物理一轮教案闭合电路欧姆定律 9页

‎ ‎ ‎2011届高三物理一轮教案闭合电路欧姆定律 教学目标：‎ ‎1．掌握闭合电路欧姆定律，并能应用其解决有关问题；‎ ‎2．掌握路端电压和外电路电阻的关系，掌握讨论电路结构变化题的一般方法 ‎3．掌握闭合电路的U-I图象 教学重点：闭合电路欧姆定律及其应用 教学难点：闭合电路欧姆定律的应用 教学方法：讲练结合，计算机辅助教学 教学过程：‎ 一、闭合电路欧姆定律 ‎1.主要物理量。‎ 研究闭合电路，主要物理量有E、r、R、I、U，前两个是常量，后三个是变量。‎ ‎+ －‎ ‎－ + ‎ R E r I R V1‎ V2‎ ‎+‎ ‎－‎ 探针 闭合电路欧姆定律的表达形式有：‎ ‎①E=U外+U内 ‎② （I、R间关系）‎ ‎③U=E-Ir（U、I间关系）‎ ‎④（U、R间关系）‎ o R P出 Pm r 从③式看出：当外电路断开时（I = 0），路端电压等于电动势。而这时用电压表去测量时，读数却应该略小于电动势（有微弱电流）。当外电路短路时（R = 0，因而U = 0）电流最大为Im=E/r（一般不允许出现这种情况，会把电源烧坏）。‎ ‎2.电源的功率和效率。‎ ‎⑴功率：①电源的功率（电源的总功率）PE=EI ②电源的输出功率P出=UI ‎ ③电源内部消耗的功率Pr=I 2r ‎⑵电源的效率：（最后一个等号只适用于纯电阻电路）‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 电源的输出功率，可见电源输出功率随外电阻变化的图线如图所示，而当内外电阻相等时，电源的输出功率最大，为。‎ ‎【例1】E r R2‎ R1‎ 已知如图，E =6V，r =4Ω，R1=2Ω，R2的变化范围是0~10Ω。求：①电源的最大输出功率；②R1上消耗的最大功率；③R2上消耗的最大功率。‎ 解：①R2=2Ω时，外电阻等于内电阻，电源输出功率最大为2.25W；②R1是定植电阻，电流越大功率越大，所以R2=0时R1上消耗的功率最大为2W；③把R1也看成电源的一部分，等效电源的内阻为6Ω，所以，当R2=6Ω时，R2上消耗的功率最大为1.5W。‎ R1‎ R2‎ R3‎ R4‎ E r ‎3.变化电路的讨论。‎ 闭合电路中只要有一只电阻的阻值发生变化，就会影响整个电路，使总电路和每一部分的电流、电压都发生变化。讨论依据是：闭合电路欧姆定律、部分电路欧姆定律、串联电路的电压关系、并联电路的电流关系。以右图电路为例：设R1增大，总电阻一定增大；由，I一定减小；由U=E-Ir，U一定增大；因此U4、I4一定增大；由I3= I-I4，I3、U3一定减小；由U2=U-U3，U2、I2一定增大；由I1=I3 -I2，I1一定减小。总结规律如下：‎ ‎①总电路上R增大时总电流I减小，路端电压U增大；②变化电阻本身和总电路变化规律相同；③和变化电阻有串联关系（通过变化电阻的电流也通过该电阻）的看电流（即总电流减小时，该电阻的电流、电压都减小）；④和变化电阻有并联关系的（通过变化电阻的电流不通过该电阻）看电压（即路端电压增大时，该电阻的电流、电压都增大）。‎ ‎2‎ A R1‎ R2‎ ‎1‎ S ‎【例2】 如图，电源的内阻不可忽略．已知定值电阻R1=10Ω，R2=8Ω．当电键S接位置1时，电流表的示数为0.20A．