2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——電動(dòng)勢(shì)與電壓的物理學(xué)關(guān)系探究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請(qǐng)闡述你對(duì)電動(dòng)勢(shì)（EMF）的定義及其物理本質(zhì)的理解。區(qū)別電動(dòng)勢(shì)與電路中任意兩點(diǎn)間的電壓（電壓降或路端電壓），并說明理想電源與實(shí)際電源在電動(dòng)勢(shì)表現(xiàn)上的異同。二、簡(jiǎn)要解釋非靜電力在產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)過程中的作用。以化學(xué)電池為例，說明化學(xué)能是如何轉(zhuǎn)化為電能的。三、根據(jù)閉合電路歐姆定律，推導(dǎo)出路端電壓U的表達(dá)式，即U=ε-Ir。明確式中各物理量的含義及其單位。四、一個(gè)標(biāo)有“6.0V，3.0Ω”的蓄電池（視為實(shí)際電源，內(nèi)阻恒定），接外電阻R。1.計(jì)算當(dāng)R=2.0Ω時(shí)，電路中的電流強(qiáng)度I和蓄電池的路端電壓U。2.計(jì)算當(dāng)R=6.0Ω時(shí)，電路中的電流強(qiáng)度I和蓄電池的路端電壓U。3.計(jì)算當(dāng)R=9.0Ω時(shí)，電路中的電流強(qiáng)度I和蓄電池的路端電壓U。五、分析在含內(nèi)阻的實(shí)際電源中，當(dāng)外電阻R從零增大到無窮大時(shí)，電路中的電流強(qiáng)度I和電源的路端電壓U各將如何變化？請(qǐng)分別說明在R=0和R→∞時(shí)，I和U的值及其物理意義。六、三個(gè)電動(dòng)勢(shì)均為ε、內(nèi)阻均為r的相同電池，分別按以下方式連接：1.將它們串聯(lián)組成電池組，求此串聯(lián)電池組的總電動(dòng)勢(shì)E串和總內(nèi)阻r串。2.將它們并聯(lián)組成電池組，求此并聯(lián)電池組的總電動(dòng)勢(shì)E并和總內(nèi)阻r并。七、試解釋為什么測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)時(shí)，電壓表的內(nèi)阻必須非常大？而測(cè)量電源短路電流時(shí)，電流表的內(nèi)阻必須非常??？（從電壓表和電流表接入電路后對(duì)原電路的影響角度分析）試卷答案一、電動(dòng)勢(shì)（EMF）是電源將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能本領(lǐng)的度量，定義為電源內(nèi)部非靜電力將單位正電荷從負(fù)極通過電源內(nèi)部移到正極時(shí)所做的功。其物理本質(zhì)是描述電源中非靜電力做功的能力。電動(dòng)勢(shì)在數(shù)值上等于電路中閉合回路一周非靜電力所做的功與電荷量的比值。區(qū)別在于：電動(dòng)勢(shì)是描述電源本身特性的物理量，是電源內(nèi)部非靜電力做功的表現(xiàn)，其方向規(guī)定為從電源負(fù)極指向正極；電壓（電壓降或路端電壓）是電場(chǎng)力做功的能力，是電路中任意兩點(diǎn)間的電勢(shì)差。對(duì)于理想電源（內(nèi)阻為零），其電動(dòng)勢(shì)等于路端電壓；對(duì)于實(shí)際電源（含內(nèi)阻r），路端電壓U總是小于電動(dòng)勢(shì)ε，關(guān)系為U=ε-Ir。理想電源與實(shí)際電源在電動(dòng)勢(shì)表現(xiàn)上的相同點(diǎn)是，在開路（斷路）狀態(tài)下，沒有電流通過內(nèi)阻，路端電壓等于電動(dòng)勢(shì)。不同點(diǎn)在于，實(shí)際電源存在內(nèi)阻，其路端電壓會(huì)隨外電路電阻的變化而變化；而理想電源的路端電壓恒等于其電動(dòng)勢(shì)，不隨外電路電阻變化。二、非靜電力在產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)過程中的作用是克服電場(chǎng)力，將正電荷從電源負(fù)極（低電勢(shì)端）移動(dòng)到正極（高電勢(shì)端），在此過程中將其他形式的能量（如化學(xué)能、機(jī)械能等）轉(zhuǎn)化為電能。以化學(xué)電池為例，電池內(nèi)部存在化學(xué)反應(yīng)，正極材料發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子，負(fù)極材料發(fā)生還原反應(yīng)得到電子。這些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的“化學(xué)力”或“離子力”可以視為非靜電力，它們推動(dòng)外電路中的自由電子從負(fù)極流向正極，同時(shí)內(nèi)部發(fā)生離子遷移以維持電荷平衡。在這個(gè)過程中，化學(xué)能被轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能（形成電流），即電能。三、閉合電路歐姆定律：ε=I(R+r)。其中：*ε是電源電動(dòng)勢(shì)，*I是電路中的電流強(qiáng)度，*R是外電路的總電阻，*r是電源的內(nèi)阻。