第 12 章 第 1 节 电阻 变阻器

 
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章  电阻定律


我国已经建成数条通联南北、横贯东西的特高压交流和直流输电线路。特高压输电的原理虽然复杂,但是和所有的电路一样都遵循电学的基本规律。本章我们将学习电路中电流与电压、电阻之间的关系。

通过本章内容的学习,你将了解电阻,认识影响电阻大小的因素;经历探究电流与电压、电阻关系的过程,理解欧姆定律;并学会测量电阻的方法;体会控制变量、等效替代等思想方法在科学探究中的作用。

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电阻 变阻器

高压输电线用铝等材料制成,而剥开普通导线的绝缘层,则可以看见里面的铜芯(图 12–1–1)。我们知道铜、铁、铝还有镍铬等金属都是导体,但为什么导线一般采用铜或铝来制作呢?

不同材料导体的导电能力是否相同?

不同材料的导体虽然都能导电,但是它们的导电能力是否相同呢?

 

如图 12–1–2 所示,将导线 MN 两端直接连接起来,闭合开关 S,观察并记录此时电流表的示数。然后在 MN 之间接入一根康铜丝,观察比较小灯泡的亮度和电流表示数的变化。

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图 12–1–2  探究不同材料导体的导电能力

如果在 MN 之间改接入一根与康铜丝粗细、长短相同的镍铬合金丝,和接入康铜丝相比较,小灯泡的亮度又如何变化?电流如何变化?

接入康铜丝或镍铬合金丝后,电路中的电流变小,说明导体虽然能够导电,但是对电流有阻碍作用。电路中接入不同材料的金属丝后电流不同,说明不同材料金属丝对电流的阻碍作用不同。研究表明,不同材料的导体导电能力一般不同。

物理学中把表示导体对电流阻碍作用的物理量叫做电阻(resistance),用 R 表示。在国际单位制中,电阻的单位是欧姆,简称欧,符号是Ω。电阻的常用单位还有千欧(kΩ)和兆欧(MΩ)。它们的换算关系为:

1 kΩ = 1×103 Ω

1 MΩ = 1×105 Ω

横截面积为 1 mm2、长为 10 m 的铜线电阻约为 0.2 Ω,普通电吹风吹热风时的电热丝电阻约为 40 Ω。

具有一定电阻值的元件——电阻器,也常简称为电阻。图 12–1–3 为常见的电阻,其中有能承载十几安电流的波纹电阻,也有只能承载几毫安电流的贴片电阻。如果按照电阻所用材料来分类,有碳膜电阻、金属膜电阻等。电阻在电路图中用符号“”表示。

 

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(a)波纹电阻
(b)贴片电阻
(c)碳膜电阻
(d)金属膜电阻
图 12–1–3  各种电阻

电阻的大小与哪些因素有关?

我们已经知道,导体的电阻大小与导体的材料有关。除了材料不同之外,导体还有长短、粗细的差别,那么电阻的大小是否和导体的长度、粗细有关呢?

 
图 12–1–4  探究电阻与导体长度、横截面积的关系

现有长度相同的镍铬合金丝 AB 和 CDCD 比 AB 粗,其横截面积较大。

1.探究导体材料、横截面积一定时,电阻大小与长度的关系

连接图 12–1–4 所示电路,将镍铬合金丝 AB 或 CD 接入电路,通过改变鳄鱼夹连接的位置,改变连入电路电阻丝的长度,通过观察电流表示数的变化判断电阻的大小。

2.探究导体材料、长度一定时,电阻大小与横截面积的关系

将镍铬合金丝 AB 和 CD 分别接入电路,保持两次实验中连入电路的电阻丝长度相同,通过观察两次实验中电流表示数的变化判断镍铬合金丝 AB 和 CD 电阻的大小关系。

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由表 12–1–1 提供的数据可知,相同长度和横截面积的银线、铜线、铝线的电阻都比较小,但普通导线用铜制成,而高压输电线一般用铝等材料制成。你能解释其中的原因吗?

