我眼中的电学世界

      说到电这个玩意儿,想必是大家生活中最常见、但是又最陌生的东西。他是一切现代化的基础,充斥于生活的各方面。那么你真的了解他吗?他又是如何组成我们的“电生活”的?。

      话说它的产生还是需要从一场摩擦开始。众所周知物体一般是不带电的,但是物体都是由原子组成,而原子中带有电子。所以,在摩擦的过程中,物质的电子就会进行互相交换。而原子的原子核呈正电荷,电子为负电荷。那么什么是电荷呢?大家可以理解为物体或构成物体的质点所带的具有正电或负电的粒子。整个自然界中就只包括两种电荷,一负一正。而且两者在相遇的时候还会进行结合。这就是所谓的异极相吸。那么自然而然也具备同级相斥的一面。这点可以表现在毛皮摩擦过的橡胶棒以及丝绸摩擦过的玻璃棒上。将任意一根悬浮(吊起来),用另一根去靠近一侧,就会发现开始旋转。而且在干燥的时候,当我们和物体接触时(特别是金属),就会发生静电。这边是摩擦引起的。

      所以生活中的电就是这么来的。原子核外部电子会进行移动,便会产生一定的电流。那么肯定有不同的物质对于电子的流动性(程度)不同,大家应该也猜到了,这就是绝缘体和导体。导体为什么一般都是金属?因为金属在组成物质的时候会在内部共享电子,他们的共享方式不是固定的,而是形成电子气。所以这边让他们的传导性非常好。但是不易存储电。而反过来绝缘体虽然导电性不好,但是有一些具备储存的功能。当然我们也需要意识到,在自然界中没有绝对的绝缘体和导体。但是如今科技发达,有导电性极好的超导体,几乎不会产生热量。那么他们为什么不会产生热量?我们一会儿就知道了。

      那么接下来进入的就是一个新的篇章:电路。

      其实可以说电路基本是我们生活中用电的基础,一个通路以及安全的设施是用电的保障。而在电学章节里面,电路是第一个起到承上启下作用的。第一个我们需要先了解电路的正负极。我们其实一般都知道电池或者说电源,都有一正一负(+和-)。那么到底为什么有一次就被称为正,一侧就被称为负?事实上这里有一个bug。因为在大概很早的时候科学界就规定正电荷流出的方向就是正极。这样看似没什么问题,但我们仔细想想,什么东西带正电荷?那肯定是原子核呀!但是电线里面的导体中的电子核基本上是不运动的,除非金属熔化。所以真正提供能量的是从负极流出的电子,而这些电子恰好带的就是负电荷。没办法,其实很早之前很多人都已经发现了这个bug,但不知为何去没有去改正,可能是有很多客观原因吧,大家知道一下就好了。

      金属中有大量的自由电子,所以他们一般都充斥于用电器和导线。除此之外,电路还有用电器以及电源和开关。开关我们可以理解为,随时可以断开闭合的导线。在电路联通之后,用电器比如说小灯泡就会发光,证明有电流流过了灯泡。而且在一个电路中电荷会定向流动(但是这里在给大家拓展一下,有一种另一个类型的电没有方向,大家可以猜一下)。最开始我们接触的是电路障碍是怎么判断产生和解决的。我们通过一组实验来探究,主要就是他就溜什么样的方法可以叫小灯泡熄灭。大家串联了,各式各样的电路,当然主要方法分为几种。第一种就是电源没电,第二种就是电路断路,第三种就是电路短路。什么是短路呢?我们可以思考一下,假设一根电线分离出来两根电线,两根电线上有一根有用电器如果电荷想要通过用电器,就需要花费很大能量。而电流的速度是很快的。所以当我们把电池假设为跑步的人群,消息很多人都喜欢走畅通无阻的路。那条蜿蜒挫折的路肯定会有人通过,但是极少。没错,当我们在电路中用一根导线连接在用电器两头后,我们便把用电器短接了。当然短接是另一种形势的短路。我们也可以通过一种方式把开关以及电源连接,这样大部分电池就不会从用电器流过,便产生了短路。

      了解完这个之后,我们就需要了解不同类型的电路。大家应该在六年级下册有所接触,无非就是两种:串联以及并联。两种其实都很好理解,当两个用电器两端分别连在一起,且只有一端,并且一个用电器的开关会影响另一个的开关,那么这就是串联电路。比如说,我们在教室中可以看到当按下一个开关,一排灯就会一起亮,如果发生故障就是一排灯一起不亮。而当两个用电器互不干涉,可以保证一个熄灭的同时另一个打开开关还可以正常工作,那么这就是并联电路。就是并联电路就是几个不同的电路并在了一起,特点就是只使用一个电源。比如说我们熟悉的路灯,以及家庭电源都是这样。

