人教版高中物理选修31第二章电动势.docx
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人教版高中物理选修31第二章电动势
第2节 电动势
1．知道电源是将其他形式的能转化为电能的装置。
2．了解电路中（电源外部和内部）自由电荷定向移动的过程中，静电力和非静电力做功与能量转化的关系。
3．了解电源电动势的基本含义，知道它的定义式。
4．了解电源内电阻。
一、电源
1．非静电力的作用：
把正电荷由
负极搬运到
正极，同时在该过程中非静电力做功，将其他形式的能转化为
电势能。
2．非静电力的实质：
在电池中是指
化学作用，在发电机中是指
电磁作用。
3．电源：
通过非静电力做功将其他形式的能转化为
电势能的装置。
二、电源的电动势和内阻
1．电动势
（1）物理意义：
反映电源
非静电力做功本领的大小。
（2）大小：
在数值上等于非静电力把1C的
正电荷在电源内部从负极移送到正极所做的功，即E＝
。
（3）单位：
伏特（V）。
（4）大小的决定因素：
由电源中
非静电力的特性决定，跟电源的体积无关，跟
外电路也无关。
（5）常用电池的电动势
干电池
铅蓄电池
锂电池
锌汞电池
1.5V
2V
3V或3.6V
1.2V
2．内阻：
电源内部导体的电阻。
3．容量：
电池放电时能输出的
总电荷量，其单位是：
A·h或mA·h。
对于不同型号的干电池，其电动势一般都为1.5V，这说明了什么？
提示：
说明对于不同型号的干电池，在电池内把1C的正电荷从干电池的负极移到正极所做的功都是1.5J。
（1）电源的电动势就是电源两端的电压。
（ ）
（2）所有电池的电动势都是1.5V。
（ ）
（3）电动势在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。
（ ）
（4）电动势公式E＝
中的W与电压U＝
中的W是一样的，都是电场力做的功。
（ ）
（5）电源的电动势大说明其把其他形式的能转化为电能的本领大。
（ ）
提示：
（1）×
（2）× （3）√ （4）× （5）√
课堂任务
对非静电力的理解
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：
甲、乙两图对比的是什么？
两图中的哪些部件相对应？
提示：
甲、乙两图对比的是水泵抽水和电源提供电压的原理。
电源相当于水泵，电流相当于水流，负载相当于水轮机，导线相当于水管。
活动2：
从力的方面考虑，类比于水泵的作用，试猜想电源的作用？
提示：
如果没有水泵，水流会很快停止，水泵提供外力，克服水的重力不断把水提到高处，使水位保持一定的高度差，维持水的持续流动。
以正电荷为例分析，如果没有电源，正电荷会在电路中电场的作用下从正极开始流向电势较低的负极，只会形成一个瞬时电流，最终正、负极间电势差为零。
电源的作用是提供“非静电力”，克服电源内部从正极指向负极的静电力，不断把正电荷从负极搬运电势高的到正极，维持正、负极的电势差，从而使电路中有持续电流。
活动3：
类比于甲图水泵和水路的能量转化，试猜想乙图中电源的外部（外电路）和内部（内电路）能量的转化有什么不同？
提示：
甲图中，水泵通过电力做功，将外界提供的能量转化为水的重力势能，从而使水持续流动，水流向低处流动，通过水轮机做功，水的重力势能转化为其他能。
乙图中，电源通过“非静电力”做功，将电源提供的能量（如电池中的化学能、发电机中的机械能）转化为电荷的电势能，从而维持电流的持续流动，电流向电势低处流动，通过电路中的用电器做功，电能转化为其他能。
活动4：
讨论、交流、展示，得出结论。
（1）静电力：
即电场力，是静止的带电体之间的作用力，例如每一对静止的点电荷之间的静电力，可以用库仑定律去求解。
（2）非静电力：
除静电力之外，对电荷的运动起促进或阻碍作用的力，常见的有化学作用、电磁作用等。
①如图所示，在电源外部的电路里，自由电荷在电场力作用下移动，电场力做正功，电势能转化为其他形式的能；在电源内部，自由电荷移动的方向与受到的电场力方向相反，移送电荷的不再是电场力，而是“非静电力”。
非静电力做功将电荷“移送”到电势能高的电极，增加电势能（消耗其他形式的能）。
所以可以说：
电源是通过非静电力做功，将其他形式的能转化为电能的装置。
②作用：
保持两极间有一定的电压，供给电路电能。
③非静电力的实质
在电池中，非静电力是化学作用，它使化学能转化为电势能；在发电机中，非静电力是电磁作用，它使机械能转化为电势能。
例1 （多选）关于闭合电路，下列说法正确的是（ ）
A．在外电路和电源内部，正电荷都受非静电力作用，所以能不断定向移动形成电流
B．静电力与非静电力都可以使电荷移动，所以本质上都是使电荷的电势能减少
C．在电源内部正电荷能从负极到正极是电源内部非静电力克服静电力做功的结果
