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初中物理·九年级全一册

  1. 01分子热运动、内能与比热容
  2. 02热机、热机效率与能量守恒
  3. 03电荷、电流与基本电路
  4. 04串并联电路与电流规律
  5. 05电压、电阻与变阻器
  6. 06电流与电压、电阻的关系及欧姆定律
  7. 07电阻测量与串并联电路应用
  8. 08电能、电功率与功率测量
  9. 09焦耳定律与电热综合
  10. 10家庭电路与安全用电
  11. 11磁场、电流的磁效应、电动机与发电机
  12. 12电磁波、能源与可持续发展
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课程物理初中物理·九年级全一册电荷、电流与基本电路

电荷、电流与基本电路

冬天脱毛衣时听见“噼啪”声,手碰金属门把手又被轻轻刺一下;一节干电池接上小灯泡,灯丝却能持续发光。前一种现象像是电突然“攒”在物体上,后一种现象则像电沿着某条路不断运动。它们不是两套互不相干的知识:先弄清物体为什么会带电,再给电荷准备一条完整的路,就从静电走进了电路。

先准备两小片干燥纸屑。用塑料尺在头发上摩擦几下,靠近纸屑,纸屑会跳起来。别急着把这句话背成“摩擦产生电荷”,因为真正需要解释的是:摩擦前后,电荷从哪里来,又去了哪里?

摩擦没有创造电荷,只是改变了它的分布

物体具有吸引轻小物体的性质,我们就说物体带了电,或说它带有电荷。用摩擦的方法使物体带电,叫作摩擦起电。干燥天气里,塑料尺、气球、梳子、透明胶带都容易出现这种现象;空气潮湿时,电荷较容易经潮湿表面散失,现象往往不明显。

组成物质的原子中有带正电的部分和带负电的电子。通常情况下,物体内正、负电荷的总量相等,对外不显电性,称为电中性。两种不同材料相互摩擦时,它们接触得更充分,有些电子会从一种材料转移到另一种材料。失去电子的物体因负电荷减少而带正电,得到电子的物体因负电荷增多而带负电。

摩擦起电中电子转移与两物体带电情况

图里要抓住的是电子的去向,而不是摩擦动作的方向。丝绸与玻璃棒摩擦时,玻璃棒失去一些电子而带正电,丝绸得到电子而带负电;毛皮与橡胶棒摩擦时,橡胶棒得到电子而带负电,毛皮失去电子而带正电。电子从一个物体转移到另一个物体,正、负电荷总量并没有凭空改变。

“摩擦起电”不等于“摩擦创造了电荷”,也不是正电荷和负电荷同时从无到有。初中阶段用电子转移来解释:一个物体失去电子,另一个物体得到电子;判断带电种类时,先看电子是“少了”还是“多了”。

物理学规定:与丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷叫正电荷,与毛皮摩擦过的橡胶棒所带的电荷叫负电荷。自然界中只有这两种电荷。同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。

同种电荷排斥、异种电荷吸引的对比

现在先判断:一个带正电的小球靠近另一个轻小球,二者相互吸引,能否断定第二个小球带负电?答案是不能。带电体本来就能吸引轻小物体,中性小球也可能被吸引;只有观察到相互排斥,才能有把握地说两物体带同种电荷。把“吸引”和“异种电荷”直接画等号,是这里最隐蔽的错误。

自己做纸屑实验时,还要把“偶然跳动”变成可靠证据:纸屑应轻小、干燥,塑料尺摩擦前先靠近一次作对照,摩擦后再从相同距离靠近;手不要一直捏着刚摩擦过的部位,以免电荷经人体散失。若纸屑被吸起后又很快弹开,也不奇怪——纸屑接触带电体后可能带上同种电荷,作用由吸引变为排斥。观察顺序比只记最后一个动作更重要。

判断正、负回答了“带哪一种电”,还可以用电荷量描述“带了多少电”。电荷量用符号 QQQ 表示,单位是库仑,简称库,符号是 C\mathrm{C}C。一个电子带负电,它所带电荷量的大小叫元电荷,记作 eee,e=1.6×10−19 Ce=1.6\times10^{-19}\ \mathrm{C}e=1.6×10−19 C;因此电子本身的电荷量是 −e-e−e。带电体的电荷量都是 eee 的整数倍。若有 nnn 个电子发生转移,先用 nenene 求转移电荷量的大小,再根据物体得到还是失去电子判断正负:得到电子带负电,失去电子带正电。

