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1、第 1 页 共 6 页浅析浅析“欧姆定律欧姆定律”驿前中学驿前中学 吴刚吴刚【 【摘要摘要】 】欧姆定律是欧姆定律是电电学中的基本定律，多角度的学中的基本定律，多角度的认识认识和理解欧姆定律和理解欧姆定律对对于教于教师师教学与教学与学生的学学生的学习习非常必要，笔者非常必要，笔者结结合平合平时时学学习习的一些知的一些知识识和教学中的一些体会从静和教学中的一些体会从静电场电场理理论论、 、电电路特点、功能关系三个角度路特点、功能关系三个角度谈谈一一谈对谈对欧姆定律的一些粗浅欧姆定律的一些粗浅认识认识和理解。和理解。【 【关关键词键词】 】欧姆定律欧姆定律 静静电场电场 电电路路 功与能功与能在电
2、磁学中欧姆定律是反映电路中电流变化规律的基本定律，深刻理解这个定律对于我们教师的教学有重要意义，下面就从静电场理论、电路特点、功能关系三个方面谈一谈笔者对欧姆定律的认识和理解。一一以静电场理论为基础去认识欧姆定律以静电场理论为基础去认识欧姆定律由于静电场是由静止电荷产生的，所以静电场与电荷是密不可分的。电荷是产生电场的源头，而电场又是传递电荷间相互作用的媒介。电场的基本性质就是对置于其中的电荷有电场力的作用，正是由于电场的这一性质，使得导体在处于电场中时，其中的自由电荷在电场力的作用下作定向移动而形成电流。因此建立电场形成电势差是产生电流的必要条件。而在闭合电路中存在着由电源、导线、用电器等电
3、路元件所积累的电荷共同形成的电场，由于这些电荷处于一种动态而又稳定的分布状态，所以它们产生了稳定的电场，这个电场称为恒定电场（注意：恒定电场中各点的电场强度不随时间变化，但不是各点的电场强度相等，要把它和匀强电场区别开来） 。恒定电流就是导体中的自由电荷在恒定电场的作用下，经过导体的“自动调节”以后，电路中达到的一种相对稳定的动态平衡状态。这一动态平衡过程可以从电路的电动势、电压、电流强度、电阻等物理量的对立统一的关系中得到反映。而欧姆定律正是这一关系的最好、最简洁的反应。下面我们用一个简单的结构图为例，作一简要分析：欧姆定律欧姆定律部分电路部分电路 RUI 产生电流的原因（电场提供外部条件）
4、产生电流的原因（电场提供外部条件）阻碍电流的作用（导体本身内部因素）阻碍电流的作用（导体本身内部因素）SlR 体体现现材料材料对导对导体体导电导电性能的影响性能的影响闭合电路闭合电路 rREI维持恒定电场，产生恒定电流的条件维持恒定电场，产生恒定电流的条件（电源的作用）（电源的作用）电路本身对电流的障碍作用电路本身对电流的障碍作用 第 2 页 共 6 页从上图可以发现，事物发展的过程都是外因和内因共同作用的结果。在一段材料分布均匀的导体中，导体两端的电势差是产生电流的外因，在部分电路的欧姆定律中电势差 U正体现了电场所提供的这种外部条件。同时电流的大小还跟导体本身对电流的障碍作用有关，电阻的大
5、小则是导体本身对电流这种障碍作用的反映。这里我们不妨利用我们前面学过的一些基本知识与电磁学里有关知识，在一个匀强电场中做如下推导：如图所示，有部分电路处于匀强电场中，数据如图：则由，又因为。所以RUI SLRLUSI即可得：， LU SI1根据普通物理电磁学知识为电流密度，电阻率的倒数表示电导率即：（同SIj 1样体现导体对电流的障碍作用大小，与材料有关） ；又因为：，由上面几个表达式可得：。LUE Ej从这个表达式我们可以更清楚地看到电流完全依赖于物质本身的导电性与外部Ej的电场。在电路中静电力的作用，只能将正电荷（或负电荷）从高（或低）电势处移动到低（或高）电势处，这将使电路中的电荷的分布
6、发生改变，因此只在静电力作用下不能维持恒定电场和产生恒定电流。要维持恒定电流，必须有非静电力，这种非静电力能够“像电梯一样”把正电荷从低电势处移到高电势处，以补偿由于静电力作用时高电势处的正电荷的损耗。而电路中的电源就是提供非静电力的装置。在闭合电路欧姆定律表达式中，电动势 E 就是表示非静电力做功本领大小的物理量，它体现了电源在电路中 rREI所起的维持恒定电场的作用。综上所说，电流是静电力与非静电力在电路中共同作用的结果。二从串并联电路的特点出发去分析欧姆定律二从串并联电路的特点出发去分析欧姆定律受恒定电场控制的电路有如下特点（如下表）受恒定电场控制的电路有如下特点（如下表）串联电路并联电
7、路LESI图图第 3 页 共 6 页电流特点电路中各处电流相等，即：（I=I1=I2=I3=）电路中总电流等于各支路电流之和，即：（I=I1+I2+I3+）电压特点总电压等于各部分电路两端电压之和，即：U=U1+U2+U3+电路中各支路两端电压相等，即：U=U1=U2=U3=总电阻 R 与各电路中各导体电阻关系总电阻等于各导体电阻之和，即：R=总电阻的倒数等于各导体电阻倒数之和，即：LL 3211111 RRRR导体电压（或电流）与其电阻关系电阻两端电压与其阻值成正比串联分压原理：通过各电阻的电流与阻值成反比（并联分流原理：）各电阻的消耗功率与阻值的关系各电阻消耗功率与其阻值成正比各电阻消耗功
