高二物理闭合电路欧姆定律问题综合教科版

1高二物理闭合电路欧姆定律问题综合教科版【本讲教育信息】一.教学内容：闭合电路欧姆定律问题综合二.学习目标：1、掌握欧姆定律问题的基本应用问题。2、重点掌握闭合电路的动态分析问题的解题思路。3、重点掌握闭合电路的功率、电流、电阻的极值问题的分析方法和思路。考点地位：本知识点是高中电学理论的核心内容，在历年的高考中占有重要的位置。在考查形式上，既可以通过选择的形式考查单一的知识点，也可以通过一个模型片断的形式综合于大型的计算题中，2008年广东卷第7题、2007年宁夏理综卷第17题、2006年的上海卷第11题，2006年的天津理综卷第9题，通过选择题的形式重点考查了全电路中的功率问题，动态分析问题，2006年的重庆理综卷第23题，则是通过小型计算的形式考查了功率的极值问题.三.重难点解析：1.电动势（1）电动势是反映电源把其他形式的能转化为电能本领大小的物理量。在电路中通过单位电荷时电源所提供的电能，在数值上等于电源的电动势，即qWE（2）电动势的大小由电源本身的性质决定，与外电路的组成及变化情况无关。（3）电动势等于外电压与内电压之和，即内外UUE，还等于外电路断路时的路端电压。在数值上还等于电路中通过单位电荷时电源提供的电能。例如：干电池电动势是1.5V，表明在干电池内，在把化学能转化为电能时，可以使每1C的电量具有1.5J电能。蓄电池电动势是2V，表明在蓄电池内，把化学能转化为电能时，可以使每1C的电量具有2J电能。（4）电动势的单位与电压相同，都是“V”。（5）电动势是标量，为研究问题方便，规定其方向为电源内部电流方向，即由电源的负极指向正极方向。应该注意：并不是电源把其他形式的能转化为电能越多，电动势就越大。因为转化的能量除了与电动势有关外，还与所经历的时间、用电情况有关。要注意电动势和电势差的区别。电动势对应的是非静电力做功把其他形式的能转化为电能，而电势差对应的是静电力做功把电能转化为其他形式的能，它们对应的能量转化的“方向”不同。题型1、电动势概念的理解：例：关于电动势下列说法中正确的是（）A.在电源内部把正电荷从负极移到正极，非静电力做功，电能增加B.对于给定的电源，移动正电荷非静电力做功越多，电动势就越大C.电动势大，说明非静电力在电源内部从负极向正极移动单位电量做功越多D.电动势大，说明非静电力在电源内部把正电荷从电源负极移到正极移送电量越多答案：A、C变式：将电动势为3.0V的电源接入电路中，测得电源两极间的电压为2.4V，当电路中有6C2的电荷流过时，求：（1）有多少其它形式的能转化为电能。（2）外电路中有多少电能转化为其他形式的能。（3）内电路中有多少电能转化为其他形式的能。解析：由电动势的定义可知，在电源内部非静电力每移送1C电荷，有3J其他形式的能转化为电能。也可认为在电源中，非静电力移送电荷做多少功，就有多少其他形式的能转为电能；在电路中，电场力移送电荷做多少功，就有多少电能转化为其他形式的能。（1）J18J63EqEItW，电源中共有18J其他形式的能转化为电能。（2）J4.14J64.2qUItUW111，外电路中共有14.4J电能转化为其他形式的能。（3）内电压V6.0V4.2V3UEU12所以J6.3J66.0qUW22。内电路中共有J6.3电能转化为其他形式的能。也可由能量守恒求出：J6.3。2.内电压和外电压（1）内电路、内电阻、内电压将电源和用电器连接起来，就构成闭合电路，如图所示电源内部的电路叫闭合电路的内电路。内电路的电阻叫电源的内阻。当电路中有电流通过时，内电路两端有电压叫内电压，用U’表示。（2）外电路、外电压（路端电压）：电源外部的电路叫外电路。外电路两端的电压叫外电压，也叫路端电压。用U表示。