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- 2021-05-26 发布
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一、闭合电路欧姆定律
1.闭合电路组成
(1)外电路:电源外部由用电器和导线组成的电路,在外电路中,沿电流方向电势降低。
(2)内电路:电源内部的电路,在内电路中,沿电流方向电势升高。
2.闭合电路中的能量转化
如图所示,电路中电流为I,在时间t内,非静电力做功等于内外电路中电能转化为其他形式的能的总和,即EIt=I2Rt+I2rt。
3.闭合电路欧姆定律
(1)内容:闭合电路中的电流与电源电动势成正比,与内、外电路中的电阻之和成反比。
(2)表达式:I=公式中,R表示外电路的总电阻,E表示电源的电动势,r是电源内阻。
(3)适用范围:纯电阻电路。
4.闭合电路的欧姆定律的表达形式
表达式
物理意义
适用条件
I=
电流与电源电动势成正比,与电路总电阻成反比
纯电阻电路
E=I(R+r)①
E=U外+Ir ②
E=U外+U内 ③
电源电动势在数值上等于电路中内、外电压之和
①式适用于纯电阻电路;②③式普遍适用
EIt=I2Rt+I2rt ④
W=W外+W内 ⑤
电源提供的总能量等于内、外电路中电能转化为其他形式的能的总和
④式适用于纯电阻电路,⑤式普遍适用
【题1】如图,电灯L标有“4V、1W”,滑动变阻器R总电阻为50Ω,当滑片P滑至某位置时,L恰好正常发光,此时电流表示数为0.45A,由于外电路发生故障,电灯L突然熄灭,此时电流表示数变为0.5A,电压表示数变为10V,若导线完好,电路中各处接触良好,试问:
(1)发生故障是短路还是断路?发生在何处;
(2)发生故障前,滑动变阻器接入电路的阻值为多少;
(3)电源电动势和内电阻分别为多大?
【答案】(1)断路 灯L(2)20Ω(3)12.5V 5Ω
(2)L断路后,外电路只有R2,因无电流流过R,故电压表示数即为路端电压为:U2=U端=10V,R2==Ω=20Ω
L未断路时恰好正常发光:UL=4V,IL==0.25A
U端′=U2′=I2′·R2=0.45×20V=9VR===20Ω
(3)根据闭合电路欧姆定律:E=U+Ir
故障前:E=9+(0. 45+0.25)r,
故障后:E=10+0.5r,
解得:r=5Ω,E=12.5V。
【题6】如图所示,已知电源电动势E=5 V,内阻r=2 Ω,定值电阻R1=0.5 Ω,滑动变阻器R2的阻值范围为0~10 Ω。求:
(1)当滑动变阻器R2的阻值为多大时,电阻R1消耗的功率最大?最大功率是多少?
(2)当滑动变阻器的阻值为多大时,滑动变阻器消耗的功率最大?最大功率是多少?
(3)当滑动变阻器的阻值为多大时,电源的输出功率最大?最大功率是多少?
