第九部分 稳恒电流

第一讲 基本知识介绍

第八部分《稳恒电流》包括两大块：一是“恒定电流”，二是“物质的导电性”。前者是对于电路的外部计算，后者则是深入微观空间，去解释电流的成因和比较不同种类的物质导电的情形有什么区别。

应该说，第一块的知识和高考考纲对应得比较好，深化的部分是对复杂电路的计算（引入了一些新的处理手段）。第二块虽是全新的内容，但近几年的考试已经很少涉及，以至于很多奥赛培训资料都把它删掉了。鉴于在奥赛考纲中这部分内容还保留着，我们还是想粗略地介绍一下。

一、欧姆定律

1、电阻定律

a、电阻定律 R = ρ

b、金属的电阻率 ρ = ρ₀（1 + αt）

2、欧姆定律

a、外电路欧姆定律 U = IR ，顺着电流方向电势降落

b、含源电路欧姆定律

在如图8-1所示的含源电路中，从A点到B点，遵照原则：①遇电阻，顺电流方向电势降落（逆电流方向电势升高）②遇电源，正极到负极电势降落，负极到正极电势升高（与电流方向无关），可以得到以下关系

U_A ? IR ? ε ? Ir = U_B 

这就是含源电路欧姆定律。

c、闭合电路欧姆定律

在图8-1中，若将A、B两点短接，则电流方向只可能向左，含源电路欧姆定律成为

U_A + IR ? ε + Ir = U_B = U_A

即 ε = IR + Ir ，或 I = 

这就是闭合电路欧姆定律。值得注意的的是：①对于复杂电路，“干路电流I”不能做绝对的理解（任何要考察的一条路均可视为干路）；②电源的概念也是相对的，它可以是多个电源的串、并联，也可以是电源和电阻组成的系统；③外电阻R可以是多个电阻的串、并联或混联，但不能包含电源。

二、复杂电路的计算

1、戴维南定理：一个由独立源、线性电阻、线性受控源组成的二端网络，可以用一个电压源和电阻串联的二端网络来等效。（事实上，也可等效为“电流源和电阻并联的的二端网络”——这就成了诺顿定理。）

应用方法：其等效电路的电压源的电动势等于网络的开路电压，其串联电阻等于从端钮看进去该网络中所有独立源为零值时的等效电阻。

2、基尔霍夫（克希科夫）定律

a、基尔霍夫第一定律：在任一时刻流入电路中某一分节点的电流强度的总和，等于从该点流出的电流强度的总和。

例如，在图8-2中，针对节点P ，有

I₂ + I₃ = I₁ 

基尔霍夫第一定律也被称为“节点电流定律”，它是电荷受恒定律在电路中的具体体现。

对于基尔霍夫第一定律的理解，近来已经拓展为：流入电路中某一“包容块”的电流强度的总和，等于从该“包容块”流出的电流强度的总和。

b、基尔霍夫第二定律：在电路中任取一闭合回路，并规定正的绕行方向，其中电动势的代数和，等于各部分电阻（在交流电路中为阻抗）与电流强度乘积的代数和。

例如，在图8-2中，针对闭合回路① ，有

ε₃ ? ε₂ = I₃ ( r₃ + R₂ + r₂ ) ? I₂R₂ 

基尔霍夫第二定律事实上是含源部分电路欧姆定律的变体（☆同学们可以列方程 U_P = … = U_P得到和上面完全相同的式子）。

3、Y?Δ变换

在难以看清串、并联关系的电路中，进行“Y型?Δ型”的相互转换常常是必要的。在图8-3所示的电路中

☆同学们可以证明Δ→ Y的结论…

R_c = 

R_b = 

R_a = 

Y→Δ的变换稍稍复杂一些，但我们仍然可以得到

R₁ = 

R₂ = 

R₃ = 

三、电功和电功率

1、电源

使其他形式的能量转变为电能的装置。如发电机、电池等。发电机是将机械能转变为电能；干电池、蓄电池是将化学能转变为电能；光电池是将光能转变为电能；原子电池是将原子核放射能转变为电能；在电子设备中，有时也把变换电能形式的装置，如整流器等，作为电源看待。