下面的实验台把电子转移和作用规律放在同一幅画面里。先预测摩擦后的电性,再让小球靠近,看看“带电种类—作用结果”能否一一对应。

验电器怎样把“看不见的电”变成可见现象

纸屑被吸起只能说明塑料尺可能带电,若要更稳定地检验物体是否带电,可以使用验电器。常见验电器由金属球、金属杆、两片金属箔和绝缘塞等组成,金属球、金属杆、金属箔彼此导通,绝缘塞把金属部分与外壳隔开。

验电器的结构与金属箔张开原理

用带电体接触原来不带电的验电器金属球,接触过程中发生电子转移,验电器获得净电荷,两片金属箔带上同种电荷,因相互排斥而张开。因此,金属箔张开是验电器带电的可见证据。箔片张开的角度越大,通常说明同一验电器在相同条件下带电越多,但本章不把它当作精确测量电荷多少的仪表。

这里还有两个边界要守住。第一,仅看一台原来不带电的验电器箔片张开,只能判断被检物体带电,不能直接判断它带正电还是负电。第二,若只是把带电棒靠近金属球而没有接触,箔片也可能因电荷重新分布而张开;移开带电棒后又闭合。所以题目若问是否有电荷转移,一定要分清“靠近”还是“接触”。

让电荷持续运动,需要一条完整的路

静电放电常常一闪而过。要让小灯泡持续发光,不能只把电荷堆在某处,而要让电荷发生定向移动。电荷的定向移动形成电流。在金属导线中,能够移动的是自由电子;接通电路后,电子定向移动形成电流。

物理学在认识电子之前就规定:把正电荷定向移动的方向规定为电流方向。因此,在电源外部,电流从电源正极经过用电器流向负极;金属导线中自由电子定向移动方向与电流方向相反。做初中电路判断时,按规定的电流方向画箭头,不把电子移动方向冒充电流方向。

一个最基本的电路通常包括四部分:

  • 电源提供电能,如干电池、蓄电池;它有正、负两极。
  • 用电器消耗电能并实现某种功能,如小灯泡发光、小电动机转动。
  • 开关控制电路通断;闭合表示接通,断开表示切断。
  • 导线连接各元件,为电流提供路径。

电源、开关、灯泡和导线组成的简单电路

只把灯泡的一端接到电池正极,灯不会亮;两根导线都接在灯泡同一个接线柱上,灯也不会亮。因为发光需要电流流过灯丝:必须从电源一极出发,经导线、开关和灯丝,回到电源另一极,形成闭合路径。

在交互中先把开关保持断开,再拖放元件完成一个灯泡电路。接通前沿路径“走一圈”,如果能从正极经过用电器回到负极,且没有导线绕过用电器直接连两极,才可以闭合开关。

人工复核提醒:在 390 px 窄屏下,交互接线板底部提示条与电池负极附近有轻微叠压;接线柱保持在上层,核心接线和判断操作不受影响。若使用更窄的屏幕,建议横屏查看该接线区域。

导体和绝缘体:看电荷是否容易通过

有些材料容易导电,叫作导体,如金属、石墨、人体、大地和酸碱盐的水溶液等。有些材料不容易导电,叫作绝缘体,如橡胶、玻璃、陶瓷、塑料、干木材和空气等。导体内有较容易移动的电荷,接入电路后能形成电流;绝缘体内电荷通常不容易自由移动。

“不容易导电”不等于“永远不导电”。潮湿木材比干木材更容易导电,空气在一定条件下也会放电。材料的导电能力还会受状态和条件影响,所以分类时要带着通常条件。电线正是把两类材料配合起来:内部金属芯负责导电,外层塑料或橡胶皮负责绝缘和保护。

本章实验只使用符合要求的低压学生电源或干电池,不能把自制电路接到家庭插座上。人体和潮湿物体都可能导电;发现导线绝缘皮破损、电池明显发热或有焦味,应立即断开电源并请老师处理。

