一、导体的电阻
1、定义:导体两端的电压与通过导体的电流的比值,叫做这段导体的电阻.
2、定义式:
说明:①对于给定的导体, R一定,不存在R与U成正比、与I成反比的关系.
②这个式子(定义)给出了测量电阻的方法——伏安法.
3、单位:电压单位用伏特(V),电流单位用安培(A),电阻单位用欧姆,符号Ω,且1Ω=1V/A
常用单位:1kΩ=1000Ω;1MΩ=1000000Ω
4、伏安特性曲线:用纵轴表示电流I,用横轴表示电压U,画出I—U图线叫做导体的伏安特性曲线。
①同一导体的I—U图线是过原点的直线,具有这种伏安特性的电学元件叫线性元件(如常温下的电阻);伏安特性曲线是曲线的叫非线性元件(二极管);
②在I—U图线中,斜率
,在U—I图线中,斜率
。在甲图中
,在乙图中
。
电阻恒定不变的导体,它的伏安特性曲线是直线。电阻随外界条件的变化的导体,它的伏安特性曲线是曲线,如图所示。曲线随电压的增大,斜率逐渐增大,说明导体的电阻随电压的升高而减小。
二、欧姆定律
1、内容:导体中电流强度跟它两端的电压成正比,跟它的电阻成反比。
2、表达式:I=U/R
3、注意:
①式子中的三个量R、U、I必须对应着同一个研究对象
②大量实验表明,欧姆定律适用于纯电阻电路(金属、电解液等),对于气体导电不适用。
三、电阻定律
1、内容:同种材料的导体的电阻R跟它的长度L成正比,跟它的横截面积S成反比;导体电阻与构成它的材料有关。这就是电阻定律。
2、公式:R=ρ
式中ρ是比例常数,它与导体的材料有关,是一个反映材料导电性能的物理量,称为材料的电阻率。
3、电阻率ρ:
(1)电阻率是反映材料导电性能的物理量。
(2)单位:欧·米(Ω·m)
各种材料的电阻率随温度而变化。纯金属的电阻率随温度的升高而增大(应用:可制成电阻温度计);半导体和电介质的电阻率随温度的升高而减小,且半导体的电阻率随温度变化较大(应用:可制成热敏电阻);有些材料(如锰铜合金、镍铜合金)的电阻率几乎不受温度的影响(应用:可制成标准电阻)。当温度降低到绝对零度附近时,某些材料的电阻率突然减小到零,成为超导体。
例1:实验室用的小灯泡灯丝的I—U特性曲线可用以下哪个图象来表示
分析:部分电路欧姆定律的表达式为
(适用于金属导体和电解液,不适用于气体导电)。对于电阻的伏安特性曲线:注意I—U曲线和U—I曲线的区别。还要注意:当考虑到电阻率随温度的变化时,电阻的伏安特性曲线不再是过原点的直线。
解析:灯丝在通电后一定会发热,当温度达到一定值时才会发出可见光,这时温度能达到很高,因此必须考虑到灯丝的电阻将随温度的变化而变化。随着电压的升高,电流增大,灯丝的温度升高,电阻率也将随之增大,电阻增大。U越大,I—U曲线上对应点与原点连线的斜率必然越小。
答案:A
例2:一段均匀导线对折两次后并联在一起,测得其电阻为0.5 Ω,导线原来的电阻多大?若把这根导线的一半均匀拉长为三倍,另一半不变,其电阻是原来的多少倍?
解析:一段导线对折两次后,变成四段相同的导线,并联后的总电阻为0.5 Ω,设每段导线的电阻为R,则
=0.5 Ω,R=2 Ω,所以导线原来的电阻为4R=8 Ω。
若把这根导线的一半均匀拉长为原来的3倍,面积只有原来的
,则这一半的电阻变为
=4Ω×9=36 Ω,另一半的电阻为4 Ω,所以拉长后的总电阻为40 Ω,是原来的5倍。
答案:8 Ω;5倍
例3:神经系统中,把神经纤维分为有髓鞘与无髓鞘两大类。现代生物学认为,髓鞘是由多层(几十到几百层不等)类脂物质——髓质积累而成的,髓质具有很大的电阻。已知蛙有髓鞘神经,髓鞘的厚度约为2
左右,而它在每平方厘米的面积上产生的电阻却高达
(1)若不计髓质片间的接触电阻,计算髓质的电阻率;
(2)若有一圆柱是由髓质制成的,该圆柱的体积为32
,当在其两底面上加1000 V的电压时,通过该圆柱体的电流为10
A,求该圆柱体的圆面半径和高。
分析:电阻定律的内容是在一定温度下,导体的电阻跟导体的长度成正比,跟导体的横截面积成反比,表达式为:
。这是电阻的决定式,但导体的电阻率却不由电阻、导体长度、横截面积决定。
解析:(1)面积为S=1 cm2=1×10-4m2髓质的电阻为
,由电阻定律R=ρ
得:电阻率为
(2)设圆柱体的圆面半径为r、高为h,横截面积为:
,圆柱体的体积为
,而电阻可表示为:
,由欧姆定律
,联立以上各式得:
半径为r=4×10-2m=4cm
例4:在相距40 km的A、B两地架两条输电线,电阻共为800 Ω,如果在A、B间的某处发生短路,这时接在A处的电压表示数为10 V,电流表的示数为40 mA,求发生短路处距A处有多远?如下图所示.
解析:设发生短路处距离A处有x米,据题意知,A、B两地间的距离L=40 km,电压表的示数U=10 V,电流表的示数I=40 mA=40×10-3A,R总=800Ω。
根据欧姆定律I=
可得:A端到短路处的两根输电线的电阻Rx
Rx=
Ω=250Ω ①
根据电阻定律可知:
Rx=ρ
②
A、B两地输电线的电阻为R总,R总=ρ
③
由②/③得
④
解得x=
×40 km=12.5 km
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