高中物理第4章探究闭合电路欧姆定律4_1探究闭合电路欧姆定律学案沪科版选修3-12 5页

4.1 探究闭合电路欧姆定律 学习目标 重点难点 1．知道外电路、内电路，记住电动势等 于内外电路电势降落之和。 2．掌握电动势的概念及表达式。了解电 池内部能量的转化过程和生活中的电 池。 3．理解闭合电路的欧姆定律的内容，掌 握其表达式。 4．会分析动态电路问题。 重点：电动势的概念，闭合电路欧姆定律 的理解和应用。 难点：电动势的概念，动态电路的分析。 1．测量闭合电路的路端电压和内电压 (1)部分电路、全电路 通常，我们把不涉及电源的电路叫做部分电路，把含有电源的闭合电路叫做全电路。 (2)路端电压：外电路两端(电源两极间)的电压叫做路端电压。可以用多用电表的电压 挡直接测量，实验表明，无负载电的测量值大于有负载时的测量值。 (3)内电压：电源内电阻上的电压称为内电压。 2．电动势 (1)定义：在电源内部非静电力移送电荷所做的功跟被移送电荷量的比值，叫做电源的 电动势。 (2)公式：E＝W 非 q 。 (3)单位：国际单位制中，伏特，符号 V。同电压的单位。 (4)标量：只有大小的物理量，但电源有正负极。 (5)物理意义：电源电动势是描述电源将其他形式的能转换为电能本领大小的物理量。 它是电源的特征量，跟电源的体积和外电路无关。 预习交流 1 电动势和电压的单位相同，二者又有何区别？ 答案：电动势与电压是两个截然不同的物理量，不能混淆。电动势是相对电源而言的， 它描述移动单位电荷时非静电力做功的多少，即移送 1 C 电荷时其他形式的能转化为电能的 多少。电压是对某一段电路而言的，它描述在这段电路中移送单位电荷时电场力做功的多少， 即移送 1 C 电荷时电能转化为其他形式能的多少。 3．闭合电路欧姆定律 (1)在闭合电路中，电源电动势等于闭合电路内、外电压之和，公式：E＝U 外＋U 内。 (2)闭合电路欧姆定律：流过闭合电路的电流跟电路中电源的电动势成正比，跟电路中 的内、外电阻之和成反比。公式：I＝ E r＋R 。 预习交流 2 物理学中将电源两极间电压始终不变的电源称为恒压源，从闭合电路欧姆定律的变形式 (E＝U 外＋U 内＝IR＋Ir)分析，什么样的电源可看成恒压电源？ 答案：电源的内电阻 r 远小于外电阻 R 时，其路端电压等于电源电动势，这种电源即可 看成恒定电流。 一、电动势 (1)在物理学上，该如何描述电源的非静电力做功本领的？ (2)电动势 E 的单位与电势、电势差的单位相同，电动势和电势差的物理意义有何不同 呢？ 答案：(1)任何两个电源都有两个电极，其中电势高的叫正极，电势低的叫负极。在电 源内部，必须把正电荷从负极移送到正极，这显然不可能是电场力的作用所能实现的。在各 种电源内部，存在着某种跟静电力本质不同的作用驱使电荷运动，不同的电源产生这种作用 的原因不同，物理学中将这些作用称作非静电力。在电源内部，非静电力将正电荷从负极移 送到正极的过程中，要克服电场力做功，就要不断消耗电源本身的能量。对于同一电源来说， 非静电力把一定电荷量的正电荷从负极移送到正极所做的功是一定的；但对不同种的电压来 说，把同样多的正电荷从负极移送到正极所做的功一般是不同的。在移送相等电荷量的情况 下，非静电力做功越多，电源把其他形式的能转化为电能的本领越大，电动势就是描述电源 这种本领的物理量。 (2)电动势是表征电源把其他形式的能转化为电能本领的物理量。它由电源中非静电力 的特性决定，跟电源的体积和外电路无关。电动势在数值上等于非静电力在电源内部将 1 C 的正电荷由负极移送到正极所做的功。 电势差是反映电场的能的性质的物理量，它的大小只与电场本身有关，与移动电荷的电 性、电荷量无关。电势差在数值上等于在电场中移动 1 C 的电荷静电力所做的功。 可见，电源的电动势与电势差虽然单位都是伏特，但其物理意义不同，电动势对应着非 静电力做功，电势差对应着静电力做功。 关于电动势 E 的说法中正确的是( )。 A．电动势 E 的大小，与非静电力所做的功 W 的大小成正比，与移送电荷量 q 的大小成 反比 B．电动势 E 是由电源本身决定的，跟电源的体积和外电路均无关 C．电动势 E 是表征电源把其他形式的能转化为电能本领的物理量 D．电动势 E 的单位与电势差的单位相同，故两者在本质上相同 答案：BC 解析：电动势是一个用比值定义的物理量，这个物理量是与这两个相比的项没有关系， 它是由电源本身决定的，是表征其他形式的能转化为电能本领的物理量。电动势和电压尽管 单位相同，但本质上是不相同的，故选 B、C。 (1)电动势是用比值定义的物理量，由电源中非静电力的特性决定，是 电源的属性，与移送的电荷量 q 和所做的功 W 无关，跟电源的体积、外电路也无关。 (2)电动势是电源的专有名词，而电压、电势差等指外电路。 (3)电动势的定义有以下几种说法：电动势等于电源没有接入电路时两极间的电压；电 动势等于断路时的路端电压；电动势等于内、外电压之和等。 (4)电动势越大，表明每移动 1C 电荷，电源可把更多的其他形式的能量转化为电能，而 不表明电源容量大。 