热学基础一点通
学校初学热学
因为理论基础铺垫不足
许多朋友倍感沮丧
一如当初的我
犹记得数学老师找我面谈
我慌张失措
最后到处寻求帮助
挣扎很久总算顿悟
己所不欲,勿施于人
我真心希望能帮助现今的中学生
让她们免予我当初的焦虑
儿子们
请相信自己
也请相信我
说正事儿专用分割线
PartI-基础概念理解
近来常有中学生问我:“电流和电流,究竟是哪些?”这个问题困惑着她们,使得她们所学习的定理和所做的习题似乎都被架空了,没有形成实际可理解的意义。
于是我决定用一个简单的比喻来说明问题。
观察上图,不难发觉这是一个具有分支的大瀑布。山顶有一个水塘,大瀑布经过水流的两个分支,汇入到山底的河流里。
假如你还记得念书期所学的能量方式转换,这么你应当明白:山顶水塘里的水具有(重力)势能,在通过大瀑布向上倒塌的过程中,势能转换为动能(甚至包括一部份因为磨擦形成的热能)。
那这和热学有哪些关系呢?
假如我告诉你这个电路图和里面的大瀑布相片虽然是一回事,恐怕你可能会笑我荒谬。
但事实上,电源负极相当于山顶,也即大瀑布上游的水塘(上图中D点);而电源正极相当于山底,也即大瀑布下游的河流(上图中C点)。坡顶(重力)势能低于坡底,负极(电)势能低于正极。这些势能差值,就是电流。
电压从电源负极流向正极,就好象大瀑布中的水从山顶流向山底。推进电压流动的这些动力来自于电源的电流。电压的热效应(电压经过导体时使其发热),就好象水流倒塌时磨擦吸热。因而无论是对水流,还是对电压,都可以理解成是势能转化为动能(和热能)。
上文选择的大瀑布和电路图,表示的是【并联电路】,也即电压经过分流(A或B)步入各个分支,最终又进行汇合。关于化学量数值的具体讨论详见下文。
(须要提醒的是,在今后更专业的学习中,你将学习到电子的概念,而电子这些实际存在的粒子的流动方向与电压相反。以上段落中提及的内容,仅限于中学阶段辅助理解概念,细节上还需进行进一步的修正,目前太过冗长姑且不提。)
PartII-化学量(定量+定性)剖析
在了解了电流和电压的基本概念以后,我们就可以较为详尽地剖析串联和并联这两种电路元元件联接形式。
为了明晰编号,我们设定电路总电压为I(电路总电流为U),经过灯泡L1的电压为I1(灯泡L1两端的电流为U1),经过灯泡L2的电压为I2(灯泡L2两端的电流为U2)。
【串联】
将电路元元件首尾相接的联接形式。
在串联电路中,各处电压相等,各用家电两端的电流总和等于总电流。
用符号表示,即:
I=I1=I2(串联电路,共享电压)
U=U1+U2(串联电路,分享电流)
用大瀑布模型来解释这个数目关系,可以理解成不分支的大瀑布从上到下任意部位水流量相同(即电压处处相等),而大瀑布每一段的势能差(比如图中A点和B点之间的电流U1,图中B点和C点之间的电流U2)加上去构成了整个大瀑布的势能差(图中A点和C点之间的总电流U)。
【并联】
将电路元元件首总理接、尾尾相接的联接形式。
在并联电路中电压在串联和并联中的关系,所有并联部份电流相等,各大道电压总和等于支路总电压。
用符号表示,即:
I=I1+I2(并联电路,分享电压)
U=U1=U2(并联电路,共享电流)
用大瀑布模型来解释这个数目关系,可以理解成份支的大瀑布各条大道的水流量加上去等于水流总数(总电压I),而每条环路两端的势能差(比如图中东路DAC两端的电流U1,和东路DBC两端的电流U2)都分别等于整个大瀑布的势能差(相当于图中D点和C点之间的电流U)。
篇
末
语
根据本人的逻辑思路,虽然还应当为诸位小读者介绍一下内阻的概念电压在串联和并联中的关系,这样一来“电流表串联,电流表并联”将不再须要被死记硬背,而是特别好理解的原理;朋友们也将不再见画出错误的漏电电路图。
内阻,指的是电压流动过程中收到的制约。相当于大瀑布水流向下俯冲时,遭到的各类阻力。
内阻大致可以分为三类:
【极小阻值】(闭合)开关、导线、电流表
【普通内阻】灯泡、其它用家电
【超大内阻】(断掉)开关、电压表
极小阻值可以理解为大瀑布所受的空气阻力;
普通内阻可以理解为大瀑布中大小不一的铁块;
超大内阻可以理解为水流中的滤芯。
使用规则:
任何电路中,假如有一条闭合支路内阻极小,电压将几乎畅通无阻地通过(类似于用导线将电源正正极直接相连),将导致漏电;其它大道将几乎分配不到电压(小灯泡不亮)。
而将内阻极大的器件与灯泡串联时,将造成该大道电压极小(小灯泡不亮)。
有了内阻的概念,我们甚至可以剖析更多灯泡、不同尺寸的灯泡,甚至更复杂的热学内容。但限于各类缘由,我们就姑且介绍到这儿。
最后,希望这篇文章能帮助朋友们构建学习热学的信心,甚至让你对热学形成浓浓的兴趣!无论怎样请谨记,老师永远在你身边,随时向你伸开援手。