用能量转换和守恒定律来理解电动势的概念-电路闭合.docxVIP

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用能量转换和守恒定律来理解电动势的概念

电路闭合-论文网

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论文摘要：电动势在《电工学》中是非常重要的一个物理量，是一个很抽象的概念，本文结合自己的教学经验，通过认真地分析电路中的能量转换，使学生对电动势的物理意义有了深刻的理解，为学习后续章节打下了基础。

论文关键词：电动势,能量转换,电路闭合

电动势是一个抽象的概念。在电工学里引入这个物理量，是为了描述电路中通电流时有多少电能和其它形式的能相互转换。因此，我们只有认真地分析电路中的能量转换，才能深刻理解电动势的物理意义。下面我从四个方面来分析：

一、焦耳定律

任何一段有电阻的电路通电流时都要生热。所生的热量Q总是正比于电流强度I的平方，电阻R和通电时间t用公式表示为Q=IRt

这就是焦耳定律。定律中所讲的‘总是’二字，是指不论产生电流的原因是什么，不论这段电路中是否同时有电能和其他形式的能发生互相转换，所生热量都等于IRt.我们《电工技术》教材中把电场力做的功

W=IUt和部分电路欧姆定律U=IR

结合起来、推导焦耳定律为Q=W=IUt=IRt

这样的推导法，只有在产生电流的原因是电场力作用，而且电路是纯电阻的情况下才有意义。对于非静电力作用产生电流的电路和同时有电能转换成热能之外的其它形式能的电路，上面的推导都不适用，但所生的热量仍等于IRt。所以，这样推导出的结果虽然是焦耳定律的表达式，但并没有全面地揭示定律的内容。

二、闭合电路中能量的转换

一个闭合电路中通电流的条件是它里面含有电源。电源里有一种作用力，这种力做功的结果，是把其它形式的能转换成电能。这种力不是电场力。设闭合电路的总电阻为ΣR,通电流为I,通电时间为t.在这段时间内，通电量q=It在电源里非电场力做功W时在电阻上消耗电能W产生热Q=W=IΣRt同时、在一部分电路中还可能消耗一些电能，而产生除热能之外的其它形式的能。设电场力做的这一部分工功为W2、根据能量转换和守恒定律W=W+W或W=IΣRt+W,上式表示电路中通过电量时，转换的能量。可以证明，对于任意一个电路W、W、W都正比于电量q。为计算单位电量通过时转换的能量，将上式除以q得W/q=IΣRt/q+W/q

因为q=It所以W/q=IΣR+W/q我们定义W/q即电源内非电场力所做的功和通过的电量之比为电源的电动势，用E表示；定义W/q即电场力所做的功和通过的电量之比为这部分外电路的反电动势，用E表示，这样上面的公式可写成E=IΣR+E每一个电源都有电动势。它的大小由电源本身的条件决定，与外电路无关。它反映电源的一种性质，表示电源把其他形式的能转换成电能本领的大小。例如：电热器（电炉、白炽灯等）之外的电器（如电解池、电动机等）有反电动势。它的大小也由本身的条件决定它反映出这个电器把电能转换其他形式能（热能除外）本领的大小，从上面公式可以解出电路中的电流I=E—E/ΣR这就是外电路的欧姆定律。如果外电路是纯电阻，也就是电路中消耗的电能全部生热，这时E=0，则I=E/ΣR设电源内导体的电阻为r（内电阻），电源外的电阻为R则ΣR=R+r，I=E/R+r教材里把公式变为E=IR+Ir用外电压和内电压之和来度量电动势，这就是《电工技术》中介绍的全电路欧姆定律。

三、闭合电路中各段电路两端的电压

下面就电池给蓄电池充电的例子讨论闭合电路中各段电路两端的电压。

例如下图中有三个不同的电池，E=2V、E=V、r=2、r=2、r=3、

比较A、B、C三点的电位，并求出U、U、U

E+E+E=I(r+r+r)

I=

E+E+E

r1+r2+r3

代入已知量

I=

2+3+1

=1A

1+2+3

U=U-U=E-Ir=2-1×1=1VU=U-U=E-Ir=3-1×2=1VU=U-U=E-Ir=1-1×3=-2V

答案说明第一个电池内每通过1库仑电量，消耗2焦耳化学能，产生2焦耳电能，在电池内生1焦耳热能，输出1焦耳电能。第二个电池内每通过1库仑电量消耗3焦耳化学能、产生3焦耳电能、在电池内生2焦耳热能、输出1焦耳电能。第三个电池内每通过1库仑电量消耗1焦耳化学能、产生1焦耳电能、还输入2焦耳电能，共有3焦耳电能转换成热能。四、没有外电路的闭合电路

一个闭合的金属环，电阻为r。在环内的磁通量发生变化时、产生感应电动势E同时有电流I。这时W=IrtE=W/q=Ir即全部电磁场能转换成的电场能，又都转换成金属环的内能（生热）了。在这样的电路里，分不出内电路和外电路，当然也就是说不上什么路端电压了。所以，用外电压和内电压之和来量度电源电动势的说法，在这里就失去意义了。

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-全文完-