物理选修32 电动势导学案

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一、电源
1．非静电力
(1)非静电力的作用：把正电荷在电源内部由负极搬运到正极，同时在该过程中非静电力做功，将其他形式的能转化为电势能。
(2)非静电力的实质：在电池中是指化学作用，在发电机中是指电磁作用。
2．电源：通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。
二、电动势和内阻
1．电动势
(1)定义：非静电力把正电荷从负极搬运到正极所做的功跟被搬运的电荷量的比值。
(2)公式：E＝eq \f(W,q)。
(3)单位：伏特，用符号“V”表示。
(4)物理意义：电动势的大小反映了电源将其他形式的能转化为电能的本领，电动势大，表示电源的转化本领大。
(5)大小：从做功角度，其数值等于非静电力把1_C的正电荷在电源内部从负极搬运到正极所做的功。
(6)方向：电动势是标量，为研究问题方便，规定其方向为电源内部电流的方向，即由电源负极指向正极。
(7)电动势的决定因素：电动势是电源的属性，大小完全由电源本身决定，与电源的体积和外电路的组成及变化情况无关。
2．电源的内阻及电池的容量
(1)电源的内阻：电源的内部也是由导体组成的，所以也有电阻，这个电阻叫作电源的内阻，内阻与电动势为电源的两个重要参数。
(2)电池的容量：
①定义：电池放电时能输出的总电荷量，通常以安培时(A·h)或毫安时(mA·h)作单位。
②特点：电池的容量与放电状态有关，同样的电池，小电流、间断性放电要比大电流、连续放电的容量大。
③对同一种电池，体积越大，电池的容量越大，电池的内阻越小。
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)
(1)非静电力做功，可以使正电荷在电源内部由负极移动到正极。(√)
(2)静电力与非静电力都可以使电荷移动，所以本质上都是使电荷的电势能减少。(×)
(3)在电源外部静电力使正电荷定向移动，在电源内部是非静电力使正电荷定向移动，因而形成电流。(√)
2．(多选)关于电源的作用，下列说法中正确的是( )
A．在电源内部把电子从负极搬运到正极
B．在电源内部把电子从正极搬运到负极
C．把电能转化为其他形式的能
D．把其他形式的能转化为电能
BD [在电源内部是非静电力驱使电子从正极流向负极做正功，静电力做负功，A错误，B正确；从能量守恒的角度看，电源内部把其他形式的能转化为电能，C错误，D正确。]
3．电源电动势反映了电源把其他形式的能量转化为电能的能力，因此( )
A．电动势是一种非静电力
B．电动势越大，表明电源储存的电能越多
C．电动势的大小是非静电力做功能力的反映
D．电动势就是闭合电路中电源两端的电压
C [电动势是反映电源通过非静电力做功将其他形式的能转化为电势能本领的物理量，电动势越大说明这种转化本领越强，但不能说明储存的电能越多，故选项A、B错误，C正确；闭合电路中电源两端电压大小等于外电压大小，故选项D错误。]
1.正确理解非静电力和静电力
(1)非静电力：除静电力之外，对电荷的运动起促进或阻碍作用的力，常见的有化学力、洛伦兹力、涡旋电场力等。
①如图所示，在电源外部的电路里，自由电荷在电场力作用下移动，电场力做正功，电势能转化为其他形式的能；在电源内部自由电荷移动的方向与受到的电场力方向相反，移送电荷的不再是电场力，叫作“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(消耗其他形式的能)。所以可以说：电源是通过非静电力做功，将其他形式的能转化为电能的装置。
②从能量转化的角度看，电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。
③作用：保持两极间有一定电压，供给电路电能。
(2)静电力：又称库仑力，是静止带电体之间的作用力，每一对静止的点电荷之间的静电力均可以用库仑定律去求解。
