給初中生講講高中物理之《恒定電流》(上)
筆者認(rèn)為這一章與初中物理的電學(xué)部分相連的很好,可以不作鋪墊或補(bǔ)充直接講。學(xué)一下這些內(nèi)容,做某些題目也可以更熟悉,更快。如筆者注意到2017年無(wú)錫物理中考的電學(xué)實(shí)驗(yàn)就考到了測(cè)電阻的內(nèi)接法與外接法,有時(shí)我們還會(huì)做到用靈敏電流計(jì)改裝出電表的題目,這些其實(shí)都是《恒定電流》這一章的基本操作,但有的初中生能力不夠強(qiáng),就不會(huì)做了。不妨聽(tīng)我淺談一下,可以當(dāng)是開(kāi)開(kāi)眼界,同時(shí)也讓我水幾篇文章。放心,你肯定能聽(tīng)懂。

這一篇我們講講概念,講電流、電源的電動(dòng)勢(shì)與閉合電路的歐姆定律。
我們首先要知道,什么是恒定電流。恒定電流是指大小,方向都不變的電流。有人會(huì)說(shuō),哎這不就是直流電嘛,不,直流電只要求方向不變,二者是不一樣的。而交流電是交流電是指電流方向隨時(shí)間作周期性變化的電流。
如圖,我有兩個(gè)導(dǎo)體棒,帶有等量的電荷,一個(gè)帶負(fù)電,一個(gè)帶正電。將它們用導(dǎo)線連接,正負(fù)電荷受相互作用力運(yùn)動(dòng)起來(lái),在導(dǎo)線中定向移動(dòng)。我們可以把這種力叫作靜電力,我們也知道,電荷定向移動(dòng)會(huì)形成電流。但這種電流一下就沒(méi)了,兩個(gè)導(dǎo)體棒很快就呈電中性。這種一下就沒(méi)的電流顯然不能滿足我們的生活需求。

為了獲得持續(xù)的電流,我們就要一種裝置,重新把正負(fù)電荷拽到兩邊,這種裝置就是電源,這種拽電荷的力顯然不是靜電力了,我們把它叫作非靜電力,非靜電力在克服靜電力的阻礙,在電源兩端形成電壓。

一個(gè)完整的電流回路,必須要有靜電力和非靜電力。把正電荷從負(fù)極搬回到正極當(dāng)然要做功,但不同的電源做功的本事是不一樣的,我們就用電動(dòng)勢(shì)(E)來(lái)描述電源的這種本事。電動(dòng)勢(shì)是描述電源內(nèi)部非靜電力做功,將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)的物理量。電動(dòng)勢(shì)的單位是伏特(V),是不是很親切?這和電壓確實(shí)差不多。如果我說(shuō)一個(gè)電源的電動(dòng)勢(shì)是1.5V,就說(shuō)明這個(gè)電源把一庫(kù)倫的正電荷從負(fù)極搬到正極做1.5J功,有就是說(shuō)1.5J的其他形式的能轉(zhuǎn)化為了電能,6V就做6J功。電動(dòng)勢(shì)的方向規(guī)定為從電源的負(fù)極經(jīng)過(guò)電源內(nèi)部指向電源的正極,即與電源兩端電壓的方向相反。
那么為什么在高中這個(gè)和電壓差不多的玩意要改名字叫電動(dòng)勢(shì)呢?在初中,電壓一般指路端電壓,即外電路的電壓。根據(jù)焦耳定律,電流在電源里走,由于電源有內(nèi)阻,會(huì)先消耗掉一點(diǎn)能量。我們就能得到電動(dòng)勢(shì)與外電壓的關(guān)系,即E=U+Ir(U為外電壓,r為電源內(nèi)阻)
說(shuō)了電動(dòng)勢(shì),再說(shuō)說(shuō)電流。我們可以對(duì)電流進(jìn)行一個(gè)更標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)格的定義。電流可以說(shuō)是單位時(shí)間通過(guò)導(dǎo)體某一橫截面的電荷量。電荷量用q表示,單位為庫(kù)倫(C),電荷量表示導(dǎo)體橫截面的所有電荷電量的總和。從這個(gè)概念我們能得到電流的定義式。

這又是比值定義。電流大小與q,t沒(méi)有關(guān)系。電流是標(biāo)量,但我們?nèi)藶橐?guī)定電流的方向就是正電荷定向移動(dòng)的方向。
我們?cè)賮?lái)了解幾個(gè)有關(guān)電荷的速率。一個(gè)是自由電荷熱運(yùn)動(dòng)速率,數(shù)量級(jí)在10的5次方m/s,而加上電壓電荷的定向移動(dòng)速率只有10的-3次方m/s,是很慢的。還有一個(gè)電荷的傳導(dǎo)速率,或者說(shuō)叫電場(chǎng)的建立速度,數(shù)量級(jí)在10的8次方m/s,和光速有的一拼。這幾個(gè)速率怎么理解呢?第一個(gè)很好理解,關(guān)鍵是后兩個(gè)。前者可以理解為電荷在導(dǎo)線里齊步走的速率,而后者可以理解為到處都是的電荷在電壓的“哨聲”下集結(jié)排隊(duì)的速率,大概這么個(gè)意思了。
我們?cè)偻茖?dǎo)一下電流的微觀表達(dá)式:I=nvSq。

這時(shí)我們可以說(shuō),電流與n,v,S,q有關(guān)系。
上述兩個(gè)關(guān)于電流的公式對(duì)任何情況都適用。
我們初中已經(jīng)學(xué)習(xí)了歐姆定律。

第一個(gè)公式也叫電流的決定式。第三個(gè)公式也叫電阻的定義式。
現(xiàn)在我們學(xué)習(xí)了電動(dòng)勢(shì),可以對(duì)整個(gè)閉合電路用歐姆定律描述,這就是閉合電路的歐姆定律。

R是外電路總電阻,r是電源內(nèi)阻。這個(gè)公式對(duì)電學(xué)計(jì)算的用處非常大,也很好理解。
歐姆定律適用于純電阻電路,金屬導(dǎo)電和電解液導(dǎo)電,在氣體導(dǎo)電和半導(dǎo)體元件等中歐姆定律將不適用。
這一篇相當(dāng)于科普。下一篇開(kāi)始的內(nèi)容或許就能真正幫助各位解題了。記得一鍵三連喲