那么当电键S接位置2时，电流表的示数可能是下列的哪些值 A.0.28A B.0.25A C.0.22A D.0.19A 解：电键接2后，电路的总电阻减小，总电流一定增大，所以不可能是0.19A．电源的路端电压一定减小，原来路端电压为2V，所以电键接2后路端电压低于2V，因此电流一定小于0.25A．所以只能选C。‎ ‎【例3】 如图所示，电源电动势为E，内电阻为r．当滑动变阻器的触片P从右端滑到左端时，发现电压表V1、V2示数变化的绝对值分别为ΔU1和ΔU2，下列说法中正确的是 ‎ V2‎ V1‎ L1‎ L2‎ L3‎ P A.小灯泡L1、L3变暗，L2变亮 B.小灯泡L3变暗，L1、L2变亮 - 9 -‎ ‎ ‎ C.ΔU1<ΔU2‎ D.ΔU1>ΔU2‎ 解：滑动变阻器的触片P从右端滑到左端，总电阻减小，总电流增大，路端电压减小。与电阻蝉联串联的灯泡L1、L2电流增大，变亮，与电阻并联的灯泡L3电压降低，变暗。U1减小，U2增大，而路端电压U= U1+ U2减小，所以U1的变化量大于 U2的变化量，选BD。‎ ‎4．电动势与路端电压的比较：‎ U/V I/A o ‎20‎ ‎15‎ ‎10‎ ‎5‎ a b ‎　　‎ ‎5.闭合电路的U-I图象。‎ 右图中a为电源的U-I图象；b为外电阻的U-I图象；两者的交点坐标表示该电阻接入电路时电路的总电流和路端电压；该点和原点之间的矩形的面积表示输出功率；a的斜率的绝对值表示内阻大小； b的斜率的绝对值表示外电阻的大小；当两个斜率相等时（即内、外电阻相等时图中矩形面积最大，即输出功率最大（可以看出当时路端电压是电动势的一半，电流是最大电流的一半）。‎ U o I E U0 M（I0,U0）‎ β α b a N I0 Im ‎【例4】 如图所示，图线a是某一蓄电池组的伏安特性曲线，图线b是一只某种型号的定值电阻的伏安特性曲线．若已知该蓄电池组的内阻为2.0Ω，则这只定值电阻的阻值为______Ω。现有4只这种规格的定值电阻，可任意选取其中的若干只进行组合，作为该蓄电池组的外电路，则所组成的这些外电路中，输出功率最大时是_______W。‎ 解：由图象可知蓄电池的电动势为20V，由斜率关系知外电阻阻值为6Ω。用3只这种电阻并联作为外电阻，外电阻等于2Ω，因此输出功率最大为50W。‎ ‎6.滑动变阻器的两种特殊接法。‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 在电路图中，滑动变阻器有两种接法要特别引起重视：‎ a b P E r A1 A A2‎ ‎⑴右图电路中，当滑动变阻器的滑动触头P从a端滑向b端的过程中，到达中点位置时外电阻最大，总电流最小。所以电流表A的示数先减小后增大；可以证明：A1的示数一直减小，而A2的示数一直增大。‎ RX a b U P I IX I /‎ r ‎⑵右图电路中，设路端电压U不变。当滑动变阻器的滑动触头P从a端滑向b端的过程中，总电阻逐渐减小；总电流I逐渐增大；RX两端的电压逐渐增大，电流IX也逐渐增大（这是实验中常用的分压电路的原理）；滑动变阻器r左半部的电流I / 先减小后增大。‎ R1‎ R2‎ R P a b L ‎【例5】 如图所示，电路中ab是一段长10 cm，电阻为100Ω的均匀电阻丝。两只定值电阻的阻值分别为R1=80Ω和R2=20Ω。当滑动触头P从a端缓慢向b端移动的全过程中灯泡始终发光。则当移动距离为____cm时灯泡最亮，移动距离为_____cm时灯泡最暗。