在外电路中，静电力做功将电能转化为其他形式的能，而在内电路中，非静电力做功将其他形式的能转化为电能。电源被形象地比喻为“抽水机”。
2．电源与抽水机能量转化比较
【例1】 以下说法中正确的是( )
A．在外电路中和电源内部，正电荷都受静电力作用，所以能不断地定向移动形成电流
B．静电力与非静电力都可以使电荷移动，所以本质上都是使电荷的电势能减少
C．在电源内部正电荷能从负极到达正极是因为电源内部只存在非静电力而不存在静电力
D．静电力移动电荷做功电势能减少，非静电力移动电荷做功电势能增加
D [在电源内部，电荷受到的非静电力大于静电力，非静电力将正电荷从电源负极运送到正极，并将其他形式的能转化为电势能；在电源外部，正电荷受静电力作用从电源正极移动到负极，并将电势能转化为其他形式的能，A、B、C错误，D正确。]
静电力与非静电力做功的区别
(1)非静电力只在电源内部对电荷做功，将其他形式的能转化为电能，但静电力在整个闭合电路上都要做功，将电能转化为其他形式的能。
(2)在整个电路上，非静电力做的功与静电力做的功相等。
1．关于电源的说法不正确的是( )
A．电源外部存在着由正极指向负极的电场，内部存在着由负极指向正极的电场
B．在电源外部电路中，负电荷靠电场力由电源的负极流向正极
C．在电源内部电路中，正电荷靠非静电力由电源的负极流向正极
D．在电池中，靠化学作用使化学能转化为电势能
A [无论电源内部还是外部，电场都是由正极指向负极，故A错误；在外部电路中，负电荷靠电场力由负极流向正极，而内部电路中，正电荷由负极流向正极，因电场力与移动方向相反，故必有非静电力作用在电荷上才能使其由负极流向正极，在电池中，靠化学作用使化学能转化为电势能，故B、C、D正确。]
1.概念理解
(1)电源的种类不同，电源提供的非静电力性质不同，一般有化学力、磁场力(洛伦兹力)、涡旋电场力等。
(2)不同电源把其他形式的能转化为电能的本领是不同的。电动势在数值上等于非静电力将1 C正电荷在电源内从负极搬运到正极所做的功，也就是1 C的正电荷所增加的电势能。
(3)电动势是标量，电源内部电流的方向，由电源负极指向正极。
(4)公式E＝eq \f(W,q)是电动势的定义式而不是决定式，E的大小与W和q无关，是由电源自身的性质决定的。电动势不同，表示将其他形式的能转化为电能的本领不同，例如，蓄电池的电动势为2 V，表明在蓄电池内移送1 C的电荷时，可以将2 J的化学能转化为电能。
2．电动势与电压的对比
3.电源的连接
(1)n个完全相同的电源串联：电源的总电动势E总＝nE，电源的总内阻r总＝nr。
(2)n个完全相同的电源并联：电源的总电动势E总＝E，电源的总内阻r总＝eq \f(r,n)。
【例2】 铅蓄电池的电动势为2 V，一节干电池的电动势为1.5 V，将铅蓄电池和干电池分别接入电路，两个电路中的电流分别为0.1 A和0.2 A。试求两个电路都工作20 s时间，电源所消耗的化学能分别为多少？哪一个把化学能转化为电能的本领更大？
[解析] 对铅蓄电池电路，20 s内通过的电荷量q1＝I1t＝2 C
对干电池电路，20 s内通过的电荷量q2＝I2t＝4 C
由电动势定义式E＝eq \f(W,q)得，电源消耗的化学能分别为
W1＝q1E1＝4 J，
W2＝q2E2＝6 J，
因E1>E2，故铅蓄电池把化学能转化为电能的本领大。
[答案] 4 J 6 J 铅蓄电池
(1)电源的电动势是表征电源把其他形式的能转化为电能的本领大小的物理量，即非静电力移送相同电荷量的电荷做功越多，则电动势越大。
(2)公式E＝eq \f(W,q)中W为非静电力做的功，而E的大小与W、q无关。
(3)电源电动势的大小是由电源本身性质决定的，不同种类的电源电动势的大小不同。
2．下列关于电动势的说法中正确的是( )
A．电动势就是电势差，也叫电压，单位是V
B．电动势大的电源做功一定多
C．电动势大的电源做功一定快
D．电动势的大小等于电路中通过单位电荷时电源所提供的电能