D．静电力移动电荷做功，电势能减少；非静电力移动电荷做功，电势能增加
（1）在电源内外，静电力对电荷是如何做功的？
提示：
在电源外部，静电力对电荷做正功，在电源内部，静电力对电荷做负功。
（2）非静电力对电荷是如何做功的？
提示：
在电源内部，非静电力对电荷做正功。
[规范解答] 在电源外部，电荷受静电力作用，而在电源内部，电荷既受静电力作用，又受非静电力作用，故能使电荷不断定向移动形成电流，A错误，C正确；静电力做功，使电荷电势能减少，非静电力做功，使电荷电势能增加，B错误，D正确。
[完美答案] CD
（1）非静电力只存在电源的内部，而静电力分布于电源内外。
（2）非静电力做多少功，就有多少其他形式的能转化为电能。
以下说法中正确的是（ ）
A．在电源内部，静电力使电荷做定向运动，非静电力阻碍电荷做定向运动
B．由于静电力做功，所以沿电流方向电荷的电势能减少
C．在电源内部，正电荷能从负极到达正极是因为电源内部只存在非静电力而不存在静电力
D．电源的作用是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电荷的电势能
答案 D
解析 在电源内部和外部都存在着由正极指向负极的电场，在电源外部，正电荷受静电力作用，能不断地定向移动形成电流，此过程静电力做正功使电荷的电势能减少；在电源内部，非静电力使正电荷由负极移动到正极，使负电荷由正极移动到负极，电荷所受静电方向与其运动方向相反，静电力做负功，沿电流方向电荷的电势能增加，故A、B、C错误。
电源的作用是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电荷的电势能，D正确。
课堂任务
对电动势的理解
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：
不同的水泵，能将水举起的高度不同，即使水增加的重力势能不同，那么不同的电源可能有什么特点？
提示：
不同的水泵工作时，可以使同样质量的水增加的重力势能不同，可猜测，不同的电源，将同样多的正电荷从负极移到正极，可以使电荷增加的电势能不同，即不同电源的做功本领可能不同。
活动2：
图中的数据说明了不同电源中非静电力F的什么性质？
提示：
蓄电池相比干电池把其他形式的能转化为电势能的本领强，即不同电源中非静电力的做功本领可能不同。
活动3：
如果用电动势E描述电源的这种性质，与水泵的做功本领类比，试写出E的表达式。
提示：
设水泵将重为G的水提高h，做功W＝Gh，则水泵的做功本领应为
＝h。
类似的，假设电源中的非静电力F把一定量的正电荷q在电源内从负极移送到正极，做功为W，为了用电动势E反映电源做功本领的大小，则：
E＝
。
活动4：
讨论、交流、展示，得出结论。
（1）电动势的理解
①在不同电源中，非静电力做功的本领可能不同，即把相同数量的正电荷q在电源内部从负极搬运到正极，非静电力做功的多少W可能不同，电源的做功本领用电动势描述：
E＝
。
②电动势E是标量，电动势的方向为电源内部电流的方向，即沿电源由负极指向正极。
③公式E＝
是电动势的定义式，而不是决定式，E的大小与W和q无关，是由电源自身的性质决定的。
④电动势的大小：
等于在电源的内部从负极到正极移送单位正电荷非静电力做功的数值。
一定要注意必须是“单位正电荷”，而不是“任意电荷”。
（2）电动势和电压（即电势差）的关系
电源移送电荷q做功W，使电荷的电势能增加Ep，根据功能关系可得，W＝Ep，两边同时除以q，利用E＝
，U＝
得，E＝U，即电源未接入电路时的电压等于两极间的电动势。
由此可知电动势与电势、电势差的单位相同，电势差表示电场能的性质，所以电动势表示电源能的性质。
例2 （多选）关于电动势E的说法中正确的是（ ）
A．电动势E的大小，与非静电力所做的功W的大小成正比，与移送的电荷量q的大小成反比
B．电动势E是由电源本身决定的，跟外电路无关
C．电动势E是表征电源把其他形式的能转化为电能本领强弱的物理量
D．电动势E的单位与电势差的单位相同，故两者在本质上相同
U与E性质是一样的吗？
提示：
不一样。
U描述电场力做功的本领，E描述电源中非静电力做功的本领。
[规范解答] 电动势是一个用比值定义的物理量，这个物理量与这两个相比的项没有关系，它是由电源本身决定的，是表征电源把其他形式的能转化为电能本领强弱的物理量。
电动势和电势差尽管单位相同，但本质上是不相同的，故选B、C。
[完美答案] BC
（1）E＝
是电动势的定义式而不是决定式，E的大小与W和q无关，是由电源自身的性质决定的，电动势不同，表示电源将其他形式的能转化为电能的本领不同。
（2）电动势与电压的区别与联系
电压U
电动势E
物理
意义
电场力做功，电能转化为其他形式的能的本领，表征电场能的性质
非静电力做功，其他形式的能转化为电能的本领，表征电源能的性质
