高中物理《闭合电路的欧姆定律》教案新人教版选修3-.pdf
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1、 四川省攀枝花市米易中学高中物理选修 3-1 教案:27 闭合电路的欧姆定律 考情直播 1、考纲要求 考纲内容 能力要求 考向定位 1 电源的电动势和内电阻 2闭合电路欧姆定律 1理解电源电动势和内电阻的概念。2掌握闭合电路欧姆定律,并能熟练运用。考纲对闭合电路欧姆定律及其应用作级要求 闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律的联系与区别是近年常考的知识点。2、考点整合:考点一 闭合电路欧姆定律 1内容:闭合电路的电流跟电源的 成正比,跟闭合电路的 成反比.2表达式:。3适用条件:。例 1如图 1813 所示,电流表读数为 0.75A,电压表读数为 2V,R3=4,若某一电阻发生断路,则两电表的读数
2、分别变为 0.8A 和 3.2V.(1)是哪个电阻发生断路?(2)电池的电动势和内电阻分别为多大?解析(1)假设 R1发生断路,那么电流表读数应变为零而不应该为 0.8A;假设 R3发生断路,那么电压表读数应变为零而不应该为 3.2V。所以,发生断路的是 R2。(2)R2断路前,R2与 R3串联、然后与 R1并联;R2断路后,电池只对 R1供电,于是有 22R4+2=0.75R1 3.2=0.8R1 由此即可解得 R1=4 R2=8再根据闭合电路的欧姆定律,得 rRRRRRE32132)(32132)(RRRRR=0.75 rRE1=0.8 可得出 E=4V,r=1 规律总结 首先画出等效电路
3、图,再根据电路的特点以及电路出现故障的现象进行分析,从而得出故障的种类和位置。一般的故障有两种:断路或局部短路。考点二 闭合电路的动态分析 1、总电流 I 和路端电压 U 随外电阻 R 的变化规律:当 R 增大时,I 变小,又据 U=E-Ir 知,U 变大.当 R 增大到时,I=0,U=E(断路).当 R 减小时,I 变大,又据 U=E-Ir 知,U 变小.当 R 减小到零时,I=E r,U=0(短路)2、所谓动态就是电路中某些元件(如滑动变阻器的阻值)的变化,会引起整个电路中各部分相关电学物理量的变化。解决这类问题必须根据欧姆定律及串、并联电路的性质进行分析,同时,还要掌握一定的思维方法,如
4、程序法,直观法,极端法,理想化法和特殊值法等等。3、基本思路是“部分整体部分”,从阻值变化的部分入手,由欧姆定律和串、并联电路特点判断整个电路的总电阻,干路电流和路端电压的变化情况,然后再深入到部分电路中,确定各部分电路中物理量的变化情况。例 2在如图所示的电路中,R1、R2、R3、R4皆为定值电阻,R5为可变电阻,电源的电动势为 E,内阻为 r,设电流表 A 的读数为 I,电压表 V 的读数为 U,当 R5 的滑动触头向 a 端移动时,判定正确的是()AI 变大,U 变小 BI 变大,U 变大 CI 变小,U 变大 DI 变小,U 变小 解析 当 R5向 a 端移动时,其电阻变小,整个外电路
5、的电阻也变小,总电阻也变小,根据闭合电路的欧姆定律EIRr知道,回路的总电流I变大,内电压U内=Ir变大,外电压U外=E-U内变小,所以电压表的读数变小,外电阻R1 及R4 两端的电压U=I(R1+R4)变大,R5两端的电压,即R2、R3 两端的电压为U=U外-U变小,通过电流表的电流大小为U(R2+R3)变小,答案:D 规律总结 在某一闭合电路中,如果只有一个电阻变化,这个电阻的变化会引起电路其它部分的电流、电压、电功率的变化,它们遵循的规则是:(1).凡与该可变电阻有并关系的用电器,通过它的电流、两端的电压、它所消耗的功率都是该可变电阻的阻值变化情况相同.阻值增大,它们也增大.(2).凡与
6、该可变电阻有串关系的用电器,通过它的电流、两端的电压、它所消耗的功率都是该可变电阻的阻值变化情况相同.阻值增大,它们也增大.所谓串、并关系是指:该电阻与可变电阻存在着串联形式或并联形式 用这个方法可以很简单地判定出各种变化特点.简单记为:并同串反 考点三 闭合电路的功率 1、电源的总功率:就是电源提供的总功率,即电源将其他形式的能转化为电能的功率,也叫电源消耗的功率 P 总=EI.2、电源输出功率:整个外电路上消耗的电功率.对于纯电阻电路,电源的输出功率.P 出=I 2 R=E(R+r)2 R,当 R=r 时,电源输出功率最大,其最大输出功率为 Pmax=E 2 4r 3、电源内耗功率:内电路