【答案】(1)R2=0时,R1消耗的功率最大,为2 W
(2)R2=2.5 Ω时,滑动变阻器消耗的功率最大,为2.5 W
(3)R2=1.5 Ω时,电源的输出功率最大,为3.125 W
【题7】(多选)如图甲所示,电源电动势E=6 V,闭合开关,将滑动变阻器的滑片P从A端滑至B端的过程中,得到电路中的一些物理量的变化如图乙、丙、丁所示。其中图乙为输出功率与路端电压的关系曲线,图丙为路端电压与总电流的关系曲线,图丁为电源效率与外电路电阻的关系曲线,不考虑电表、导线对电路的影响。则下列关于图中a、b、c、d点的坐标值正确的是
A.a(4 V,4.5 W) B.b(4.8 V,2.88 W)
C.c(0.6 A,4.5 V) D.d(8 Ω,80%)
【答案】BD
【解析】由题图丙可知短路电流为I短=3 A,由I短=得r== Ω=2 Ω,电源的效率最大时,滑动变阻器接入电路的电阻最大,由题图丁可知电源的最大效率为η=80%,由η==,解得R=8 Ω,滑动变阻器的滑片P在最右端B时,分别对应b、c、d三点。当输出功率达到最大时外电路电阻R1=r=2
Ω,此时路端电压为U1=3 V,故可得a点:U1=3 V,Pm== W=4.5 W,坐标为a(3 V,4.5 W);b点、c点:R=8 Ω,I== A=0.6 A,U2=E-Ir=(6-0.6×2) V=4.8 V, P2=U2I=4.8×0.6 W=2.88 W,所以b点的坐标为b(4.8 V,2.88 W),c点的坐标为c(0.6 A,4.8 V);d点的坐标为d(8 Ω,80%)。故选项B、D正确。
8.讨论、分析电阻消耗功率增大、减小的方法
(1)定值电阻:求解定值电阻消耗的最大功率时,根据P=I2R可知,只要电流最大即可。
(2)可变电阻:①求解可变电阻消耗的最大功率时,不能套用上述方法,因为电流随电阻的变化而变化,此时,可以利用电源的输出功率与外电阻的关系进行求解。
②有时需要用“等效电源法”,即
【题8】(多选)如图所示,电动势为E、内阻为r的电池与定值电阻R0、滑动变阻器R串联,已知R0=r,滑动变阻器的最大阻值为2r。当滑动变阻器的滑片P由a端向b端滑动时,下列说法中正确的是
A.电路中的电流变大
B.电源的输出功率先变大后变小
C.滑动变阻器消耗的功率变小
D.定值电阻R0上消耗的功率先变大后变小
【答案】AC
【题9】(多选)一辆电动观光车蓄电池的电动势为E,内阻不计,当空载的电动观光车以大小为v的速度匀速行驶时,流过电动机的电流为I,电动车的质量为m,电动车受到的阻力是车重的k倍,忽略电动观光车内部的摩擦,则
A.电动机的内阻为R=
B.电动机的内阻为R=-
C.电动车的工作效率η=
D.电动机的发热效率η=
【答案】BD
【题10】如图所示,已知电源电动势为6V,内阻为1Ω,保护电阻R0=0.5Ω,求:
(1)当电阻箱R读数为多少时,保护电阻R0消耗的电功率最大,并求这个最大值。
(2)题中条件不变,求当电阻箱R读数为多少时,电阻箱R消耗的功率PR最大,并求这个最大值。
(3)在题中,若电阻箱R的最大值为3Ω,R0=5Ω。求:当电阻箱R读数为多少时,电阻箱R的功率最大,并求这个最大值。
(4)题中条件不变,求电源的最大输出功率。
(5)如图所示,电源电动势E=2V,内阻r=1Ω,电阻R0=2Ω,可变电阻的阻值范围为0~10Ω。求可变电阻为多大时,R上消耗的功率最大,最大值为多少?
【答案】(1)0 8W (2)1.5Ω,6W (3)3Ω,W (4)9W (5)Ω,W
(2)这时要把保护电阻R0与电源内阻r算在一起,据以上结论,
当R=R0+r即R=(1+0.5)Ω=1.5Ω时,PRmax==W=6W。
(3)把R0=5Ω当作电源内阻的一部分,则等效电源内阻r等为6Ω,而电阻箱R的最大值为3Ω,小于6Ω,
P=()2R=,则不能满足R=r等,
当电阻箱R的电阻取3Ω时,R消耗功率最大,最大值为:P=()2R=W。
(4)由电功率公式P出=()2R外=,
当R外=r时,P出最大,即R=r-R0=0.5Ω时,P出max==W=9W。
(5)方法一:PR=,
根据闭合电路欧姆定律,路端电压U=E·=,
所以PR=,
代入数据整理得PR=,
当R=Ω时,R上消耗的功率最大,PRmax=W。