定义式
U＝
，W为电场力做的功
E＝
，W为非静电力做的功
单位
伏特（V）
伏特（V）
联系
电动势等于电源未接入电路时两极间的电压值
有关电压与电动势的说法中正确的是（ ）
A．电压与电动势的单位都是伏特，所以电动势与电压是同一物理量的不同叫法
B．电动势是电源两极间的电压
C．电动势公式E＝
中W与电压公式U＝
中的W是一样的，都是电场力做的功
D．电动势是反映电源把其他形式的能转化为电能本领强弱的物理量
答案 D
解析 电压与电动势是两个不同的概念，A错误；电动势公式E＝
中W是非静电力做的功，而电压U＝
中W则是电场力做的功，C错误；电动势的大小等于电源未接入电路时两极间的电压，B错误。
课堂任务
电源的重要参数
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：
两种电池有什么不同？
提示：
两种电池有不同的用途，由不同的材料构成，其参数也不一样。
左图是手机的电池，右图通常是一些家用电器的电池。
活动2：
左图中电池的电动势是多少？
充电限制电压4.2V是电动势吗？
提示：
电池的电动势是3.7V。
充电限制电压4.2V是指外部给电池充电时的最高电压，不是此电池的电动势。
活动3：
左图中1000mAh是什么意思？
提示：
1000mAh是电池的容量。
活动4：
讨论、交流、展示，得出结论。
（1）电源的三个重要参数
①电动势E：
电池的电动势取决于电池正负极的材料及电解液的化学性质。
②内阻r：
电源内部也是由导体组成的，所以也有电阻，叫做电源的内阻。
其大小由电源内部结构决定。
③容量：
电池放电时能输出的总电荷量，通常以安培小时（A·h）或毫安小时（mA·h）做单位。
对同一种电池来说，体积越大，容量越大，内阻越小。
（2）干电池：
干电池的电动势与体积无关。
体积大的干电池，内部的电化学物质较多，容量大，能够产生的电能多。
对同一品种新的电池来说，体积越大，电池的容量越大，内阻越小，例如1号干电池的容量比7号干电池的容量大，1号干电池的内阻比7号干电池的内阻小。
干电池使用久了之后，电动势会减小，内阻会增大。
例3 （多选）如图为一块手机电池的背面印有的一些符号，下列说法正确的是（ ）
A．该电池放电时能输出的总电荷量为1800C
B．该电池的电动势为3.6V
C．若电池以10mA的电流工作，可用50h
D．若两块电池串联使用电动势仍为3.6V
mA·h这个单位有什么启示？
提示：
mA是电流I的单位，h是时间t的单位，这两者之积自然想到电荷量。
[规范解答] 由电池铭牌可知，B正确；由q＝500mA·h得，q＝500×10－3A×3600s＝1800C，A正确；由q＝It得：
t＝
＝
＝50h，C正确；两电池串联使用时，E总＝2E＝7.2V，D错误。
[完美答案] ABC
（1）电池的容量就是电池放电时输出的总电荷量，其实际大小与放电电流的大小及放电方式有关。
（2）n个相同的电池串联时，其总电动势E总＝nE，总内阻r总＝nr。
由六节干电池（每节的电动势为1.5V）串联组成的电池组，对一电阻供电，电路中的电流为2A，在10s内电源做功为180J，则电池组的电动势为多少？
从计算结果中你能得到什么启示？
答案 9V 串联电池组的总电动势等于各电池的电动势之和
解析 由E＝
及q＝It得
E＝
＝
V＝9V＝1.5×6V
故可得出，串联电池组的总电动势等于各电池的电动势之和。
A组：
合格性水平训练
1．（电动势的理解）电源电动势反映了电源把其他形式的能量转化为电能的能力，因此（ ）
A．电动势是一种非静电力
B．电动势越大，表明电源储存的电能越多
C．电动势的大小是非静电力做功能力的反映
D．电源向外提供的电能越多，表明电动势越大
答案 C
解析 电动势是反映电源通过非静电力做功将其他形式的能转化为电势能本领的物理量，电动势越大说明这种转化本领越强，但不能说明储存的电能越多，故A、B错误，C正确；电源向外提供的电能多，电动势不一定大，D错误。
2．（电源综合）（多选）关于电动势，下列说法中正确的是（ ）
A．在电源内部把正电荷从负极移到正极，非静电力做功，电势能增加
B．对于给定的电源，移动正电荷非静电力做功越多，电动势就越大
C．电动势越大，说明非静电力在电源内部把正电荷从负极向正极移动时，对单位电荷量的正电荷做功越多
D．电动势越大，说明非静电力在电源内部把正电荷从负极移到正极时，移送的电荷量越多
答案 AC
解析 电源将其他形式的能转化为电势能，是通过电源内部的非静电力做功来完成的，所以，非静电力做功，电势能就增加，因此A正确；电源的电动势是反映电源内部其他形式的能转化为电势能本领的物理量，电动势在数值上等于移送单位电荷量的正电荷所做的功，不能说非静电力做功越多，电动势越大，也不能说电动势越大，移送的电荷量越多，故C正确，B、D错误。
3.