通路、断路和短路,不只看灯亮不亮

把开关闭合后,处处连通、电流能通过用电器的电路叫通路。某处没有接通,电路中没有持续电流,叫断路;开关断开、导线接头松脱、灯丝断裂都可能造成断路。

若导线不经过用电器而直接把电源两极相连,叫作电源短路。这时外电路电阻很小,电流会很大,电池和导线可能迅速发热,甚至损坏电源、引发危险。判断短路不要只盯着导线是否交叉,要看有没有一条近乎没有用电器的路径把电源正、负极直接连起来。

通路、断路和电源短路三种状态及安全对比

人工复核提醒:这张图用于比较三种连接状态。通路栏和短路栏的方向箭头不作为约定电流方向的判断依据;约定电流方向仍按正文所述,在电源外部由电源正极流向负极。后续若取得可编辑源文件,应移除图中这些有歧义的方向箭头。

“灯不亮”不是断路的同义词。断路时灯不亮;电源短路时,用电器也可能不工作,却伴随电源和导线发热的危险。相反,看到灯亮可以说明灯所在路径构成通路,但还要结合电路整体判断有没有别的错误连接。

下面的诊断器会改变开关、导线和灯丝状态。每次先沿路径检查,再选择通路、断路或短路;不要把“灯暗不暗”当成唯一证据。

从实物连接到规范电路图

实物电路能告诉我们接线柱在哪里,电路图则用统一符号保留“各元件怎样连接”这一核心关系。画图时,电池用一长一短两条平行线表示,长线一侧为正极;灯泡、开关、导线都使用规范符号,不能把元件画成实物小插画。

一幅清楚的简单电路图通常做到:元件符号规范;导线横平竖直、转角清楚;元件均匀分布,避免画在拐角;交叉且相连的导线要标出连接点;开关状态与题意一致。电路图的形状可以不同,只要连接关系相同,就表示同一个电路。

第一次接实物电路,可以按这条安全路线操作:先断开开关;从电源正极出发,逐个连接开关、用电器,最后回到负极;接完沿导线检查一周;确认没有直接连接电源两极的路径后,再短时间闭合开关观察。拆线时也先断开开关。

例如,要求“开关控制一只小灯泡”,规范连接的核心不是把元件摆成漂亮方框,而是让电流从正极出发,依次通过开关和灯泡后回到负极。开关放在这条唯一通路的不同位置,都能控制整个简单电路。至于两只用电器怎样形成不同连接方式以及各处电流关系,将在下一章专门探究,这里先把一条闭合路径接对、画对、查安全。

把整章收束成一张判断网

现在再看开头的两个现象:毛衣摩擦使电子在不同材料间转移,物体暂时带电;手碰金属时发生短暂放电。电池则能在闭合电路中维持电流,用电器持续获得电能。静电与电流的共同主角都是电荷,差别在于电荷是暂时积聚,还是沿完整路径持续定向移动。

复习时可把易错点压成四个问题:电子转移后谁少谁正、谁多谁负?相互吸引能否唯一确定两物体电性?电流方向与金属中电子移动方向是否相同?灯不亮时究竟是断路还是短路?到了阶段检测或中考情境题,再把每个问题落实到图中的接触方式、导线路径和开关状态,结论就有证据支撑。

课后练习

1. 摩擦后的电性与电荷量

干燥环境中,用丝绸摩擦玻璃棒,有 5.0×10125.0\times10^{12}5.0×1012 个电子从玻璃棒转移到丝绸。已知 e=1.6×10−19 Ce=1.6\times10^{-19}\ \mathrm{C}e=1.6×10−19 C,求玻璃棒和丝绸所带的电荷量,并判断各自的带电性质。

答案与解析:转移电荷量的大小为 Q=ne=5.0×1012×1.6×10−19 C=8.0×10−7 CQ=ne=5.0\times10^{12}\times1.6\times10^{-19}\ \mathrm{C}=8.0\times10^{-7}\ \mathrm{C}Q=ne=5.0×1012×1.6×10−19 C=8.0×10−7 C。玻璃棒失去电子,负电荷减少,所以带正电,电荷量为 +8.0×10−7 C+8.0\times10^{-7}\ \mathrm{C}+8.0×10−7 C;丝绸得到同样多的电子,所以带负电,电荷量为 −8.0×10−7 C-8.0\times10^{-7}\ \mathrm{C}−8.0×10−7 C。指数计算中 1012×10−19=10−710^{12}\times10^{-19}=10^{-7}1012×10−19=10−7;正、负号由电子的转移方向决定,不能只看计算所得的大小。

2. 小球靠近后的判断

已知甲小球带正电。甲靠近轻小的乙球时,两球相互吸引。乙球一定带负电吗?若甲、乙相互排斥,又能得到什么结论?

