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1、第1章 认识（直流）电路早在公元前6世纪，人们就已经发现了电的存在，从雷电到静电，从摩擦起电到水力发电、火力发电，再到核电站发电。电以其生产、变换经济，传输、分配容易，使用、控制方便等，已成为现代生产和日常生活不可缺少的物质。人类社会已步入电的时代，因而电气化的程度也成为衡量一个国家生产力水平和综合国力的主要标志之一。在实际应用中，电总是按照一定的路径（电路）传输和运行。电按其性质不同分成了直流电和交流电，相应的电路分成了直流电路和交流电路，让我们首先进入直流电路的世界。知识目标： 了解电路的组成及各部分的作用，了解电路图中常用的元件符号。 理解电流、电压、电阻、电源、电动势、电功、电功率等电
2、学量的概念。写出相关的公式。 理解直流电路中电流、电压、电阻之间的关系：欧姆定律，掌握运用欧姆定律。 理解电路三种状态，了解电气设备的额定值。 说出焦耳定律的内容，写出焦耳定律的表达式。能应用电功、焦耳定律分析和解决实际问题。技能目标： 学会正确使用电流表、电压表、万用表等仪表测量有关电学量。 学会白炽灯、日光灯等实际电路的连接。1.1 电路概念的建立学习目标 认识电路的组成，知道电路各部分的作用和工作状态。 认识常见电源、熔断器、漏电保护器。1.1.1 观察电路的组成我们周围存在着各种简单或复杂的电路，它们的结构组成必定符合相同的规律和要求，让我们通过观察来认识电路的组成规律。（直流电路）（
3、交流电路） 如图1.1所示，将干电池、灯泡、开关、电线等连接成电路，当我们将开关接通时，灯泡发光。图1.1 灯泡为什么会发光？灯泡发光是由于电流通过灯丝时产生热效应所致，可见在上述电路中已形成了完整的电流通路。电路的组成包括：（1）电源供应电能的装置；（2）用电器取用电能的装置；（3）开关控制电路接通或断开的器件；（4）导线起连接和电流传输作用的材料。1.1.2 常用电气元件符号国际电工委员会和我国国家标准委员会对各类电路元器件都规定了统一的符号（称为国际电路常用符号），如表1.1所示。表1.1 常用电气元件符号直流电交流电交直流电开关电阻接机壳电池电位器接地续表 线圈电容连接导线铁芯线圈AA
4、电流表不连接导线GG抽头线圈VV电压表熔断器直流发电机二极管电灯交流发电机 M直流电动机 M交流电动机1.1.3 观察电路的状态灯泡是否发光显示了所处电路的工作状态，电炉是否发热也显示了电路的状态，还有一些电路没有明显的标志显示其状态，但是我们可以通过对电路有关电学量的测量分析判断电路的状态，我们还经常可以在很多用电器上看到诸如“警告”、“WARNING”等标志，禁止电路处于某些状态，这又是什么原因呢？如图1.1所示，当开关接通时，灯泡发光，表明电路处于导通状态；当开关断开或电线断裂、接头松脱时，灯泡不发光，表明电路处于断开状态。通常电路存在通路（闭路）、开路（断路）两种状态，但在发生故障或连
5、接错误时，还存在短路状态，电路三种状态的比较如表1.2所示。表1.2 电路三种状态状 态特 点通路电路接通有电流通过开路电路一处或多处断开无电流通过短路导线未经用电器（负载）而直接将电源正负极（两极）相接电流很大，易引起电路烧毁甚至火灾等严重事故想一想短路会产生什么后果？实际生产和生活中是如何防止短路的？拓展与延伸1熔断器熔断器又称熔丝，通常是由熔点比较低的铅锑合金材料制成的。当通过熔丝的电流超过一定数值（此电流称为额定电流）时，熔丝会因发热过多而很快熔断，从而起到保护电路其他器件的作用。常见的熔断器如图1.2所示。 图1.2 常见的熔断器熔丝的额定电流与熔丝的粗细有关，其直径越粗，熔断电流越
6、大。选用熔丝时，应使它的额定电流等于或略大于电路正常工作时的最大电流。2电源广义地讲，能把非电能转换成电能而向用电器供电的装置均称为电源。常用的电源有：干电池、太阳能电池、火力发电机组、水力发电机组、核电机组等（如图1.3、图1.4、图1.5所示）。 图1.3 风力、水力发电站名 称实 物 图用 途直流电源（a）干电池（1.5V）（b）蓄电池（12V，6A11）（c）直流电源：0500V/250mA有收录机及计算器等使用的便于携带的干电池、模型飞机及汽车引擎起动等使用的蓄电池和在一定范围内能自由改变电压的直流电源装置等。直流电源均有两个电极（正、负极）。图1.4 直流电源衡量电源内部这种搬运电
7、荷能力的物理量称为电源电动势，通常用符号E表示，电动势的单位也是伏特。电池的串联可以增加电动势，满足电路对大电动势的要求，同时串联以后的电池组的内阻也相当于几个电阻的串联。如果相互串联的几个电池中有一个是老化或损坏的（内阻比正常电池大大增大），就使整个电池的电阻大大增大，也就使整个电池组无法发挥作用，所以一般不把新旧电池混合使用。电池组并联后，虽然没有增加电动势，但会使得总的内阻减小，从而就使整个电池输出的电流增加，但是由于电池之间存在一定差异，即使是同一型号、同一批次的电池，它们的内阻之间也会存在差异，这就使各电池中通过的电流不平衡，内阻小的电池中会通过超过其正常值的电流，容易造成电池发热甚
