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用“类比法”学电压与电流

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类比法是指将相似的物理现象之间作比喻,由此及彼,将抽象的物理概念、规律形象化,以加深对概念、规律的理解和把握.类比得到的结论不一定正确,因此要确认其结论的正确性,还必须经过实验论证.例如,我们学习分子动能的时候与物体的动能进行类比;学习功率时,将功率和速度进行类比;原子结构与太阳系进行类比等,它们之间有相似之处,但规律不完全相同.

电压电流是初中电学中两重要的概念,但它们既看不见又摸不着,对于初中学生来说比较抽象,怎样用“类比法”突破这个难点呢?

我们先看看电流的概念如何建立:放学后,同学们一起沿着学校门前的街道回家,这就形成了一股“人流”;如果骑自行车回家,形成一股“车流”;长江、黄河中的水日夜东流,形成“水流”;与此类似,导体中的电荷向一定方向流动,就会形成“电流”.

那怎样判断电流的存在呢?与“力”类似,导体中有电流时,常会产生一些特有的现象,称为电流的效应.人们就是根据电流的效应来判断电流的存在,并进行测量的.电流有三大效应:(1)电流的热效应即导体通电时发热的现象,电炉、电灯等电热器就是利用电流的热效应工作的.(2)电流的化学效应即导电溶液中有电流通过时发生化学反应的现象.工业上常用电流的化学效应提炼铝和铜,进行电解、电镀等.(3)电流的磁效应即通电导体的周围存在着磁场.电话、电风扇等就是利用这一原理工作的.

再看看电流强度的概念如何建立:

一江水比一盆水的水多,水的多少叫水量.带电体使验电器箔片张开的角度不同,张角越大,表明带电体带的电荷越多,即带电体所带的电荷也是有多少之分的.物理学中把电荷的多少叫电量,单位是库仑,这是为了纪念法国科学家库仑而命名的.

在汛期,长江水在河道某一横截面上每秒流过的水量多,流速快,称为流量大;在枯水期,每秒流过的水量少,流速慢,称为流量小,流量表示了水流的强弱.

与此类似,我们取导体的一个横截面,电荷做定向运动时就有部分电荷通过这一横截面,如在相等的时间内通过导体横截面的电量越多,电流也就越强.我们把1秒内通过导体横截面的电量叫电流强度,简称电流.注意,此处“电流”指电流的强弱,而非上面所说的“电流”概念.电压相同的情况下,通过100W灯泡比通过15W灯泡的电流要强,其含义是:1秒内通过100W灯泡钨丝横截面的电量比通过15W灯泡钨丝横截面的电量多,也就是通过100W灯泡钨丝的电流强度比通过15W灯泡钨丝的大.

在一定时间内,通过导体某一横截面的电量越多,电流就越大.如果在1秒内通过导体横截面的电量是1库,导体中的电流就是1安,即1A=1C/s,电流的常用单位有mA、μA,其换算关系为:1A=1000mA,1mA=1000μA.日光灯的电流约150mA,电冰箱的电流约1A,柜式空调的电流约10A.

最后再看看电压的概念如何建立的:

如图1(a)所示的水路对同学们来说是形象直观易于理解的,而图(b)所示的电路对同学们来说是抽象的.图1(a)所示水路的组成包括水泵(又叫抽水机)、水管、水轮机、阀门四大部分.水泵的作用是在水路中保持一定水压;水管的作用是传输水流;水轮机是利用水能的设备,消耗水能转化为动能;阀门的作用是控制水流的通断.在这个水路中,抽水机的作用是保持水压,从而形成水流.

与此类似,图1(b)所示电路的组成包括电源、导线、电灯、开关四大部分.电源的作用是在电路中保持一定电压;导线的作用是传输电流;电灯就是一个用电器,作用是消耗电能转化为内能和光能;开关的作用是控制电流的通断.在这个电路中,电源的作用是保持电压,从而形成电流.

可见,电压是形成电流的原因,电源的作用就是提供电压,使电路中不断有电流通过.不同的抽水机,在水管两端产生的水压不同,例如离心泵就比压水井产生的水压大;类似地,不同的电源在电路两端产生的电压也不同.如照明电路的电压比干电池的电压大.

国际上通常用字母U表示电压,电压的国际单位是伏特,简称伏.常用单位有:千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV),其换算关系为:1kV=1000V,1V=1000mV,1mV=1000μV.1节干电池的电压是1.5V,1节铅蓄电池是2V,照明电路的电压220V,对于人来说,安全电压不能超过36V.

例 我们常常将看似无关的两个事物或现象联系起来,进行“类比”.“类比法”可以帮助我们理解概念、巩固知识,以下是两个“类比”学习案例:

(1)将如图2所示的“水路”模型类比基本电路,可以发现:

①叶轮机在“水路”中的作用与下面哪个元件在电路中的作用相当?( ).

A.电源 B.开关 C.用电器 D.导线

②类比“水路”模型中“水压是使水管中水定向运动形成水流的原因”,我们很容易理解电压是使电路中 定向运动形成 的原因.

(2)运用“类比法”,我们还可以将实验室交流发电机和直流电动机列表比较,请完成表中的三处填空(将答案直接写在横线上).

答案 (1)①C.②电荷,电流.(2)电磁感应原理、磁场对通电导体具有力的作用、磁体.