‎ 解：当P移到右端时，外电路总电阻最小，灯最亮，这时aP长10cm。当aP间电阻为20Ω时，外电路总电阻最大，灯最暗，这时aP长2cm。‎ ‎7.黑盒问题。‎ 如果黑盒内只有电阻，分析时，从阻值最小的两点间开始。‎ ‎【例6】 如图所示，黑盒有四个接线柱，内有4只阻值均为6Ω的电阻，每只电阻都直接与接线柱相连。测得Rab=6Ω，Rac=Rad=10Ω。Rbc=Rbd=Rcd=4Ω，试画出黑盒内的电路。‎ a c b d a c b d 解：由于最小电阻是Rbc=Rbd=Rcd=4Ω，只有2只6Ω串联后再与1只6Ω并联才能出现4Ω，因此bc、cd 、db间应各接1只电阻。再于ab间接1只电阻，结论正合适。‎ 二、电路故障问题的分类解析 ‎1.常见的故障现象 断路：是指电路两点间（或用电器两端）的电阻无穷大，此时无电流通过，若电源正常时，即用电压表两端并联在这段电路（或用电器）上，指针发生偏转，则该段电路断路，如电路中只有该一处断路，整个电路的电势差全部降落在该处，其它各处均无电压降落（即电压表不偏转）。‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 短路:是指电路两点间（或用电器两端）的电阻趋于零，此时电路两点间无电压降落，用电器实际功率为零（即用电器不工作或灯不亮，但电源易被烧坏） ‎2.检查电路故障的常用方法 电压表检查法：当电路中接有电源时，可以用电压表测量各部分电路上的电压，通过对测量电压值的分析，就可以确定故障。在用电压表检查时，一定要注意电压表的极性正确和量程符合要求。‎ 电流表检查法：当电路中接有电源时，可以用电流表测量各部分电路上的电流，通过对测量电流值的分析，就可以确定故障。在用电流表检查时，一定要注意电流表的极性正确和量程符合要求。‎ 欧姆表检查法：当电路中断开电源后，可以利用欧姆表测量各部分电路的电阻，通过对测量电阻值的分析，就可以确定故障。在用欧姆表检查时，一定要注意切断电源。‎ 试电笔检查法：对于家庭用电线路，当出现故障时，可以利用试电笔进行检查。在用试电笔检查电路时，一定要用手接触试电笔的上金属体。‎ R1‎ R2‎ ‎10Ω ‎5Ω ‎6VF a b c ‎3.常见故障电路问题的分类解析 ‎（1）给定可能故障现象，确定检查方法：‎ ‎【例7】在如图所示电路的三根导线中，有一根是断的，电源、电阻器R1、R2及另外两根导线都是好的，为了查出断导线，某学生想先将万用表的红表笔连接在电源的正极a，再将黑表笔分别连电阻器R1的b端和R2的c端，并观察万用表指针的示数，在下列选档中，符合操作规程的是：‎ A．直流10V挡； B．直流0.5A挡；‎ C．直流2.5V挡； D．欧姆挡。‎ 解析：根据题给条件，首先判定不能选用欧姆挡，因为使用欧姆挡时，被测元件必须与外电路断开。‎ 先考虑电压挡，将黑表笔接在b端，如果指针偏转，说明R1与电源连接的导线断了，此时所测的数据应是电源的电动势6V。基于这一点，C不能选，否则会烧毁万用表；如果指针不偏转，说明R1与电源连接的导线是好的，而R1与R2之间导线和R2与电源间导线其中之一是坏的，再把黑表笔接c点，如果指针偏转，说明R1与R2之间导线是断的，否则说明R2与电源间导线是断的，A项正确。