二、闭合电路欧姆定律 (1)在闭合电路中，内、外电压间有什么关系？ (2)外电路两端的电压，通常叫路端电压。电源加在负载(用电器)上的“有效”电压通 常就是路端电压，路端电压随外电阻如何变化？路端电压随电流又有怎样的变化规律？ (3)根据 U＝E－Ir 并结合数学知识，能否作出 U-I 图像？能否根据 U-I 图像求出电源的 电动势和内阻？ 答案：(1)E＝U 外＋U 内 (2)路端电压就是电源的输出电压，有内阻的电源的路端电压随外电阻的变化而变化， 只有无内阻的电源输出电压才是恒定的，不随外电阻的变化而变化。 ①路端电压：通常指电源向某一电路供电，电流流进和流出的两端点之间的电压，或外 电路两端的电压。 路端电压的表达式有： U＝E－Ir，U＝IR，U＝ ER R＋r ＝ E 1＋r R 。 ②当外电路断路时，R→∞，路端电压等于电源的电动势。 当外电路短路时，R＝0，路端电压等于零，电路中的电流叫做短路电流，I 短＝E r 。 (3)路端电压与电路中的电流是线性关系。对纯电阻电路有：U＝E－Ir，对给定的电源， 电动势和内电阻为定值，所以路端电压与电流是线性关系，图像表达：U 轴上的截距是电源 电动势，I 轴截距等于短路电流，直线的斜率绝对值等于内电阻。该图像也称为电源的伏安 特性图像，如图所示。 在如图所示电路中，当变阻器 R3 的滑片 P 向 b 端移动时( )。 A．电压表示数变大，电流表示数变小 B．电压表示数变小，电流表示数变大 C．电压表示数变大，电流表示数变大 D．电压表示数变小，电流表示数变小 答案：B 解析：当 R3 的滑片 P 向 b 端移动时，R 外↓→I↑→U 外＝(E－Ir)↓，故电压表示数减小， R1 两端的电压 U1＝IR1↑，R2 两端的电压 U2＝(U 外－U1)↓，通过 R2 的电流 I2＝U2 R2 ↓，通过 R3 的电流 I3＝(I－I2)↑，故电流表示数增大，故 B 正确。 解动态分析题，一定要按程序来，即由 R 的变化→总电流变化→U 外变化 →各部分电压、电流的变化，切忌认为总电流变大，各支路电流都变大，路端电压减小，各 部分电压都减小，对定值电阻要按部分电路欧姆定律分析，对可变电阻由整体与部分的关系 分析，牢记 E、r 不变。 1．关于电动势下列说法正确的是( )。 A．电源电动势等于电源正负极之间的电势差 B．用电压表直接测量电源两极得到的电压数值，实际上总略小于电源电动势的准确值 C．电源电动势总等于内、外电路上的电压之和，所以它的数值与外电路的组成有关 D．电源电动势总等于电路中通过 1 C 的正电荷时，电源提供的能量 答案：BD 解析：电源电动势在数值上等于非静电力把 1 C 正电荷从负极移送到正极所做的功，等 于电源提供的能量，它与外电路的组成无关，只由电源本身的性质决定。并且电源电动势和 电势差不是一个概念，电源电动势在数值上等于外电路电压与内电路电压之和。用电压表直 接测电源两极的电压时，由于内电路要分一部分电压，电压表测得的只是外电压，所以总要 略小于电动势的准确值。 2．以下说法中正确的是( )。 A．在外电路中和电源内部，正电荷都受到静电力的作用，所以能不断定向移动形成电 流 B．静电力与非静电力都可以使电荷移动，所以本质上都是使电荷的电势能减少 C．在电源内部正电荷能从负极到正极是因为电源内部只存在非静电力而不存在静电力 D．静电力移动电荷做功，电势能减少，非静电力移动电荷做功，电势能增加 答案：D 解析：电源内部非静电力做功使电荷的电势能增加，引出了电动势的概念，来描述非静 电力的做功本领。而静电力移动电荷做正功的过程使电势能减少。D 项对。 3．若用 E 表示电动势，U 表示外电压，U′表示内电压，R 表示外电路总电阻，r 表示 电源内电阻，I 表示电流，则下列各式中正确的是( )。 A．U′＝IR B．U′＝E－U C．U＝I(R＋r) D．U＝ R R＋r E 答案：BD 4. 如图所示，a、b、c 三盏灯都能发光，且在电路变化时，灯不被烧坏，试判断：当 滑动变阻器的触头 P 向上移动时，三盏灯的亮度变化情况是( )。 A．c 变亮，a、b 变暗 B．a、b 变亮，c 变暗 C．a、c 变亮，b 变暗 D．a 变亮，c、b 变暗 答案：A 解析：滑动触头向上移动，总电阻变大，得出总电流减小，即通过 a 的电流减小，变暗； 由总电流减小得出，并联部分的电压增大，c 两端电压变大，变亮；通过 c 的电流也变大， 推出通过 b 的电流减小，变暗。 5. 如图中电阻 R1＝14 Ω，R2＝9 Ω，合上开关 S1 时，电压表示数为 2.8 V，当 S1、S2 都合上时，电压表示数为 2.5 V。求电源电动势和内阻。 答案：3 V 1 Ω 解析：根据闭合电路欧姆定律来求电动势和内阻，一个方程中有两个未知的量，而题中 给了两种情况下电压表的两次示数，因此可以列出两个方程： E＝U1＋U1r/R1 E＝U2＋U2r/R12 (其中 R12 是电阻 R1、R2 并联后的总电阻) 解得：E＝3 V，r＝1 Ω。