      接下来我们要开始了解关于电的三个不同的物理量。没错,分别就是电压电流电阻。那他们的定义到底是什么?其实在这里,我们可以很好地理解电流和电阻。电流就是单位时间里通过导体任一横截面的电量叫做电流强度,说白了就是电流在电路中流通的程度。他会受到电压和电阻的影响,改变电荷的流动。电阻也很好理解,它会在电流流动的时候对电流通过形成一定阻力。如果电阻阻值越大,则对于电流的阻碍作用就很大。那么到底什么是电压呢?这里我们可以回顾一下八下所学过的大气压强,在一个空间中,当一部分气压大于/小于一部分气压时,气压就会产生定向的力,空气流动就是力的体现。比如说我们熟知的风,以及破桶实验都是大气压的表现。所以在我看来电压就可以理解为几个单位电荷在某一个空间下产生了电能强度的不同,便造成了差别,产生了电压(衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差)。于是,因为差别,两个地方的电荷就开始互相流动,进一步产生电流。而电路中的导体或多或少都有一定阻值,电阻也就出现了。you see?这就是他们的关系!

      两者都可以通过特定的电表来测量,比如电流可以用电流表来测量,电压可以用电压表来测量。但是在使用之前我们一定要注意两者都需要先把指针归零,同时两者都有正负极的区别,万一连反,指针就会向负方向转。而且在实验的时候,量程一定要选择正确(根据电压和电阻),不然会造成实际电压大于电压表大的恒定电压,就会造成爆表(很危险啊)。其次就是如何使用两者,电流表选择的是与用电器进行串联,因为他测量的是电路中通过的电量强度。而电压表就需要与用电器进行并联,因为他测量的是用电器两端的电压,有压差才能得出电压是多少。哦对了,忘记告诉大家,电压的表示方式是U,单位是福特,也就是V。电流的表示方式是I,单位是安培,为A。电阻的表示方式是R,单位类似于兀,在我们念的时候可以念欧。

      那么电阻的大小是由什么决定的?这里我们就可以做一个实验来进行探究。我们可以选用相同材质不同长度(同粗细)、相同材质不同粗细(同长度)、不同材质。既然电阻会对电流通过形成阻碍,那么在电压不变的情况下,电阻越大电流就越小。所以可以通过电流表的示数变化实验。结果就是如果导体越粗、越长,电阻就越小。这点其实很好理解,因为在导体体积大的情况下可以给予垫子更多的移动空间,束缚很小,电阻自然就小。

      那么串联电路中各用电器的电压和电流与并联电路中各用电器的电流和电压有什么关系和区别?

      这里我们就可以通过实验来进行测量。分别在串联电路和并联电路中使用两个灯泡(电源保证都是三v),正确把电压表和电流表连起来,然后记录每一个用电器的电压以及各个电路的电流。最终我们会发现在串联电路中电流表不管在哪里他的示数都是一样的,而在串联电路中的每个用电器两端的电压却不尽相同。而在并联电路中我们会发现每个店路上的电压都是相同的,但电流却不尽相同!那么这是为什么呢?

      其实我还想告诉大家,了解完这个之后,还有更加让你惊叹的内容。我们可以把刚才说探求到的数值都结合起来,我们就会发现在串联电路中各用电器两端的电压加起来就是电源电压。并联电路中个电路电流加起来就是总电流。同时在通过计算,我们还可以看到在串联电路中种族值的大小就是每一个用电器的阻值之和。但是在并联电路中,总阻值和分组织却看似并没有什么关系!实际上他们之间还是有关系的。这里就需要用到一些计算了。大致过程如下:

      如此一来我们便可以得知在并联电路中总电阻的数值等于各电阻乘积除以各电阻之和。其实简单了解一下我们就可以发现推导这个公式只需要用到并联电路中各电路电流相加等于总电流。当我们带入一组数值的时候,也会发现总,电阻的阻值居然小于任何一个单个电路上的阻值。这是因为当所有电阻加起来会导致总电阻“更粗”,所以就会导致电阻更小。

      而接下来我们就需要进入到最最重要的一个环节,同时也是承上启下的奠基和开始。没错,这就是欧姆定律。通过刚才的实验,我们一定得到了很多数据。但是仔细观察一组电压电流和电阻(电阻已知),我们就会发现这样一个关系:I=U/R。没错,在特定情况下,电流与电阻的乘积居然就是电压!那么我们应该如何的来准确描述欧姆定律?是这样的:在电路中电阻恒定的情况下,同一电路中通过某段导体的电流约这段导体两端的电压呈正比,同时与这段导体的电阻呈反比。在论述它单调性的时候,我们就要注意了。实验结论一定是在同一电路中,U一定时,I会伴随R的增大而减小。那么我们能不能反过来说电阻会伴随电流增大而减小?事实上,万万不可。电阻指的是某个用电器或者定值电阻的阻值,一般是“不会更换”的。所以电阻是不能变得,如果非得让电流增大,那就增加电池,也就是增加电压。这就好比如(这里有个栗子老师上课举过,但我忘了。。。)。

