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物 理
第4章 直流電路與安全用電
4.1 電阻定律
4.4 全電路歐姆定律
4.2 串聯電路和并聯電路
4.3 電功與電功率
4.5 安全用電
4.3 電功與電功率
1．電功
在導體的兩端加上電壓，導體內就形成了電場．導體內的電荷在電場力的作用下發生定向移動，形成了電流，因此電場力做了功．這個功叫做電流做的功，簡稱電功．
電流通過一段電路時做的功 W，等于這段電路兩端的電壓 U 與電路中的電流 I 以及通電時間 t 的乘積，即
電功的單位也是焦耳（J），常用的還有千焦（kJ）．在日常生活中，我們也常用“度”，也就是千瓦時作為電功的單位．
4.3.1 電功
【例題4】 一塊電烙鐵接在220 V的電路中，通過的電流為500 mA，則通電1 h消耗的電能是多少焦？合多少度？
解：由電功的公式可得
2．電功的測量
用來測量電路消耗電能（即電功）的儀表叫做電能表．電能表的計數器上兩次讀數之差，就是這段時間內用電的度數．
4.3.2 電功率
電流所做的功與完成這些功所用時間的比值叫做電功率，通常用 P 表示，即
根據電功的公式 ,則
【例題5】 如圖的電器，其正常工作時的電流時多大？如果由于電壓不穩定，在200 V電壓下，它的實際功率是多少？
分析：已知電器的額定功率和額定電壓，則根據功率的定義式即可求得電器正常工作時的電流．在電壓不穩定時，通過用電器的電流也會變化，但是電阻是由電器自身特性決定的，不受其兩端電壓影響，根據歐姆定律即可求出電器在電壓不穩時的電流，然后可計算出其實際功率．
解：由電功率公式 ，得
根據歐姆定律，電器電阻為
200 V電壓下，通過電器的電流為
則電器的實際功率是
英國物理學家焦耳通過實驗發現：電流通過導體時產生的熱量，等于電流的平方、導體的電阻和通電時間三者的乘積．這就是焦耳定律，用公式表示為
如果電路中只含有電阻，電流所做的功也可以用下面的公式表示
4.3.3 焦耳定律
【例題6】 質加在一內阻為2 的電動機上的電壓為110 V，通過電機的電流為1 A，則該電動機消耗的功率有多大？1 h有多少電能轉變為機械能和熱能？
解：電動機的功率為
電流做的總功為
產生的熱量為
分析：電動機不是純電阻，因此此電路中電流所做的功不等于產生的熱量，還有一部分轉化為機械能．計算電功時就必須運用電功的定義式．
產生的機械能為
4.4 全電路歐姆定律
1．電源
4.4.1 電源電動勢
電源就是把其他形式的能轉化為電能的裝置．
電源在電路中及時地把從電源負極經過導線流到電源正極的自由電子通過電源內部搬運回電源負極，使電源正、負極上的電荷保持一定，使導線兩端的電壓維持不變，從而使電路中有持續的、穩定不變的電流流過．
為了表示電源把其他形式的能轉化為電能的本領大小，我們引入電動勢的概念．電動勢是電源本身的屬性，取決于電池正、負極材料及電解液的化學性質，跟電源的體積、是否接入外電路亦無關．
2．電動勢
不接用電器時，電源兩極間電壓就等于電源的電動勢．電動勢用符號E表示，它的國際制單位是伏，寫作V．
電源內部是由導體組成的，也有電阻，叫做電源的內阻，用 r 表示，它是電源內部導體對電流的阻礙作用，與導體的體積和形狀有關．
用導線把電源和電器連接起來，就組成了閉合電路，如圖所示．虛線框以外的部分組成外電路；虛線框以內的部分是內電路．外電路的電阻叫做外電阻，用 R 表示，內電路的電阻即內阻，用 r 表示．
在電路中，電源的內阻分得的電壓稱為內電壓，外電路分得的電壓叫做外電壓，通常稱為端電壓．而內電壓與外電壓之和就是電源的電動勢，即
4.4.2 全電路歐姆定律
設閉合電路中的電流為 I，外電阻為 R，內電阻為 r，根據部分電路歐姆定律，則
即
所以
這就是全電路歐姆定律，即全電路中的電流跟電源的電動勢成正比，跟電路的總電阻成反比．
演示實驗4-1 全電路歐姆定律