下列对于电动势的定义式E＝
的理解，正确的是（ ）
A．E与W成正比B．E与q成反比
C．E的大小与W、q无关D．W表示非静电力
答案 C
解析 电动势是描述电源非静电力搬运电荷本领大小的物理量，与W、q无关。
4．（电动势的理解）（多选）如图所示是常用在电子手表和小型仪表中的锌汞电池，它的电动势约为1.2V，这表示（ ）
A．电路通过1C的电荷量，电源把1.2J其他形式的能转化为电能
B．电源在每秒内把1.2J其他形式的能转化为电能
C．该电源比电动势为1.5V的干电池做功少
D．该电源与电动势为1.5V的干电池相比，通过1C电荷量时其他形式的能转化为的电能少
答案 AD
解析 电动势在数值上等于将1C电量的正电荷从电源的负极移到正极过程中非静电力做的功，该电池的电动势为1.2V，表示该电池将1C电量的正电荷由负极移送到正极的过程中，非静电力做了1.2J的功，电源把1.2J其他形式能转化为电能，故A正确；电源的电动势是1.2V，不表示电源在每秒内把1.2J其他形式能转化为电能，故B错误；电动势表示电源做功的能力的大小，不表示做功的多少，故C错误；电动势表示电源做功的能力的大小，1.2V的锌汞电池与电动势为1.5V的干电池相比，通过1C电荷量时转化为的电能少，故D正确。
故选A、D。
5.
一台发电机用0.5A的电流向外输电，在1min内将180J的机械能转化为电能，则发电机的电动势为（ ）
A．6VB．360VC．120VD．12V
答案 A
解析 q＝It，E＝
＝
＝
V＝6V。
6．（电池容量的理解）电池容量就是电池放电时输出的总电荷量，某蓄电池标有“15A·h”的字样，则表示（ ）
A．该电池在工作1h后达到的电流为15A
B．该电池在工作15h后达到的电流为15A
C．电池以1.5A的电流工作，可用10h
D．电池以15A的电流工作，可用15h
答案 C
解析 此字样在很多电池上都有标注，它表示电池蓄存电荷量的情况，通过它可以知道电池在一定的放电电流下使用的时间，放电电流为1.5A时，15A·h＝1.5A×10h，故C正确。
7．（电源）（多选）如图所示，这是一种化学原电池，电路中电流计可以测出电流的方向，设测得外电路的电流方向如图所示，其中两金属板分别为锌板和铜板，电解槽中的电解液为硫酸铜，试分析下列说法中正确的是（ ）
A．正电荷从A经过电流计G流向B
B．电解槽中只有非静电力做功
C．A端是电源的正极，B端是电源的负极
D．该种电池能把化学能转化为电能
答案 CD
解析 由电流方向可知电源的正极为A，负极为B，故C正确。
金属导线中是带负电的电子导电，从B经G流向A，A错误。
在电源内部，电荷受非静电力和静电力的共同作用，静电力也做功，B错误。
在反应过程中，电池将化学能转化为电能，故D正确。
8．（综合）铅蓄电池的电动势为2V，一节干电池的电动势为1.5V，将铅蓄电池和干电池分别接入电路，两个电路中的电流分别为0.1A和0.2A。
试求两个电路都工作20s时间，电源所消耗的化学能分别为________和________，________把化学能转化为电能的本领更大。
答案 4J 6J 铅蓄电池
解析 对于含有铅蓄电池的电路，20s时间内通过的电荷量为q1＝I1t＝2C，对于含有干电池的电路，20s时间内通过的电荷量为q2＝I2t＝4C。
由电动势的定义式E＝
可得电源消耗的化学能分别为W1＝q1E1＝4J，W2＝q2E2＝6J。
因为E1>E2，故铅蓄电池把化学能转化为电能的本领大。
9．（电源参数）随着中国电信业的发展，国产手机在手机市场上已经有相当大的市场份额，如图所示的是中国科健股份有限公司生产的一块手机电池外壳上的文字说明。
（1）该电池的电动势是多少？