‎ 再考虑电流表，如果黑表笔接在b端，指针偏转有示数则说明R1与电源连接的导线是断的，此时指示数I=E/（R1+R2）=0.4A,没有超过量程；如果指针不偏转，说明R1与电源间连接的导线是好的，而R1与R2之间导线和R2与电源间导线其中之一是坏的，再把黑表笔接c点，如果指针偏转，说明R1与R2之间导线是断的，此时示数I=E/R2=1.2A,超过电流表量程，故B不能选。‎ - 9 -‎ ‎ ‎ ‎（2）给定测量值，分析推断故障 ‎【例8】如图一电路板的示意图，a、b、c、d为接线柱，a、b与220V的交流电源连接，ab间、bc间、cd间分别连接一个电阻。现发现电路中没有电流，为检查电路故障，用一交流电压表分别测得b、d两点间以及a、c两点间的电压均为220V。由此可知：‎ ‎（A）ab间电路通，cd间电路不通 ‎（B）ab间电路不通，bc间电路通 ‎（C）ab间电路通，bc间电路不通 ‎（D）bc间电路不通，cd间电路通 解析：由于用交流电压表测得b、d两点间为220V，这说明ab间电路是通的，bc间电路不通或cd间电路不通；由于用交流电压表测得a、c两点间为220V，这说明cd间电路是通的，ab间电路不通或bc间电路不通；综合分析可知bc间电路不通，ab间电路通和cd间电路通，即选项C、D正确。‎ ‎【例9】某同学按如图所示电路进行实验，实验时该同学将变阻器的触片P移到不同位置时测得各电表的示数如下表所示：‎ 序号 A1示数（A）‎ A2示数（A）‎ V1示数（V）‎ V2示数（V）‎ ‎1‎ ‎0.60‎ ‎0.30‎ ‎2.40‎ ‎1.20‎ ‎2‎ ‎0.44‎ ‎0.32‎ ‎2.56‎ ‎0.48‎ 将电压表内阻看作无限大，电流表内阻看作零。‎ ‎①电路中E，分别为电源的电动势和内阻，，，为定值电阻，在这五个物理量中，可根据上表中的数据求得的物理量是（不要求具体计算） 。‎ ‎②由于电路发生故障，发现两电压表示数相同了（但不为零），若这种情况的发生是由用电器引起的，则可能的故障原因是 。‎ 解析：①先将电路简化，R1与r看成一个等效内阻r，=R1+r,则由V1和A1的两组数据可求得电源的电动势E；由A2和V1的数据可求出电阻R3；由V2和A1、A2的数据可求出R2。‎ ‎②当发现两电压表的示数相同时，但又不为零，说明V2的示数也是路端电压，即外电路的电压全降在电阻R2上，由此可推断Rp两端电压为零，这样故障的原因可能有两个，若假设R2是完好的，则Rp一定短路；若假设RP是完好的，则R2一定断路。‎ ‎（3）根据观察现象，分析推断故障 ‎【例10】如图所示的电路中，闭合电键，灯L1、L2正常发光，由于电路出现故障，突然发现灯L1变亮，灯L2‎ - 9 -‎ ‎ ‎ 变暗，电流表的读数变小，根据分析，发生的故障可能是：‎ A R1‎ L1‎ L2‎ R2‎ R3‎ R4‎ ‎（A）R1断路 （B）R2断路 ‎（C）R3短路 （D）R4短路 解析：首先应对电路进行标准化，如图所示为其标准化后的电路。当R1断路时，总电阻增大，所以通过电源的总电流减小，灯L2变暗，电流表的读数变小，而路端电压增大，所以L1两端电压增大，灯L1变亮，所以A选项正确。‎ 当R2断路时，总电阻增大，所以通过电源的总电流减小，灯L1变暗，而路端电压增大，所以L2两端电压增大，灯L2变亮，所以B选项不正确。‎ 当R3短路时，总电阻减小，所以通过电源的总电流增大，灯L1变亮，而路端电压减小，所以L2两端电压减小，灯L2变暗，因为总电流增加，而通过L2的电流减小，电流表的读数变大，所以C选项不正确。