图 12–1–5  半导体元件

大量实验表明:导体的电阻取决于它的材料、长度和横截面积。材料相同的导体,长度越长、横截面积越小,电阻越大;长度、横截面积都相同而材料不同的导体,电阻大小一般不同。

表 12–1–1 为长 1 m、横截面积 1 mm2 的一些金属导体在 18 ℃ 时的电阻。

表 12–1–1  一些金属导体的电阻
材料 电阻 R
0.016
0.017
0.027
0.053
0.099
0.11
康铜 0.50
镍铬合金 1.1

 

硅晶体等材料的导电性能介于导体和绝缘体之间,称为半导体。各种类型半导体材料的物理性质不尽相同,可以制成各种半导体元件。计算机、电视机等电器中都要用到各种类型的半导体元件(图 12–1–5)。半导体是当今社会发展的重要基础材料,被广泛应用于集成电路、移动通信、半导体照明、半导体激光器等领域。

如何改变电阻?

做实验时常常需要改变电路中的电流,我们可以在电路中接入一种叫做变阻器的元件来改变

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图 12–1–6  滑动变阻器

电路中电阻的大小,从而改变电流。

利用电阻与导体长度的关系,可制成实验室常用的滑动变阻器。电路图中滑动变阻器用符号“”表示。

与定值电阻不同,如图 12–1–6 所示的滑动变阻器有三个接线柱;黑色绝缘层包裹着的电阻丝缠绕在绝缘瓷筒上,电阻丝的两端分别连着接线柱 AB,它与金属滑片 P 接触处电阻丝上的绝缘层已被刮去;滑片 P 通过金属杆与接线柱 C 相连。

滑动变阻器的铭牌上标有一些参数,比如“20 Ω  2 A”。“20 Ω”的含义是滑动变阻器的阻值范围是 0 ~ 20 Ω,“2 A”的含义是允许通过变阻器电阻丝的最大电流是 2 A。

如何利用滑动变阻器改变电路中的电流呢?

 
图 12–1–7
用滑动变阻器改变通过小灯泡的电流

连接如图 12–1–7 所示电路,将滑动变阻器任意两个接线柱接入电路中的 MN 两点。

①在图 12–1–7 中的滑动变阻器上用笔将电流通过的那一部分电阻丝圈出。

②闭合开关 S,移动滑片 P,观察电流表的示数变化。

③在小灯泡两端并联一个电压表,移动滑片 P,观察电流表示数变化的同时,电压表的示数如何变化。

 

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(a)光敏电阻
(b)热敏电阻
图 12–1–9
热敏电阻和光敏电阻

只要将滑动变阻器的接线柱 CAB 接入电路,就可通过移动滑片使它连入电路的阻值在 0 到最大阻值范围内变化。

除了实验室里常用的滑动变阻器外,各种电器中还会使用电位器,电位器也是一种可变电阻器(图 12–1–8)。尽管它们的外形不同,但工作原理都与滑动变阻器相似。

(a)实物图
(b)结构图
图 12–1–8  电位器

变阻器作为控制元件,可以改变电路中通过用电器的电流及其两端的电压,被广泛应用于各种电子仪器中。

由某些材料制成的电阻,其阻值会随外界温度或光照强度的变化而发生明显变化,这类电阻叫做热敏电阻或光敏电阻(图 12–1–9)。它们可以应用在温控或光控电路中,如冰箱的温度调节,路灯的自动开关等。

 

 

1.一根粗细均匀的金属丝,将其均匀地拉到原长的两倍,此金属丝的电阻将如何变化?简述理由。

2.将长度、粗细相同的几根铜丝拧在一起(图 12–1–10),与

 

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1 根铜丝相比,几根铜丝拧在一起时其电阻将__________,原因是这种做法相当于增加了导线的__________。

图 12–1–10
图 12–1–11

3.滑动变阻器是通过改变_________________来改变电阻的。图 12–1–11 中某滑动变阻器上标有“20 Ω  2 A”的字样,“20 Ω”表示_______________两个接线柱之间的电阻为 20 Ω。

4.如图 12–1–12 所示,电位器主要由 ABC 三个接线柱和轴带动的滑片 P 以及弧形电阻片组成。将电位器的接线柱 AC 接入电路,顺时针旋转电位器的轴时,AC 两接线柱间的电阻如何变化?

图 12–1–12

发布时间:2026/5/30 21:27:56  阅读次数:14