將上式變形為：I=ε/(R+r)。路端電壓U是電源外部電路兩端的電壓，即外電阻R兩端的電壓降。根據(jù)歐姆定律，U=IR。將I=ε/(R+r)代入U(xiǎn)=IR中，得到：U=R*[ε/(R+r)]U=[Rε/(R+r)]將分母R+r提取到分子上，得到：U=ε*[R/(R+r)]U=ε*[(R+r-r)/(R+r)]U=ε*[1-r/(R+r)]因?yàn)閞/(R+r)=r/R*R/(R+r)=r/R*[1-r/(R+r)]，所以r/(R+r)<1。因此，U=ε-[ε*r/(R+r)]。進(jìn)一步簡(jiǎn)化，注意到r/(R+r)=rR/[R(R+r)]=rR/[R2+rR]，所以U=ε-[ε*rR/(R2+rR)]。最后得到路端電壓表達(dá)式：U=ε-Ir。式中：*ε是電源電動(dòng)勢(shì)，*I是電路中的電流強(qiáng)度，*r是電源的內(nèi)阻，*Ir是電源內(nèi)阻上的電壓降（稱為內(nèi)電壓）。四、蓄電池電動(dòng)勢(shì)ε=6.0V，蓄電池內(nèi)阻r=3.0Ω。1.當(dāng)R=2.0Ω時(shí)：*總電阻R總=R+r=2.0Ω+3.0Ω=5.0Ω。*電路電流強(qiáng)度I=ε/R總=6.0V/5.0Ω=1.2A。*路端電壓U=IR=1.2A*2.0Ω=2.4V。*（驗(yàn)算：U=ε-Ir=6.0V-1.2A*3.0Ω=6.0V-3.6V=2.4V。）2.當(dāng)R=6.0Ω時(shí)：*總電阻R總=R+r=6.0Ω+3.0Ω=9.0Ω。*電路電流強(qiáng)度I=ε/R總=6.0V/9.0Ω=2/3A≈0.67A。*路端電壓U=IR=(2/3A)*6.0Ω=4.0V。*（驗(yàn)算：U=ε-Ir=6.0V-(2/3A)*3.0Ω=6.0V-2.0V=4.0V。）3.當(dāng)R=9.0Ω時(shí)：*總電阻R總=R+r=9.0Ω+3.0Ω=12.0Ω。*電路電流強(qiáng)度I=ε/R總=6.0V/12.0Ω=0.5A。*路端電壓U=IR=0.5A*9.0Ω=4.5V。*（驗(yàn)算：U=ε-Ir=6.0V-0.5A*3.0Ω=6.0V-1.5V=4.5V。）五、分析含內(nèi)阻實(shí)際電源（ε,r）中，外電阻R變化時(shí)，電流I和路端電壓U的變化：*電流強(qiáng)度I：根據(jù)歐姆定律，I=ε/(R+r)。*當(dāng)R增大時(shí)，分母(R+r)增大，所以I減小。*當(dāng)R減小時(shí)，分母(R+r)減小，所以I增大。*當(dāng)R=0（短路）時(shí)，I=ε/r，此時(shí)電流強(qiáng)度達(dá)到最大值。*當(dāng)R→∞（斷路）時(shí)，I=ε/(∞+r)=0，此時(shí)電流強(qiáng)度為零。*路端電壓U：根據(jù)公式U=ε-Ir=ε-[ε*r/(R+r)]=ε*[1-r/(R+r)]。*當(dāng)R增大時(shí)，分母(R+r)增大，r/(R+r)減小，所以[1-r/(R+r)]增大，即U增大。*當(dāng)R減小時(shí)，分母(R+r)減小，r/(R+r)增大，所以[1-r/(R+r)]減小，即U減小。*當(dāng)R=0（短路）時(shí)，U=ε-Ir=ε-ε*r/r=0，此時(shí)路端電壓為零。*當(dāng)R→∞（斷路）時(shí)，U=ε-Ir=ε-ε*r/(∞+r)=ε-0=ε，此時(shí)路端電壓等于電動(dòng)勢(shì)。六、三個(gè)電動(dòng)勢(shì)均為ε、內(nèi)阻均為r的相同電池：1.串聯(lián)電池組：*總電動(dòng)勢(shì)E串=ε?+ε?+ε?=ε+ε+ε=3ε。*總內(nèi)阻r串=r?+r?+r?=r+r+r=3r。2.并聯(lián)電池組：*總電動(dòng)勢(shì)E并=ε。（并聯(lián)時(shí)，各電源正極連接在一起，負(fù)極連接在一起，外部電路接在任一正負(fù)極之間，總電動(dòng)勢(shì)等于任一單個(gè)電池的電動(dòng)勢(shì)。）*總內(nèi)阻r并=r/3。（并聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于內(nèi)阻并聯(lián)，總內(nèi)阻為單個(gè)內(nèi)阻的倒數(shù)之和的倒數(shù)：1/r串=1/r+1/r+1/r=3/r，所以r串=r/3。）七、測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)時(shí)，電壓表內(nèi)阻必須非常大，因?yàn)殡妷罕硎遣⒙?lián)在被測(cè)電路兩端的。如果電壓表內(nèi)阻不夠大，它會(huì)從電源中分流，形成一個(gè)與被測(cè)電阻并聯(lián)的外電路。這個(gè)外電路的總電阻小于被測(cè)電阻（特別是當(dāng)被測(cè)電阻本身較大時(shí)），導(dǎo)致實(shí)際流過電源的總電流增大。根據(jù)閉合電路歐姆定律U=ε-Ir，總電流I增大，電源內(nèi)電壓降Ir也增大，因此電壓表測(cè)得的電壓值U=ε-Ir將小于電源的實(shí)際電動(dòng)勢(shì)ε。電壓表內(nèi)阻越大，分流電流越小，測(cè)得的電壓值就越接近電源的實(shí)際電動(dòng)勢(shì)。測(cè)量電源短路電流時(shí)，電流表內(nèi)阻必須非常小，因?yàn)殡娏鞅硎谴?lián)在被測(cè)電路中的。如果電流表內(nèi)阻不夠小，它將分壓，使