在保证一定功率输出的前提下尽可能提高电源的效率，这就要根据实际需要选择适当阻值的负载，以充分发挥电源的作用。上述原理在许多实际问题中得到应用。例如，在多级晶体管放大电路中，总是希望后一级能从前一级获得较大的功率，以提高整个系统的功率放大倍数。这时，前级放大器输出电阻相当于电源的内阻，后级放大器的输入电阻则相当于负载电阻，当这两个电阻相等时，后一级放大器就能从前一级得到最大的功率，这个问题叫放大器之间的阻抗匹配。例2 在图2-7中，R1=8，电源的电动势E=80V，内阻r=2，R2为变阻器，要使变阻器消耗的功率最大，R2应多大？这时R2消耗的功率是多少？解：可以把R1看作是电源内阻的一部分，这样电源内阻就是R1+r。利用电源输出功率最大的条件，可以求出R2=R1+r=（8+2）=10这时，R2消耗的功率课后小结：课后作业：P35 1、2、3、4、5