      如此一来,在电路中我们便可以通过两个物理量推算出第三个物理量。再应用上串联电路和并联电路中的各物理量关系,整个电路系统好像都被我们玩明白了。于是,我们便可以通过伏安法,测量定值电阻与用电器组织。但很显然,没过多久我们就又遇到了bug。欧姆定律只能在电阻为定制电阻的情况下应用,否则比如说小灯泡,灯泡的电阻会伴随温度的变化而变化,而它在发亮发热的过程中,正好在释放热量。所以欧姆定律在这组电路中不能使用。

      说个小tips:其实在物理题中你也会遇到额外的物理量,比如说某一个电阻可以通过的最大电流,电压表电流表的量程,能流过滑动变阻器的最大电流(可能我在前面没讲滑动变阻器,其实很好理解,就是上面有一圈电阻,导线可以接在两端上的一点,通过滑动电阻上的滑片可以改变电阻,保证在某些实验中中电流相等)。

      接下来就来到了最最困难的一章节~电功率。这点我们就需要联系到刚才提到过的用电器发热现象。没错,电阻阻碍电流通过,消耗了很多电能,换句话说就是电流正在做功,产生能量导致了发热。事实上在生活中有很多用电器都使用到了发热原理,比如电池灶、电热毯、焖锅等。他们都利用了电流通过电阻的发热,并且将其应用到不同领域。那么发热现象,有什么物理量可以影响呢?与其有关的也就四个,分别是电压电阻电流以及时间。众所周知,我们可以通过两组物理量根据欧姆定律来得出第三组,所以我们可以先舍弃一组除时间以外的物理量。这里我们采用舍去电压的方式,进行探究。

      那我们先来看探究电流对其的影响,所用到的实验仪器自然就是如下图:



      这里用到的方法就是转换法。若要探究发热量的多少,就需要一个可以表示的物体。而众所周知发热之后会使得周围空气膨胀,体积增大,如此一来也会推动液面上升(图中)。所以,那边的液面上升高,就说明哪边电阻所发出的热量更大。在探究电流的时候,我们就是要确保两边的电阻值一样,而通过两边的电流要不一样。如此一来,我们便可以在两边串联的基础上将一边电阻再并联一个额外电阻,就会使得通过原本电阻的电流变小。而最终实验结果表明,在相同的时间下,电流更大的一边所产生的热量更多,液面上升更高。反之就是来探究电阻对其的影响。这里我们可以使用串联电路,串联两个组织不同的电阻,同时可以保证电流相同。但是大家猜怎么着?居然是电阻更大的一边液面上升更高!那么这是为什么呢?在我看来很可能是因为电阻越小就会使得电流越大,电流对发热效率的影响可能要比电阻对发热效率的影响更大。那么在计算过程中,我们就会通过将电流数值平方来确定这一点。事实上的确如此。一百多年前,一位英国物理学家通过不断地研究确定了焦耳定律,他探究出了发热量Q=电阻✖️电流平方✖️时间,这一公式让我们所铭记,并且一直沿用至今。与此同时,我们可以根据八下学过的功率章节,可以推导出电功率怎么表示。既然发热量是Q,那么功率P就等于Q/t(时间),所以我们便可以得到P等于UI。而且根据焦耳定律,我们可以推导出更多关于功率的表示方式,比如Q=UIt,Q=U方/R✖️T等。

      所以,根据焦耳定律,人便可以在各处领域拿捏电的利用,造成更少失误的同时,不断走在前沿科学领域。

      除此之外就是家庭电路的构成了。家庭电路的额定电压是220V,电从遥远的工厂通过电路输送来到每一个客户家中。那么如何构成电路,才能使得这个系统安全有效?首先可以确保的是,多个家庭以及一个家庭中每个用电器的电路都是并联的,这样才能让每个用电器的开关更加自由通畅、方便,不会互相影响。其次就是确保安全。在并联电路中,如果有一处断短路,或者是并联的用电器都在工作,就会因为通过的电流过大让所有用电器不再正常工作,同时会给电路造成很大的危险。如果不做保护措施,可能会出现这样的场景:用一把剪刀分别插到插座上,然后一个小区全停电了…那么到底用什么样的保护措施?难道是给某一组用电器额外加上一个电阻?虽然能保护电路但是这个店主无疑会造成更多的额外耗电。于是聪明的人类想了这样一个办法:给每家每户上加一个保险丝,这样如果家庭中出现短路,保险丝就会因为通过的电流大而熔断,这么一来就会产生断路,保护了电路。而现在我们一般用的保护措施其实是空气开关。每当家庭中出现短路,空气开关中的的金属片就会跳闸,自动把总闸关闭,给一户人家断电。

那么大家肯定想问了,为什么一些小鸟能站在高压线上并且不触电?我们不如思考一下电压是怎么产生的?没错,因为电路中两个地方的电荷势能差而产生。而小鸟的两只脚的间隔很小,形不成多大的电荷势能差,所以电压很小乃至于没有。

   

   

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