按照圖所示的電路圖連接電路．運動滑動變阻器的滑片，改變其電阻 R，觀察電流表和電壓表的示數如何隨著 R 的改變而改變．
實驗表明，隨著電阻 R 的增大，電流 I 逐漸減小，端電壓 U 逐漸增大．
當外電路斷開時，這種情況叫做斷路，如圖 a 所示．此時電路中電流 I 為零，因此內電阻分得電壓也為零，端電壓 U 就等于電動勢 E．
當外電路如圖 b 所示時，這種情況叫做短路．此時，外電路的電阻等于0，端電壓也就等于0，電路中的電流 ．
【例題6】 已知電路中電源電動勢 ，內阻 ，外電阻 ．則電路中的電流和端電壓分別是多少？
解：根據全電路歐姆定律，電路中的電流為
端電壓為
也可根據歐姆定律計算端電壓，即
分析：根據題意可知電源電動勢 E 、內阻 r 和外電阻 R，根據全電路歐姆定律即可求出結果．
【例題7】 如圖所示的電路中，電源的內阻不可忽視．已知電阻 ， ．當電鍵 S 接位置 1 時，電流表的示數為0.20 A，當電鍵 S 接位置 2 時，電流表的示數為0.25 A．求電源電動勢 E 和內阻 r 分別是多少
分析：要求兩個未知量，必須列出兩個方程．根據題意，電鍵 S 在不同的位置就組成兩個不同的電路，兩個電路的電動勢和內阻相同．根據全電路歐姆定律就可以列出兩個方程，并進行求解．
解：根據全電路歐姆定律，得
代入數據，得
解方程，得
4.5 安全用電
4.5.1 人體觸電類型
1．單相觸電
人體直接接觸到帶電設備中的相線，相線、人體與大地組成回路，電流通過人體，這種觸電現象稱為單相觸電．其危險程度與電壓的高低、電網的中性點是否接地以及每相對地電容量的大小有關．
要避免單相觸電，在進行操作時必須穿上膠鞋或者站在干燥的木凳上，以增大電阻減小電流．
2．兩相觸電
人體不同部位同時接觸帶電設備或線路中的兩根相線，相線、人體以及另一相線構成回路，這種觸電方式稱為兩相觸電，發生兩相觸電是最危險的．
3．跨步電壓觸電
當電氣設備發生接地故障，接地電流以落地點為中心向大地流散．若人在接地短路點周圍行走，其兩腳間的電壓就是跨步電壓．由跨步電壓引起的人體觸電，稱為跨步電壓觸電，如圖所示．
4.5.2 電氣火災的防范
1．電氣火災的原因
電流通過導體總要克服一些阻力，消耗一些電能，這些電能主要轉化為熱能，即電流通過導體的熱效應．在正常情況下，其發熱量被控制在允許的范圍內，一般不會引起火災事故．只有在異常情況下，發熱量才會迅速增加，從而導致火災．
（1）電氣設備或導線的功率或電流超過其額定值；
（2）線路短路；
（3）電線接頭接觸不良。
為了避免電氣火災，在日常生活中應當樹立安全用電意識．居民家庭從家用電表開始，應選擇與用電設備相匹配的電表，選用與電表相符合的保險絲，超過使用年限的家用電器要及時更換．
2．電氣火災的防范
4.5.3 用電安全措施
要實現安全用電，應在實際工作和生活中注意以下事項：
（1）個人不能私自拆裝電線和電器，以免造成觸電或短路事故．
（2）開關必須裝在相線上，應合理選擇導線及熔斷器，不能隨意更改熔體的規格和材質．
（4）不能用濕布擦拭或是用水清洗正在使用的電器．
（3）安裝電器時，必須根據安裝說明正確安裝；帶金屬外殼的電器必須采取接地保護措施；大功率電器必須使用接地良好的三相插座．
（6）當電線落在地上時，不能走得太近，以免發生跨步電壓觸電，應當及時告知有關人員處理．
（5）不能在架空線路或者戶外變電所附近放風箏、釣魚，不得攀爬電線桿和變壓器塔等電氣設備．
（7）當由于電氣故障引發火災時，應當及時切斷電源．電氣起火時，迅速用沙子覆蓋，或者用四氯化碳滅火器、二氧化碳滅火器滅火，不能用水或者一般酸堿泡沫滅火器滅火，以免發生觸電危險．
（8）若發現有他人發生觸電事故時，首先應當迅速切斷電源，用絕緣物體挑開觸電者身上的帶電物體；其次，立即呼叫120急救中心；再次，要使觸電者保持呼吸暢通，用干凈的敷料包扎電灼傷的傷口和創面．
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