7、上消耗的电功率 P 内=U 内 I=I 2 r 4、电源的效率:指电源的输出功率与电源的功率之比,即=P 出 P总=IU IE=U E.5、电源输出功率和效率的讨论:电源的输出功率为 P出I2R22)(Rr RRrrRR4)(22rRrR4/)(22当 R=r时,P出有最大值即 Pm=r42=r42,P出与外电阻 R 的这种函数关系可用图(1)的图像定性地表示,由图像还可知,对应于电源的非最大输出功率 P 可以有两个不同的 外电阻 R1和 R2,由图像还可知,当Rr 时,若 R 增加,则 P出增大;当 Rr 时,若 R 增大,则 P出减小,值得注意的是,上面的结论都是在电源的电动势和内阻 r
8、不变的情况下适用,例如图(2)电路中3v,r=0.5,Ro=1.5,变阻器的最大阻值 R10,在 R?时,R 消耗的功率才最大,这种情况可以把 Ro归入内电阻,即当 Rr+Ro2 时,R 消耗功率最大,为Pm=R42=2432=89W;于是在求 R?时,Ro消耗的功率才最大,有同学又套用了上述 的方法,把 R 归为内阻,调节 R 内阻 R+rRo,这样套用是错误的。此时应该用另一种思考 方 法求解:因为 Ro是定值电阻,由 PI2Ro知,只要电流最大,P 就最大,所以当把 R 调到零时,Ro上有最大功率,Pm=202)(Rr Ro=22)5.15.0(31.5=827W,由上述分析可知,在研究
9、电阻上消耗的最大功率时,应注意区分“可变与定值”这两种情况,两种情况中求解的思路和方法是不相同的。电源的效率)(22rRIRIrRRRr11,所以当 R 增大时,效率提高,当 Rr,电源有 最大输出功率时,效率仅为 50%,效率并不高。例 3 已知如图,E=6V,r=4,R1=2,R2的变化范围是 010。求:电源的最大输出功率;R1上消耗的最大功率;R2上消耗的最大功率。解析 R2=2时,外电阻等于内电阻,电源输出功率最大为 2.25W;R1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;把R1也看成电源的一部分,等效电源的内阻为 6,所以,当R2=6时,R2上消
10、耗的功率最大为 1.5W。规律总结 注意R1上消耗的最大功率与R2上消耗的最大功率的条件是不同的。例 4 如图示的 U-I 图,其中 A 是路端电压随电流的变化规律,B 是某一电阻的伏安特性曲线,用该电源与该电阻组成闭合电路时,电源的输出功率是(),电源的效率是()解析 由图中 A 知:E=3V,r=0.5 由图中 B 知:R=1 电源的输出功率是2()4EPRWRr出 因为是纯电阻电路,电源的效率是:2267%()PI RRPIRrRr出总 规律总结 电路端电压随电流变化的特性图,以下几个特点必须记住:(1)线与 U 轴的交点就是电源的电动势(2)曲线与 I 轴的交点就是电源短路电流(3)曲
11、线的斜率大小是电源内电阻的大小(4)曲线上某一点坐标之积是输出功率,如左图中 OUIB 所围面积;而图中 ECIO 则是 该电流下电源的总功率.考点 4 含容电路的分析与计算 1、电容器的电量:Q=CU 2、在直流电路中,电容器对电流起到阻止作用,相当于断路.同时电容器又可被充电,电荷量的大小取决于电容和它两端对应的电路的电压.例题 5 如下图所示,U=10V,电阻 R1=3,R2=2,R3=5,电容器的电容 C1=4F,C2=1F,求:(1)若电路稳定后,C1、C2的带电量?(2)S 断开以后通过 R2的电量及 R2中电流的方向?解析:(1)电路稳定后,R1、R2是串联,R3上没有电流,C1
12、两端的电压等于 R2的电压,C2的电压等于 R1+R2的电压,即:U1=U R2212RURR=4V U 2=U=10V C1的电量 Q1=C1U1=1.610-5C C2的电量 Q2=C2U2=1.010-5C(2)S 断开后 C1要通过 R2、R3放电,C2要通过 R3、R2、R1放电,通过 R2的电量是:Q=Q1+Q2=2.610-5C,由电路分析知道,C1下极板带正电,C2右极板带正电,断开 S 后瞬间,其 R2上的放电电流方向为从右向左.高考重点热点题型探究 闭合电路欧姆定律的综合应用 例 1(2008 广东卷)7电动势为E、内阻为r的电源与定值电阻R1、R2及滑动变阻器R连接成如图
13、所示的电路,当滑动变阻器的触头由中点滑向 b 端时,下列说法正确的是 A电压表和电流表读数都增大 B电压表和电流表读数都减小 C电压表读数增大,电流表读数减小 D电压表读数减小,电流表读数增大【答案】A【解析】设滑动变阻器的触头上部分电阻为x,则电路的总电阻为212x RRrRxR总,滑动变阻器的触头由中点滑向 b 端时,并联支路电阻 x 增大,故路端电压变大,同时并联 部分的电压变大,故通过电流表的电流增大,故选项 A 正确。例 2(2004江苏)如图所示的电路中,电源电动势E6.00 V,其内阻可忽略不计.电阻的阻值分别为R12.4 k、R24.8 k,电容器的电容C4.7F.闭合开关 S