（3）三者关系：'UUE：即在闭合电路里，电源电动势等于内、外电压之和。注意：①将伏特表接在电源两极间测得的电压U，是指路端电压，不是内电路两端的电压，也不是电源电动势。所以，EU。②当电源没有接入电路时，因无电流通过内电路，所以U’=0，故此时E=U。即电源电动势等于电源没有接入电路时的路端电压。③电动势和路端电压虽然是有相同的单位且有时数值亦相同，但二者是本质不同的物理量。电动势反映了电源将其他形式的能转化为电能的本领大小，路端电压反映了外电路中电能转化为其他形式的能的本领大小。3.闭合电路的欧姆定律（1）内容：闭合电路的电流与电源的电动势成正比，与整个电路的电阻成反比，即)rR/(EI，常用表达式还有IrEU,UUIrIRE外内外。（2）适用范围：外电路是纯电阻的电路。3注意：①rREI只适用于外电路为纯电阻的闭合电路。②IrEU既适用于外电路为纯电阻的闭合电路，也适用于外电路为非纯电阻的闭合电路。（3）图象：电源的U—I图线。闭合电路中，电源的电动势E和内阻r可认为是不变的。由IrEU可知，路端电压U与电路中电流I成一次函数的关系。其图象如图所示，图线与U轴交点P表示外电路断路时的路端电压，此电压等于电源电动势；图线与I轴交点Q表示外电路短路时的电流，此电流r/EIQ；图线斜率绝对值在数值上等于内电阻的大小。问题1：闭合电路的基本分析与计算问题：例：如图所示电路中，电源的总功率是40W，4R1，6R2，a、b两点间的电压是4.8V，电源输出的功率是37.6W。求电源的内电阻和电动势。解析：外电路是由21RR与并联再与3R串联组成的。21RR与并联的总电阻为4.26464RRRRR2121aba、b两点间的电压就是并联电路两端的电压，所以流过干路的电流为A2A4.28.4RUIabab∵rIPPPP2E出内出∴6.026.3740IPPr22E出电动势V20V240IPEE变式：如图甲所示电路中，10RRR321，S断开时，电压表示数为16V；S闭合时，电压表示数为10V。若电压表可视为理想的，求：（1）电源电动势和内电阻各为多大？（2）若将原电路改为图乙所示的电路，其他条件不变，则S断开和闭合时电压表的示数分别为多大？4解析：（1）在图甲中，当断开S时，3R中电流可视为零（因理想电压表内阻可视为无限大），3R两端电压可视为零，故电压表指示的是电源的路端电压。又此时外电路是21RR、串联，所以，电路中总电流为：A8.0A101016RRUI21由闭合电路欧姆定律得：r8.016IrUE①当闭合S时，电压表指示的是2R两端电压，外电路结构是：31RR与并联，再跟2R串联，此时电路中总电流为：A1A1010R'U'I2外电路总电阻为：15RRRRRR23131由)rR('IE得：)r15('IE②联立①②两式，解得E=20V，r=5Ω。（2）若将原电路改为图乙所示电路，则断开S时，外电路由31RR、串联组成，电压表指示的是1R两端的电压，此时总电流为：A8.0A5101020rRREI31电压表示数为：V8V108.0IRU11闭合S时，外电路结构是21RR、并联再与3R串联，电压表示数是21RR、组成的并联电路两端的电压，此情况下，外电路总电阻为：15RRRRRR32121总电流为：A1A51520rREI故电压表示数为：V5V105.0R21U22题型2、闭合电路的动态分析问题（2008年广东卷）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5答案：A（07宁夏理综）在如图所示的电路中，E为电源电动势，r为电源内阻，R1和R3均为定值电阻，R2为滑动变阻器。当R2的滑动触点在a端时合上开关S，此时三个电表A1、A2和V的示数分别为I1、I2和U。