电源电动势定义为电源的开路电压，内阻则定义为没有电动势时电路通过电源所遇到的电阻。据此不难推出相同电源串联、并联，甚至不同电源串联、并联的时的电动势和内阻的值。

例如，电动势、内阻分别为ε₁ 、r₁和ε₂ 、r₂的电源并联，构成的新电源的电动势ε和内阻r分别为（☆师生共同推导…）

ε = 

r = 

2、电功、电功率

电流通过电路时，电场力对电荷作的功叫做电功W。单位时间内电场力所作的功叫做电功率P 。

计算时，只有W = UIt和P = UI是完全没有条件的，对于不含源的纯电阻，电功和焦耳热重合，电功率则和热功率重合，有W = I²Rt = t和P = I²R = 。

对非纯电阻电路，电功和电热的关系依据能量守恒定律求解。 

四、物质的导电性

在不同的物质中，电荷定向移动形成电流的规律并不是完全相同的。

1、金属中的电流

即通常所谓的不含源纯电阻中的电流，规律遵从“外电路欧姆定律”。

2、液体导电

能够导电的液体叫电解液（不包括液态金属）。电解液中离解出的正负离子导电是液体导电的特点（如：硫酸铜分子在通常情况下是电中性的，但它在溶液里受水分子的作用就会离解成铜离子Cu²⁺和硫酸根离子S，它们在电场力的作用下定向移动形成电流）。

在电解液中加电场时，在两个电极上（或电极旁）同时产生化学反应的过程叫作“电解”。电解的结果是在两个极板上（或电极旁）生成新的物质。

液体导电遵从法拉第电解定律——

法拉第电解第一定律：电解时在电极上析出或溶解的物质的质量和电流强度、跟通电时间成正比。表达式：m = kIt ＝ KQ （式中Q为析出质量为m的物质所需要的电量；K为电化当量，电化当量的数值随着被析出的物质种类而不同，某种物质的电化当量在数值上等于通过1C电量时析出的该种物质的质量，其单位为kg/C。）

法拉第电解第二定律：物质的电化当量K和它的化学当量成正比。某种物质的化学当量是该物质的摩尔质量M（克原子量）和它的化合价n的比值，即 K =  ，而F为法拉第常数，对任何物质都相同，F = 9.65×10⁴C/mol 。

将两个定律联立可得：m = Q 。

3、气体导电

气体导电是很不容易的，它的前提是气体中必须出现可以定向移动的离子或电子。按照“载流子”出现方式的不同，可以把气体放电分为两大类——

a、被激放电

在地面放射性元素的辐照以及紫外线和宇宙射线等的作用下，会有少量气体分子或原子被电离，或在有些灯管内，通电的灯丝也会发射电子，这些“载流子”均会在电场力作用下产生定向移动形成电流。这种情况下的电流一般比较微弱，且遵从欧姆定律。典型的被激放电情形有

b、自激放电

但是，当电场足够强，电子动能足够大，它们和中性气体相碰撞时，可以使中性分子电离，即所谓碰撞电离。同时，在正离子向阴极运动时，由于以很大的速度撞到阴极上，还可能从阴极表面上打出电子来，这种现象称为二次电子发射。碰撞电离和二次电子发射使气体中在很短的时间内出现了大量的电子和正离子，电流亦迅速增大。这种现象被称为自激放电。自激放电不遵从欧姆定律。

常见的自激放电有四大类：辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电。

4、超导现象

据金属电阻率和温度的关系，电阻率会随着温度的降低和降低。当电阻率降为零时，称为超导现象。电阻率为零时对应的温度称为临界温度。超导现象首先是荷兰物理学家昂尼斯发现的。

超导的应用前景是显而易见且相当广阔的。但由于一般金属的临界温度一般都非常低，故产业化的价值不大，为了解决这个矛盾，科学家们致力于寻找或合成临界温度比较切合实际的材料就成了当今前沿科技的一个热门领域。当前人们的研究主要是集中在合成材料方面，临界温度已经超过100K，当然，这个温度距产业化的期望值还很远。