8、至烧毁，所以一般不将电池并联使用。名 称实 物 图用 途交流电源（a）家用插座（220V，50/60Hz）（b）便携式发电机（220V，50/60Hz）（c）低频振荡器（25Hz100kHz） 家庭用的电源插座、便携式发电机和在一定范围内能自由改变频率的振荡器等图1.5 交流电源知识能力训练1电流流通的_叫做电路，它由_、_、_和_这4部分组成。2电路存在_、_和_3种可能的状态，其中_状态应严格避免，因为它会引起_等严重后果。3现在，为保证安全，许多家庭的配电箱上还安装了漏电保护器，观察家电漏电保护器，了解其主要性能和使用方法。46节相同的干电池，每节的电动势均为1.5V，内电阻均为0.1W
9、，若将其顺序串联，则总的电动势为_V，总的内阻为_W。1.2 电路中物理量及相互关系学习目标 说出电流、电压、电位、电功率、电阻的概念，写出它们的公式。 说出欧姆定律的内容，写出欧姆定律的表达式。 会应用欧姆定律分析和解决实际问题。1.2.1 电流在物质内部有正、负两种不同的电荷，电荷的定向移动形成电流。电流用I表示，从微观上分析，电流的大小与单位时间内通过导体横截面的电荷量有关，即（1-1）式中，I为电流（A）；Q为电荷量（C）；t为时间（t）。在1秒内通过导体横截面的电荷为1库仑时，其电流为1A。在宏观上，通常用电流表和万用表测量电流。在国际单位制中，电流的单位是安培（A），此外常用的还有
10、毫安（mA）、微安（A）等。它们的关系为：1安培（A）=103毫安（mA）=106微安（A）习惯上规定正电荷定向移动的方向为电流的方向。通常根据电流方向是否随时间改变而将电流分成直流电流和交流电流（如图1.6所示）。t（时间）直流电t（时间）I（电流）交流电OOI（电流） 图1.6 直流电流与交流电流波形想一想某电路横截面上1min（分）内通过的电荷为10C（库仑），那么这段电路的电流等于多少A（安培）？1.2.2 电压、电位正如水位差带来的水压导致水流一样，电压是形成电流的必要条件之一，电路中提供电压的器件是电源。电压的符号为U，在国际单位制中，电压的单位是伏特（V），此外还有千伏（kV）、
11、兆伏（MV）、毫伏（mV）、微伏（V）等。它们之间的关系为：1兆伏（MV）=103千伏（kV）=106伏特（V）1伏特（V）=103毫伏（mV）=106微伏（V）在电路中a、b两点间的电压等于a、b两点间的电位之差，即Uab=Va-Vb。它是导体两端在电场中的相对位置（电位）之差。根据电路中电流是直流电流还是交流电流，电路两端电压分别为直流电压和交流电压。正如水路中各点在空间都有一个水位高度一样，电路中各点都有一个电位。水路中各点的水位高度计算都有一个起点，称为参考点，例如，以海平面为起点的海拔高度其参考点就是海平面，同样，电路中的电位也要有一个参考点，称为零电位点。如同水位高度相对于不同参考
12、点有不同数值一样，电位相对于不同的零电位点，其数值也不相同，可见电位和水位都具有相对性。电位的符号是V，单位是伏特。零电位的选择具有任意性，通常为了实际测量方便起见，习惯上以大地电位作为零电位点，设备外壳通常接地或者设备中元件均与一个公共点相连，所以一般把设备外壳或电路中某一个公共点作为零电位点。零电位点又称接地点，其符号见表1.1。1.2.3 电阻和电阻定律自然界的物质按其导电能力的不同，通常分为导体、绝缘体和半导体。导体是导电能力较强的一类物质，如金属、电解液等；绝缘体是导电能力较弱的一类物质，如橡胶、塑料、玻璃等；而半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间且导电能力易于受到外界的物理化学因素
13、影响的一类物质。除此之外，近几十年来人们还发现了导电能力极强的所谓超导体。当电流在导体中流过时，定向运动的自由电子与导体内的原子核发生碰撞而受到阻碍，将电能转化为热能或其他不可逆形式的能量。这种导体对电流的阻碍能力称为电阻，用R表示。电阻的单位是欧姆（W），简称欧，实用单位还有千欧（kW），兆欧（MW）。它们的关系为：1kW=103W； 1MW=106W导体的电阻是客观存在的。实验表明，金属导体的电阻与导体的长度成正比，与导体的横截面积成反比，还与材料的导电性能有关，即（1-2）上式称为电阻定律，式中R为导体的电阻（W）；L为导体的长度（m）；S为导体的横截面积（m2）；为导体的电阻率（Wm）
14、。电阻率是反映材料导电性能的参数，不同的金属材料有不同的电阻率。部分金属导体的电阻率见表1.3。表1.3 部分金属导体在20时的电阻率材 料电阻率/（Wm）材 料电阻率/（Wm）银1.610-8康铜5.010-7铜1.710-8锰铜4.410-7铝2.810-8镍铬铁合金1.110-6钨5.810-8铝铬铁合金1.310-6铁1.010-7从表1.3可以知道，铜、铝的电阻率很小，常用来制造导线；银的电阻率很小，但价格昂贵，仅使用在对导体有较高要求的特殊场合；镍铬铁合金的电阻率很大，耐高温，可用来制造电炉的电热丝。例1.1 小李家装修需要一盘铜导线，铜导线的长度为100m，横截面积为2.5mm2，求它的电阻为多少？分析：查表1.3可知铜的电阻率在20时为1.710-8Wm。解：由电阻定律可得：