14、,待电流稳定后,用电压表测R1两端的电压,其稳定值为 1.50 V.(1)该电压表的内阻为多大?(2)由于电压表的接入,电容器的带电量变化了多少?解析(1)设电压表的内阻为RV,测得R1两端的电压为U1,R1与RV并联后的总电阻为R,则有 由串联电路的规律 联立,得 RV 代入数据,得RV4.8 k(2)电压表接入前,电容器上的电压UC等于电阻R2上的电压,R1两端的电压为 UR1,则 又EUCUR1 接入电压表后,电容器上的电压为UCEU1 由于电压表的接入,电容器带电量增加了QC(UCUC)由以上各式解得 QC 代入数据,可得Q2.35106 C 答案 见解析 例 3(2006上海)在如图
15、所示电路中,闭合电键 S,当滑动变阻器的滑动触头 P 向下滑动时,四个理想电表的示数都发生变化,电表的示数分别用 I、U1、U2 和 U3 表示,电表示数变化量的大小分别用 I、U1、U2 和 U3 表示下列比值正确的是()(A)U1I 不变,U1I 不变 (B)U2I 变大,U2I 变大 (C)U2I 变大,U2I 不变 (D)U3I 变大,U3I 不变 答案 ACD 名师指引本题求解的关键是确定U1、U2、U 内的关系,由于 E=U1+U2+U 内,其中 U1变小、U2 变大、U 内变小,故有U2=U1+U 内。很多同学由于无法确定这个关系,而得出 ABD 的错误结论。例 4(2006天津
16、)如图所示的电路中,电池的电动势为 E,内阻为 r,电路中的电阻 R1、R2和 R3的阻值都相同。在电键 S 处于闭合状态下,若将电键 S1由位置 1 切换到位置 2,则 A 电压表的示数变大 B 电池内部消耗的功率变大 C 电阻 R2 两端的电压变大 D 电池的效率变大 解析:设电阻 R1=R2=R3=R,当电键 S1接 1 时,电路中总电阻为,当电键 S1接 2 时,电路中总电阻为,总电阻变小,由,变小,变大,路端电压,电源的不变,则路端电压减小,即伏特表读数减小,选项 A 错误,电源内部消耗的功率,变大,增大,B 选项正确,当电键 S1接 1 时,两 端电压,当电键 S1接 2 时,两端
17、电压,两端电压变小,C选项错误,电池的效率,则当电键 S1由接 1 改为接2 时,总电阻变小,电池的效率减小,D 选项错误,所以 B 选项正确。答案 B 例 5(2007北京)环保汽车将为 2008 年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车,总质量。当它在水平路面上以v=36kms2);(3)设想改用太阳能电池给该车供电,其他条件不变,求所需的太阳能电池板的最小面积。结合计算结果,简述你对该设想的思考。已知太阳辐射的总功率,太阳到地球的距离,太阳光传播到达地面的过程中大约有 30%的能量损耗,该车所用太阳能电池的能量转化效率约为 15%。解析(1)驱动电机的输入功率:31015 IU
18、P电W。(2)在匀速行驶时,P机=0.9P电,P机=Fv=fv 所以:f=0.9P电v 汽车所受阻力与车重之比:045.0mgf。(3)当阳光垂直电池板入射时,所需板面积最小,设其为 S,距太阳中心为 r 的球面积:204 rS,若没有能量损耗,太阳能电池板接收到的太阳能功率为P,则0SSPP。设太阳能电池板实际接收到的太阳能功率为 P,则有PP%301,所以00%301SSPP,由于P电=15%P,所以电池板的最小面积为:1017.015.047.00200PPrPPSS电m2。分析可行性并提出合理的改进建议。答案 见解析 名师指引 此题结合力学、电学与光学三部分内容,要求考生熟练电功率与机
19、械功率的计算,理解太阳辐射能量的球形模型。抢分频道 限时基础训练(20 分钟)班级 姓名 成绩 1(2007 深圳市最后冲刺模拟试题)如图所示电路中,电源电动势 恒定,内阻 r=1,定值电阻 R3=5。当电键 K 断开与闭合时,ab 段电路消耗的电功率相等。则以下说法中正确的是()A.电阻 R1、R2可能分别为 4、5 B.电阻 R1、R2可能分别为 3、6 C.电键 K 断开时电压表的示数一定大于 K 闭合时的示数 D.电键 K 断开与闭合时,电压表的示数变化量大小与电流表的示数变化量大小之比一定等于 6 1.答案:ACD 解析:根据闭合电路欧姆定律与部分电路欧姆定律可得到答案。2(2007
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