5、半导体

半导体的电阻率界于导体和绝缘体之间，且ρ

图4

31.大约在　　　世纪　　　年代以后，人类利用化石能源（煤炭、石油、天然气）的比重超过了生物能源。造成这种变化的历史条件是：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。

32.据测算，我国工业产品能源、原材料的消耗占企业生产成本的75%左右，如果能降低1个百分点，就能取得100多亿元的效益。我国应采取哪些措施降低能耗？

33.在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势。在核电站中，核反应堆释放的核能转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。

（1）核反应方程式U+n→Ba+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为　　　，a =　　　。以,m _U、m _{B a}、m _{K r}分别表示U、Ba、Kr核的质量，m_n、m_p分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE=　                 　　。

（2）有一座发电能力为P=1.00×10⁶kW的核电站，核能转化为电能的效率η=40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是本题（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE=2.78×10^－11 J，U核的质量m_U=390×10^－27 kg。求每年（1年=3.15×10⁷ s）消耗的U的质量。

34.自然界中的铀和钴都有同位素。

（1）铀主要以三种同位素的形式存在，三种同位素的原子百分含量分别为U 0.005%、U 0.72%、U 99.275%。请列出计算U元素近似原子量的计算式（不必算出具体数值）：　　      。

（2）放射性同位素⁶⁰Co能够产生γ射线。高速运动的γ射线作用于DNA，能够产生氢键断裂、碱基替换等效应，从而有可能诱发生物产生    　　　，使生物体出现可遗传的变异，从而选择和培育出优良品种。此外用γ射线照射过的食品有利于贮藏，这是因为γ射线能　　　、　　　。在进行照射生物或食品的操作时，需要注意人体防护。操作完毕后，人体　　　（可以、不可以）直接触摸射线处理过的材料。

35.中国发展核武器对世界政治军事格局产生了深远影响。请回答：

   （1）根据下表资料分析我国核试验的特点。

  （2）结合所学知识说明我国核试验的目的。

  （3）我国在核武器使用问题上坚持的原则是什么？这一原则所依据的我国外交政策的基本点是什么？

36.我们应如何辩证地看待人类对核资源的利用？

选做题：本题包括A、B、C三小题，请选定其中两题，并在相应的答题区域内作答。

若三题都做，则按A、B两题评分。

A．（选修模块3—3）

12下列说法正确的是          。

       A．布朗运动不是液体分子的运动，但它可以说明分子在永不停息地做无规则运动

       B．液体的内部分子间比液体表面层的分子间有更大的分子势能

       C．分了了间距离增大时，分子间的引力和斥力都减小，它们的合力也减小

       D．液晶既有液体的流动性。又具有单晶体的各向异性

   （2）如图所示，气缸与活塞封闭了一定质量的理想气体。气缸和活塞间无摩擦，且均可与外界进行热交换，若外界是环境的温度缓慢升高，则封闭气体的体积将        （增大、减小、不变），同时      （吸热、放热、既不吸热也不放热）

   （3）目前专家们正在研究二拉化碳的深海处理技术。实验发现，在水深300m处，二氧化碳将变成凝胶状态。当水深超过2500m时，二氧化碳会浓缩成近似固体的硬胶体，可看成分子间是紧密排列的。已知二氧化碳的摩尔质量为M，阿伏加德罗常数为N，每个二氧化碳分子体积为V₀，设在某状态下二氧化碳气体的密谋为ρ，则在该状态下为V的二氧化碳气体变成固体体积为多少？

B．（选修模块3—4）

   （1）下列说法中正确的是           

       A．水面上的油膜在阳光照射下会呈现彩色，这是由于光的干涉造成的色散现象

       B．声波与无线电波一样，都是机械振动在介质中的传播

       C．用激光读取光盘上记录的信息是利用激光平行度好的特点

       D．当观察者向静止的声源运动时，接收到的声音频率低于声源发出的频率

   （2）一简谐横波沿x轴正方向传播，在t=0时刻的波形如图所示。已知介质中质点P的振动周期为2s，则该波传播速度为       m/s，此时P点振动方向为      （y轴正方向、y轴负方向）