8、率与其阻值成反比电路模型在闭合电路中，如图所示，电源内阻和外电阻成串联关系，因此通过内外电路的电流相同，都是，而外内也就是电源电动势等于电路中总的电势rREI差，为内外电路的总电阻。由串联电路中各电阻两端电压与其阻值成正比的关系（串联分压原理）可得：闭合电路的路端电压外与电动势的关系为：，ErRRU外电源内阻所分得的电压（内电压内）与的关系式为：，这都是串联电路电压分配的必然结果。ErRrU内【实例分析实例分析 1】如图如图 3 所示电路中，电阻所示电路中，电阻 R1=9，R2=15，电源电动势电源电动势 E=12V，内阻，内阻 r=1，求：，求：（1）当电流表示数为 0.4A 时，变阻箱 R
9、3的读数以及电源两端的电压是多大？（2）当变阻箱 R3的读数为 10 时，电压表、电流表读数是多大？电源的输出功率与自身消耗功率为多大？ （图）第 4 页 共 6 页分析与解：（）首先分析电路的特点，外电路是 R3、R2并联后与的串联，而外电路与内电路的关系时串联。设干路电流为，则根据并联分流的原理可得：，IRRRI323 2而外电路的总电阻，3232 1RRRRRR由闭合电路的欧姆定律：rREI由式可得即可得：，所以电源两端电压：193232 1RRRRRRVIRU6 . 7（也可利用分压原理：）VErRRU6 . 7（）根据电路特点，当 时，外电路总电阻153232 1RRRRRR由闭合电
10、路的欧姆定律：rREI又因为IRU 由式可得 U=11.25V（或利用分压原理得：）VErRRU25.11根据并联分流原理可得可得 I2=0.3AIRRRI323 2由 P总=EI，根据功率分配原理得：输出功率 P出=P总R/(R+r)8.44W；P内= P总r/(R+r) 0.56W简评：从上面这道题的分析过程我们不难看出在求解有关问题时，在运用欧姆定律的同时我们也运用串联电路与并联电路的电压、电流、功率的有关分配规律。三三从能量转化与守恒的观点分析理解欧姆定律从能量转化与守恒的观点分析理解欧姆定律如果从功和能的观点来分析电路，在闭合电路中，电源外部的电路里，自由电荷在静电力的作用下移动，静
11、电力做正功，电势能转化为其他形式的能。在电源内部的电路里，ASE rR1R2 R3图 3V第 5 页 共 6 页自由电荷的移动方向与受到的静电力方向相反，移送电荷的不再是静电力，而是非静电力。非静电力做功将电荷“移送”到电势能高的电极，增加电势能，在此过程中消耗其他形式的能。所以说任何一个闭合电路都是一个能量转换的系统，根据闭合电路欧姆定律可得：EI=IR+Ir，进一步推导可得：EI=I2R+Ir，式表明电源释放的功rREI率等于电源输出功率与电源内部消耗功率之和，这正是能量守恒定律在闭合电路中的反映。在闭合电路中，电源是充当能量转换器的角式，它不能创造电荷，也不能创造能量，它通过提供非静电力
12、做功实现正负电荷的分离，在形成恒定电场电场的同时，把其他形式的能量转化为电能，如：化学电池是把化学能转化为电能，水能发电机是把水的机械能转化为电能，太阳能电池是把光能转化为电能。从能量转化的角度看，电动势则是反映电源把其他形式的能转化为电能的本领物理量。而闭合电路中的内外电阻以及各种负载，它们的功能与电源恰好相反，是把电能转化为其他形式能量得转换器，如：纯电阻元件是把电能转化为内能，电解槽是把电能转化为化学能（由于电解槽有内阻所以除化学能还有少量内能） ，电动机是把电能转化为机械能（由于电动机也有内阻所以除机械能还有少量内能）。在整个能量转化的过程中，能的总量保持不变。在外电路的情况发生变化时
13、，电源自身的输出功率与消耗功率都会发生相应的变化，但是不管如何变化，电路的总功率与输出功率、内耗功率的关系保持不变，即 P总=P输出+P内耗，总是遵循能量守恒定律。【实例分析实例分析 2】在【实例分析 1】所述的电路中，当电流表示数为 0.4A 时，求：（1）2 秒钟内有多少化学能转化为电能？（2）将 1 库伦正电荷从电源的负极移到正极，非静电力做了多少功？静电力做了多少功？有多少电能消耗在电源内阻 r 上？分析与解：（1）根据能量守恒定律得，2 秒内电源消耗的化学能等于同时间内转化的电能，即：由 R3=30, 得，又因为，所以 I=0.6A193232 1RRRRRRrREI，根据 E化=E
14、电得 E化=14.4J。JEItE4 .14电（2）根据电动势与电势差（电压）的定义可知，将 1 库伦的正电荷从电源的负极移到正极，非静电力做的功 W非=Eq=121J=12J；静电力做功 W静=Uq,由 U=IR=11.4J；消耗在电源内阻的电能 E=W非W静=0.6J第 6 页 共 6 页简评：根据分析过程可以得出，运用能量守恒定律去分析欧姆定律，可以为我们解决问题带来新思路和方法。从上面三个方面的分析，我们可以看出运用电场的理论揭示欧姆定律的本质，从电路的特点与能量守恒定律出发分析理解欧姆定律，是我们学习和掌握欧姆定律的有效途径。深刻认识与理解欧姆定律，对于我们教师的教学实践有着重要意义。参考文献：参考文献： 普通物理（普通物理（电电磁学）磁学） 南京理工大学出版社南京理工大学出版社 高中物理教科高中物理教科书书（人教版（人教版 3-1） ） 与与 教教师师用用书书 中学物理教学参考中学物理教学参考 陕陕西西师师大大 数理化学数理化学习习 哈哈尔滨师尔滨师大）大）