（2）该手机待机状态下的平均工作电流是多少？
（3）每次完全放电过程中，该电池将多少其他形式的能转化为电能？
答案
（1）3.7V
（2）14.58mA （3）9324J
解析
（1）由铭牌可以读得该电池的电动势为3.7V。
（2）由铭牌知该电池的容量为700mA·h，
所以I＝
＝
＝14.58mA。
（3）转化的电能为
ΔE电＝W＝E·q＝3.7×700×10－3×3600J＝9324J。
B组：
等级性水平训练
10．（综合）下列关于电池的说法正确的是（ ）
A．同一种干电池，旧电池比新电池的内阻小、容量小
B．电源电动势E与通过电源的电流I的乘积EI表示电源内部静电力的功率
C．1号干电池比5号干电池的电动势小、容量大、内阻小
D．当通过同样的电荷量时，电动势为2V的蓄电池比电动势为1.5V的干电池提供的电能多
答案 D
解析 同一种干电池，旧电池比新电池的内阻大，容量小，A错误；同一种干电池，不论是1号还是5号，其电动势是一定的，皆为1.5V，但体积大的电池容量较大，内阻较小，故C错误；电源的电动势表示的是非静电力做功的本领，也就是电源将其他形式的能转化为电能的本领，非静电力做的功大小等于电源将其他形式的能转化为电能的多少，W＝Eq，电动势越大，通过相同的电荷量非静电力做的功越多，电源提供的电能越多，电动势E与通过电源的电流I的乘积EI表示在电源内部非静电力的功率，故B错误，D正确。
11.（综合）（多选）如图为伏打电池示意图，由于化学反应，在A、B两电极附近产生了很薄的两个带电接触层a、b。
沿电流方向绕电路一周，非静电力做功的区域是（ ）
A．RB．bC．rD．a
答案 BD
解析 非静电力的作用是在电源内部把正电荷（电子）由负（正）极拉向正（负）极，所以非静电力做功的区域是电极附近的a、b，而不是电路中，故B、D正确。
12．（电源及电动势）将电动势为3.0V的电源接入电路中，测得电源两极间的电压为2.4V。
当电路中有6C的电荷流过时，求：
（1）有多少其他形式的能转化为电能；
（2）外电路中有多少电能转化为其他形式的能；
（3）内电路中有多少电能转化为其他形式的能。
答案
（1）18J
（2）14.4J （3）3.6J
解析 由电动势的定义可知，在电源内部非静电力每移送1C电荷，有3J其他形式的能转化为电能，也可认为在电源中，非静电力移送电荷做多少功，就有多少其他形式的能转化为电能；在外电路中，静电力移送电荷做多少功，就有多少电能转化为其他形式的能。
（1）W＝Eq＝3×6J＝18J，电源中共有18J其他形式的能转化为电能。
（2）W1＝U1q＝2.4×6J＝14.4J，外电路中共有14.4J电能转化为其他形式的能。
（3）根据能量守恒：
W2＝W－W1＝3.6J。
13．（综合）一部数码相机中用的锂电池的电动势为3.6V，容量为2000mA·h（相当于以1000mA的电流释放可放电2h，以500mA的电流释放可放电4h，以此类推）。
若关闭液晶屏时可拍摄照片800张左右，则每拍一张照片消耗的电能约为多少？
若打开液晶屏时可拍摄照片300张左右，则每拍一张照片液晶屏消耗的电能约为多少？
答案 32.4J 54.0J
解析 该锂电池所存储的电能E电＝Eq＝EIt＝3.6×2000×10－3×3600J＝25920J，
关闭液晶屏时可拍摄照片800张左右，则每拍一张照片所消耗的电能约为
J＝32.4J；
打开液晶屏时可拍摄照片300张左右，则此时每拍一张照片消耗的电能约为
J＝86.4J，
则每拍一张照片液晶屏消耗的电能约为86.4J－32.4J＝54.0J。
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