现将R2的滑动触点向b端移动，则三个电表示数的变化情况是（）A1A2VSR1R2R3abErA.I1增大，I2不变，U增大B.I1减小，I2增大，U减小C.I1增大，I2减小，U增大D.I1减小，I2不变，U减小答案：B4.闭合电路中的功率（1）电源的功率P：电源将其他形式的能转化为电能的功率，也称为电源的总功率，计算式为：P=IE，普遍适用；)rR(IrREP22，只适用于外电路为纯电阻的电路。（2）电源内阻消耗功率内P：电源内阻的热功率，也称为电源的损耗功率，计算式为：rIP2内。（3）电源的输出功率出P：外电路上消耗的功率，计算式为：外出IUP，普遍适用；222)rR(RERIP出，只适用于外电路为纯电阻的电路。（4）闭合电路上功率分配关系为：rIUIEI,PPP2即内出。闭合电路上功率的分配关系反映了闭合电路中能量的转化和守恒，即电源提供的电能，一部分消耗在内阻上，其余部分输出给外电路，并在外电路上转化为其他形式的能。能量守恒的表达式为：rtIUItEIt2，普遍适用；rtIRtIEIt22，只适用于外电路为纯电阻的电路。（5）电源的效率：rRREUEIUIPP外。由上式可知，外电阻R越大，电源的效率越高。65.输出功率与外电阻之间的关系电源的输出功率：r4R/)rR(E)rR(REUIP2222出由上式可以看出：（1）当R=r时，电源的输出功率最大)r4/(EP2m，此时电源效率%50。（2）当rR时，随着R的增大输出功率越来越小。（3）当rR时，随着R的增大输出功率越来越大。（4）当mPP出时，每个输出功率对应两个可能的外电阻21RR和，且221rRR。（5）RP与外的关系如图所示。问题2：闭合电路中的功率、电流、电阻的极值问题例：如图所示电路中，电阻15R,9R21，电源电动势E=12V。内电阻1r。求：（1）当电流表示数为0.4A时，变阻器3R的阻值多大？（2）3R阻值多大时，它消耗的电功率最大？（3）3R阻值多大时，电源的输出功率最大？解析：由电路图可知，32RR与并联后再与1R串联，电流表的示数是表示通过电阻2R的电流，根据串并联电路的特点以及闭合电路欧姆定律可求出该题的答案。（1）设干路电流为I，根据并联电路的分流原理：IRRRI3232①外电路的总电阻32321RRRRRR②由闭合电路欧姆定律得rREI③由①、②、③式求得30R3。（2）设阻值为3'R时，它消耗的功率最大为3P，此时电路总外阻为32321'RR'RRR'R④7干路电流r'RE'I⑤'IRRR'I3223，⑥3233'R'IP⑦由④、⑤、⑥、⑦得：)12'R36'R(2536)36'R12'R(25R36P332323323当33'R'R36时消耗的功率最大，即6'R3。（3）设阻值为3''R时，电源输出功率最大为mP，R)rRE(P2m当外电路的总电阻rR时，电源输出功率最大，因为rR，所以，当R越接近r时输出功率最大。故只有当0''R3时，R接近r，此时电源输出功率最大。变式1：（2007·珠海）在如图所示的电路中，1R为定值电阻，2R为可变电阻，E为电源电动势，r为电源内阻。则以下说法中正确的是（）A.当rRR12时，2R上获得最大功率B.当rRR21时，1R上获得最大功率C.当0R2时，1R上获得最大功率D.当0R2时，电源的输出功率最大答案：A、C变式2：如图所示，已知电源电动势E=12V，3R,2R,5.0r21，滑动变阻器5R3，其滑动触头为P。（1）当滑动触头P滑动到什么位置时，干路中电流最小？最小电流是多少？（2）当滑动触头在什么位置时，电源输出功率最大？是多少？解：（1）设P上方的电阻为xR，则等效电路如图所示，则外电阻为810)3R(25532)R8)(R2(RR