D [电动势是用来描述电源把其他形式的能转化为电能的本领，其大小只决定于电源本身的性质，与外电路无关，而电势差是由电源和外电路共同决定的，并不是不变的，A错误；电源的电动势大，不一定做功就多，还有可能不做功，如电源没有接入外电路时做功为零，B错误；电源做功的快慢不仅仅由电动势决定，而是与通过电源的电流的大小来共同决定的，即PE＝EI，C错误；电动势的大小等于在电源内部移动单位正电荷所做的功，即电源向外所提供的能量，D正确。]
1．(多选)关于电源与电路，下列说法正确的是( )
A．外电路中电流由电源正极流向负极，内电路中电流也由电源正极流向负极
B．外电路中电流由电源正极流向负极，内电路中电流由电源负极流向正极
C．外电路中电场力对电荷做正功，内电路中电场力对电荷也做正功
D．外电路中电场力对电荷做正功，内电路中非静电力对电荷做正功
BD [电路中电流是由正电荷的定向移动形成的，外电路中，正电荷在导线中电场的作用下，从高电势端向低电势端运动，即从电源正极向电源负极运动，此过程电场力对电荷做正功。根据稳定电流的闭合性和电荷守恒定律，在内电路中，正电荷只能从电源负极向正极运动，即电流从电源负极流向正极，此过程中，电荷运动方向与电场力的方向相反，电场力对电荷做负功。要使正电荷从电源负极移向电源正极，必须有除电场力以外的非静电力做功，使其他形式的能转化为电荷的电势能，所以B、D正确。]
2．下列是对电源电动势概念的认识，正确的是( )
A．同一电源接入不同的电路，电动势就会发生变化
B．1号干电池比7号干电池大，但电动势相同
C．电源电动势表征了电源把其他形式的能转化为电能的本领，电源把其他形式的能转化为电能越多，电动势就越大
D．电动势、电压和电势差虽名称不同，但物理意义相同，所以单位也相同
B [电动势的大小由非静电力性质决定，与外电路及电池体积无关，故A错，B对；电动势在数值上等于搬运1 C电荷量把其他形式的能转化为电能的数值，C选项由于没确定多少电荷量，所以不对；电动势是表征电源把其他形式的能转化为电能的本领的物理量，而电压是电势差的大小，D错。]
3．铅蓄电池的电动势为2 V，下列说法错误的是( )
A．电路中每通过1 C电荷量，电源把2 J的化学能转化为电能
B．铅蓄电池断开时其两极间的电压为2 V
C．铅蓄电池在1 s内将2 J的化学能转化成电能
D．铅蓄电池将化学能转化为电能的本领比一节干电池(电动势为1.5 V)的大
C [根据电动势的定义E＝eq \f(W,q)非静电力移动1 C电荷量所做的功W＝qE＝1×2 J＝2 J，由功能关系可知有2 J的化学能转化为电能，A正确，C错误。电源两极的电势差(电压)U＝eq \f(E电能,q)，而E电能＝W，所以U＝E＝eq \f(W,q)＝2 V，B正确。电动势是描述电源把其他形式的能转化为电能的本领大小的物理量，E蓄电池＝2 V>E干电池 ＝1.5 V，D正确。]对电源的理解
抽水机抽水
抽水机外
A→B
水从高处流向低处
水的重力做正功
重力势能转化为其他形式的能
抽水机作用下
B→A
水从低处被运向高处
抽水机对水做正功
其他形式的能转化为重力势能
电源供电
电源外部正极
→负极
正电荷由高电势处向低电势处运动
电场力做正功
电势能转化为其他形式的能
电源内部负极
→正极
正电荷由低电势处移到高电势处
非静电力对电荷做正功
其他形式的能转化为电势能
对电动势的理解
物理量
电动势E
电压U
物理意义
非静电力做功将其他形式的能转化为电能的本领，表征电源的性质
表示电场力做功将电能转化为其他形式的能的本领，表征电场的性质
定义式
E＝eq \f(W,q)，W为非静电力做的功
U＝eq \f(W,q)，W为电场力做的功
单位
伏特(V)
伏特(V)
联系
电动势等于电源未接入电路时两极间的电压
课 堂 小 结
知 识 脉 络
1.对电源的理解，静电力做功与非静电力做功的区别。
2.电动势的定义及理解。
3.描述电源特性的物理量，电动势、内阻及容量。