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电动势的基本概念详述

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人教版选修3-1的第二章节介绍的是恒定电路,其中介绍了一个新的物理量,电动势。

电动势的概念

电动势是反映电源把其他形式的能转换成电能的本领的物理量。电动势的概念如下:

什么是电动势呢?我们规定,能够克服导体电阻对电流的阻力,使电荷在闭合的导体回路中流动的一种作用,称之为电动势。

这种作用来源于相应的物理效应或化学效应,通常还伴随着能量的转换,一般总是出现在电源中的。

对电源来说,我们定义电源的电动势:等于单位电荷量运行一个回路过程中非静电力所做的总功的大小。

电动势的公式描述:E=W/q (E为电动势)【注意,q是参与回路流动的总电荷数量,而不是某个小球带电的多少。】

电动势大表示什么意思?同样流过1个单位的电荷,不同的电源做功的能力是不同的。举例如下:

(1)一个1.5v的电源,表示的意思就是流过1C的电荷,电源做功为1.5J。

(2)一个20v的电源,表示的意思就是流过1C的电荷,电源做功为20J。

因为电流在导体中(超导体除外)流动时要消耗能量,这个能量必须由产生电动势的能源(电池)补偿。

电动势的基本公式

电动势的基本公式是:

E=W/q

式中,E为电动势;

W为非静电力所做的总功;

q为做功过程中转移的电荷量;

电动势与非静电力做功

经常有学生这样问王尚老师,为什么必须是非静电力做功呢?

请同学们基于能量守恒来理解这个问题。

电动势大表示什么意思?同样流过1个单位的电荷,不同的电源做功的能力是不同的。举例如下:

(1)一个1.5v的电源,表示的意思就是流过1C的电荷,电源做功为1.5J。

(2)一个20v的电源,表示的意思就是流过1C的电荷,电源做功为20J。

电动势使电源两端产生电压,是形成电流的“动力源泉”。

为什么要非静电力做功?这是相对于电力做功来说的,电力做功,指的是外电路中。

从能量守恒角度来分析,电源的内部必须有其他形式的能量(一般是化学能)转化为电能(电动势),然后在通过电路对外做功(比如让电阻产生热量);这是外电压部分干的活儿。

电动势

电动势的理解

我们可以借助恒定电路章节中闭合电路欧姆定律来进一步理解电动势这个概念。

如果电动势只发生在导体回路的一部分区域中,就称这部分区域为电源区。电源区中也存在着电阻,称为电源的内阻。

整个回路中:E=U+Ir=IR+Ir;

由上式可知,在电源内部,非静电力把单位正电荷从负极移送到正极时所做的功。

也就是说,电荷之间的相互作用是通过电场发生的。只要有电荷存在,电荷的周围就存在着电场,电场的基本性质是它对放入其中的电荷有力的作用,这种力就叫做电场力。

后面,我们还会学到电磁感应电动势,与这里的电动势在本质上是相同的,只不过它不是一个电源,而是一根导体棒的运动产生类似电源的电流回路。

我们称由于(导体棒等运动而产生的)磁通量变化,在回路中产生的电动势为电磁感应电动势,简称感应电动势,也是用符号E来标书;与电源电动势的符号一致,可意义大不相同。

电动势的单位

电动势单位与电压是一样的,单位是伏特,简称伏,符号是v。

在电路中,电动势常用字母E来表示。

电源电动势的测量

电动势的测量是一个电学实验,要借助电压表与电流表,并依据闭合电路欧姆定律基本原理来进行测量。

这个实验是恒定电路章节最为重要的实验,同时也是高考物理最常考的实验之一,这里的内容太多了,请同学们查看这篇文章:

测量电源电动势与内电阻的实验http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/480410.html

电动势与电压的区别

从上面的分析可知,电动势与电压的单位是一致的。在纯电路问题分析时,我们可以认为简单的认为,电源的电动势,就是回路中的总电压。

(1)电动势是基于电源的角度来定义的量,大部分情况下,反映的电源电动势与内电压、外电压之间的关系。

(2)电压是基于电路的角度来定义的量,大部分情况下,反映的用电器电流、电阻、电压之间的关系。

电动势与电势的区别

电势是我们高中物理选修3-1静电场章节中很重要的物理量,而电动势是恒定电路的物理量。

(1)电动势是基于电源的角度来定义的量,电动势反映的是电源的问题,非静电力做功的问题。在电源内部,非静电力把单位正电荷从负极移送到正极时所做的功,就是电动势。

(2)电势往往反映的是某个带电粒子在静电场中处于不同的位置,而具有不同的能量(即能对外做功的大小不同)

进一步理解请阅读:电势差http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/480397.html

电动势的其他公式

在讲解电动势的其他公式前,我们再来复习电动势的定义与基本公式:

电动势等于单位电荷量运行一个回路过程中,非静电力所做的总功的大小。

电动势的概念公式表述为:

E=W/q

电动势的其他公式:

(1)E=IR+Ir

公式解释:在电路中,电源的电动势,等于路端电压与内电压之和。这就是闭合电路欧姆定律的表达式。

详细解析请阅读:闭合电路欧姆定律http://gaozhongwuli.com/zt/omdl/470179.html

(2)E=△Φ/△t

公式解释: 电磁感应中,线圈产生的感应电动势,等于磁通量的变化量。

详细解析请阅读:法拉第电磁感应定律http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/43299.html

(3)E=BLv

 公式解释:单个导体棒切割,产生的感应电动势,大小等于BLv。

详细解析请阅读:深入解析公式E=BLv http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/43300.html

(4)E=nBSωsinωt

 公式解释:交流电瞬时电动势的表达式。

详细解析请阅读:交流电的产生http://gaozhongwuli.com/zongjie/x32/481787.html

高三学生应该明确电动势是恒定电路章节的物理量

尽管,考察电动势最多的是电磁感应章节讲到的感应电动势,可高三的学生一定要明白,首先讲到电动势的并不是电磁感应章节;

电动势而是恒定电路的内容;最早讲到的电动,势是描述电源最重要的物理量。

这个物理量和静电场中的电势、电势差相似,却不同。

王尚物理学习博客

 

 

 

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参考文献

王尚物理三三学习法则http://gaozhongwuli.com/vip/481795.html

电动势概念http://blog.teacherws.com/physics-research/13181.html

高考最常考的二十大考点http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/32195.html

高中物理公式大全http://gaozhongwuli.com/zongjie/gongshi/481758.html

为何测量直线与U轴焦点大小为电动势http://blog.teacherws.com/wen/15296.html

高中物理选修3-1内容一览http://gaozhongwuli.com/top/481754.html

电压和电动势的区别http://blog.gaozhongwuli.com/40963

什么是反电动势http://blog.gaozhongwuli.com/40505

右手定则判定电动势方向http://gaozhongwuli.com/zongjie/kaodian/480436.html

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