‎ 当R4短路时，总电阻减小，所以通过电源的总电流增大，灯L1变亮，而路端电压减小，所以L2两端电压减小，灯L2变暗，因为总电流增加，而通过L2的电流减小，电流表的读数变大，所以D选项不正确。‎ ‎【例11】某居民家中的电路如图6所示，开始时各部分工作正常，将电饭煲的插头插入三孔插座后，正在烧水的电热壶突然不能工作，但电灯仍正常发光．拔出电饭煲的插头，把试电笔分别插入插座的左、右插孔，氖管均能发光，则： ‎ A．仅电热壶所在的C、D两点间发生了断路故障 B．仅电热壶所在的C、D两点间发生了短路故障 C．仅导线AB间断路 D．因为插座用导线接地，所以发生了上述故障 解析：由于电灯仍正常发光，说明电源是好的，电热壶所在的C、D两点间没有发生短路故障。把试电笔分别插入插座的左、右插孔，氖管均能发光，说明插座的左、右插孔都与火线相通，说明电热壶所在的C、D两点间没有发生断路故障。综合分析可知，故障为导线AB间断路，即C选项正确。‎ ‎（4）根据故障，分析推断可能观察到的现象 A B R3‎ R2‎ R1‎ U ‎【例12】如图所示，灯泡A和B都正常发光，R2忽然断路,已知U不变，试分析A、B两灯的亮度如何变化？‎ 解析：当R2忽然断路时，电路的总电阻变大，A灯两端的电压增大，B灯两端的电压降低，所以将看到灯B - 9 -‎ ‎ ‎ 比原来变暗了些，而灯泡A比原来亮了些。‎ 三、综合例析 ‎【例13】如图所示的电路中，定值电阻R=3 Ω，当开关S断开时，电源内、外电路消耗的功率之比为1∶3；当开关S闭合时，内、外电路消耗的功率之比为1∶1.求开关S闭合前和闭合后，灯泡L上消耗的功率之比（不计灯泡电阻的变化）.‎ 解：设电源电动势为E，内阻为r.开关S断开时，‎ 所以RL=3r UL=E 所以PL= ‎ 开关S闭合时， R并=r， U并=E 所以UL′=E 所以PL′=‎ 故得 ‎（或先求出r=2Ω，RL=6Ω，再求灯泡功率）‎ ‎【例14】在如图所示的电路中，R1=2 Ω，R2=R3=4 Ω，当电键K接a时，R2上消耗的电功率为4 W，当电键K接b时，电压表示数为4.5 V，试求：‎ ‎（1）电键K接a时，通过电源的电流和电源两端的电压；‎ ‎（2）电源的电动势和内电阻；‎ ‎（3）当电键K接c时，通过R2的电流.‎ 解:（1）K接a时，R1被短路，外电阻为R2，根据电功率公式可得通过电源电流 A - 9 -‎ ‎ ‎ 电源两端电压V ‎（2）K接a时，有E=U1+I1r=4+r K接b时，R1和R2串联, R′外=R1+R2=6Ω 通过电源电流I2＝A 这时有：E=U2+I2r=4.5+0.75 r 解①②式得：E=6 V r＝2 Ω ‎ ‎（3）当K接c时，R总=R1+r+R23=6 Ω 总电流I3＝E/R总=1 A 通过R2电流I＇＝I3=0.5 A ‎【例15】在如图所示的电路中，电源的电动势E=3.0 V，内阻r=1.0 Ω；电阻R1=10 Ω，R2=10 Ω，R3=30 Ω，R4=35 Ω；电容器的电容C=100 μF.电容器原来不带电.求接通电键K后流过R4的总电量.‎ 解：由电阻的串并联公式,得闭合电路的总电阻为R=+r ‎ 由欧姆定律得,通过电源的电流 I=‎ 电源的端电压U=E-Ir 电阻R3两端的电压U′= ‎ 通过R4的总电量就是电容器的电量 Q=CU′‎ 由以上各式并带入数据解得 Q=2.0×10-4 C - 9 -‎