答案:吸引时不能断定乙一定带负电;乙可能带负电,也可能原来不带电而被带电的甲吸引。若两球相互排斥,则乙一定带正电,因为只有带同种电荷的两物体才会相互排斥。解析时要区分“充分证据”:吸引对应的可能性不止一种,排斥却能确定两球带同种电荷。

3. 验电器识图

观察本章验电器图。一根带电棒接触原来不带电的金属球后,两片金属箔张开。请说明电荷到达金属箔的路径、箔片张开的原因,并判断仅凭这次张开能否知道带电棒的电性。

答案与解析:带电棒与金属球接触后,电荷经金属球、金属杆传到两片金属箔。两片箔带上同种电荷,同种电荷相互排斥,所以张开。仅凭“原来不带电的验电器张开”只能判断带电棒带电,不能判断它带正电还是负电;两种电荷都能使两箔最终带同种电荷而张开。

4. 组成与电流方向

观察本章简单电路图,分别指出干电池、小灯泡、开关和导线的作用。开关闭合后,电源外部的电流从哪一极出发?金属导线中电子定向移动方向与它相同吗?

答案与解析:干电池是电源,提供电能;小灯泡是用电器,把电能转化为光能和内能;开关控制电路通断;导线连接各元件并提供电流路径。电源外部的电流从正极出发,经用电器流向负极。金属中的自由电子带负电,其定向移动方向与规定的电流方向相反。

5. 材料分类

下列物品通常都属于导体的一组是( )。

A. 铜线、石墨笔芯、人体 B. 橡胶手套、玻璃棒、铜线 C. 塑料尺、干木棒、人体 D. 陶瓷片、空气、盐水

答案:A。解析:金属铜、石墨、人体通常容易导电,属于导体。橡胶、玻璃、塑料、干木材、陶瓷和通常情况下的空气不容易导电,常作为绝缘体;盐水能够导电。分类有条件,例如木材受潮后导电能力会增强,但题目说的是通常情况。

6. 三种电路状态

某同学进行了两次独立接线。第一次电路中只有一处导线接头松脱,闭合开关后灯不亮。排除这次故障并拆线后,他重新连接第二个电路,却误用一根导线直接连接了电池正、负极,电池很快发热。两次故障分别属于什么状态?哪一次更危险?

答案与解析:第一次只有导线接头松脱,完整路径在接头处中断,属于断路,电路中没有持续电流。第二次是在重新接线时误把导线直接连到电池正、负极,属于电源短路;电流绕过用电器,可能很大,使电池和导线迅速发热,因此第二次更危险。发现发热应立即断开电源,不能继续反复通电试验。

7. 安全连接顺序

小明连接“一节干电池、一个开关和一只小灯泡”的电路。他先闭合开关,再边接线边观察灯是否发光;接好后发现灯不亮,便用导线直接碰接电池两极测试。指出两处不规范操作,并写出正确做法。

答案与解析:第一处错误是闭合开关时接线,接线过程可能出现误接或短路;应先断开开关,连接并检查完整后再闭合。第二处错误是用导线直接碰接电池两极,这会造成电源短路;正确检查方法是保持开关断开,沿“电源正极—开关—灯泡—电源负极”逐段检查接线柱、灯丝和导线,确认无短路路径后再短时间通电观察。

8. 从实物连接画电路图

一个实物电路中,电池正极通过导线接开关,开关另一端接灯泡,灯泡另一端接回电池负极。请说明怎样把它画成规范电路图,并判断开关断开、闭合时电路分别处于什么状态。

答案与解析:先用规范符号依次表示电池、开关和灯泡,再用横平竖直的导线把它们连成一条闭合路径;电池长线一侧表示正极,元件不要画在转角上,开关符号要与实际状态一致。开关断开时,路径在开关处中断,属于断路,灯不亮;开关闭合后,电流能从正极经开关、灯泡回到负极,属于通路,灯正常发光。图形画成方形或其他清楚形状都可以,关键是连接关系相同。

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