   （3）如图所示，真空中平行玻璃砖折射率为，下表面镀有反射膜，一束单色光与界面成角斜射到玻璃砖表面上，最后在玻璃砖的右侧面竖直光屏上出现了两个光点A和B，相距h=2.0m，求玻璃砖的厚度d。

C．（选修模块3—5）

   （1）下列关于的代物理知识说法中正确的是          。

       A．将放射性元素掺杂到其它稳定元素中，并降低其温度，它的半衰期将发生改变

       B．α粒子散射实验中少数α粒子发生较大的偏转是卢瑟福猜想原子核式结构模型的主要依据

       C．天然放射现象的发明说明了原子核有复杂的结构

       D．用质子流工作的显微镜比用相同速度的电子流工作的显微镜分辨率低

   （2）氢原子的能级如图所示，有一群处于n=4能级的氢原了了，这群氢原子最多能发出        种谱线，发出的光子照射某金属能产生光电效应现象，则该金属逸出不应超过     eV。

   （3）近年来，国际热核变实验堆计划取得了重大进展，它利用的核反应方程是

        若迎面碰撞，初速度大小分别为质量分别为，反应后的速度大小为v₃，方向与的运动方向相同，求中子的速度（选取m₁的运动方向为正方向，不计释放的光子的动量，不考虑相对论效率）。

图7

31.大约在　　　世纪　　　年代以后，人类利用化石能源（煤炭、石油、天然气）的比重超过了生物能源。造成这种变化的历史条件是：　　　　　　　　　　　　　　　。

32.据测算，我国工业产品能源、原材料的消耗占企业生产成本的75%左右，如果能降低1个百分点，就能取得100多亿元的效益。我国应采取哪些措施降低能耗？

33.在其他能源中，核能具有能量密度大，地区适应性强的优势。在核电站中，核反应堆释放的核能被转化为电能。核反应堆的工作原理是利用中子轰击重核发生裂变反应，释放出大量核能。

（1）核反应方程式U+n→Ba+Kr+aX是反应堆中发生的许多核反应中的一种，n为中子，X为待求粒子，a为X的个数，则X为　　　，a=　　　。以m _U、m _{B a}、m _{K r}分别表示U、Ba、Kr核的质量，m_n、m_p分别表示中子、质子的质量，c为光在真空中传播的速度，则在上述核反应过程中放出的核能ΔE=　　　。

（2）有一座发电能力为P=1.00×10⁶ kW的核电站，核能转化为电能的效率η=40%。假定反应堆中发生的裂变反应全是本题（1）中的核反应，已知每次核反应过程放出的核能ΔE=2.78×10^－11 J，U核的质量m_U=390×10^－27 kg。求每年（1年=3.15×10⁷ s）消耗的U的质量。

34.自然界中的铀和钴都有同位素。

（1）铀主要以三种同位素的形式存在，三种同位素的原子百分含量分别为U 0.005%、U 0.72%、U 99.27%。请列出计算U元素近似原子量的计算式（不必算出具体数值）：　　　。

（2）放射性同位素⁶⁰Co能够产生γ射线。高速运动的γ射线作用于DNA，能够产生氢键断裂、碱基替换等效应，从而有可能诱发生物产生　　　，使生物体出现可遗传的变异，从而选择和培育出优良品种。此外用γ射线照射过的食品有利于贮藏，这是因为γ射线能　   　、　  　。在进行照射生物或食品的操作时，需要注意人体防护。操作完毕后，人体　　　（可以、不可以）直接触摸射线处理过的材料。

35.中国发展核武器对世界政治军事格局产生了深远影响。请回答。

（1）根据下表资料分析我国核试验的特点。

（2）结合所学知识说明我国核试验的目的。

（3）我国在核武器使用问题上坚持的原则是什么？这一原则所依据的我国外交政策的基本点是什么？

36.我们应如何辩证地看待人类对核资源的利用？