第二册(必修加选修)第十四章第4-7节超导及其应用;电功和电功率;闭合电路欧姆定律;电压表和电流表

年级高二学科物理版本人教版内容标题第十四章第四节——第七节编稿老师马慧【本讲教育信息】一.教学内容：第十四章稳恒电流第四节超导及其应用第五节电功和电功率第六节闭合电路欧姆定律第七节电压表和电流表伏安法测电阻二.知识要点：1.电功和电热电功是电场力做功W=UIt；由焦耳定律电热Q=I2Rt。电流通过金属导体时，自由电子在加速运动过程中频繁与正离子相碰，使离子的热运动加剧，而电子速率减小，可以认为自由电子只以某一速率定向移动，而电能只转化为内能。（1）对纯电阻而言，电功等于电热：W=Q=UIt=I2Rt=tRU2（2）对非纯电阻电路（如电动机和电解槽），由于电能除了转化为电热以外还同时转化为机械能或化学能等其它能，所以电功必然大于电热：QW，这时电功只能用W=UIt计算，电热只能用Q=I2Rt计算，两式不能通用。[例1]某一电动机，当电压U1=10V时带不动负载，因此不转动，这时电流为I1=2A。当电压为U2=36V时能带动负载正常运转，这时电流为I2=1A。求这时电动机的机械功率是多大？解：电动机不转时可视为为纯电阻，由欧姆定律得，511IUR，这个电阻可认为是不变的。电动机正常转动时，输入的电功率为P电=U2I2=36W，内部消耗的热功率P热=RI22=5W，所以机械功率P=31W由这道例题可知：电动机在启动时电流较大，容易被烧坏；正常运转时电流反而较小。[例2]来自质子源的质子（初速度为零），经一加速电压为800kV的直线加速器加速，形成电流强度为1mA的细柱形质子流。已知质子电荷e=1.60×10－19C。这束质子流每秒打到靶上的质子数为_______。假定分布在质子源到靶之间的加速电场是均匀的，在质子束中与质子源相距L和4L的两处，各取一段极短的相等长度的质子流，其中的质子数分别为n1和n2，则n1∶n2=_______。分析：151025.6,eItntneI由于各处电流相同，设这段长度为l，其中的质子数为n个，则由vnlnevIvlttneI1,得和而12,,212212ssnnsvasv2.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。闭合电路欧姆定律的表达形式有：①E=U外+U内②rREI（I、R间关系）③U=E－Ir（U、I间关系）④ErRRU（U、R间关系）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。功率：①电源的功率（电源的总功率）PE=EI②电源的输出功率P出=UI③电源内部消耗的功率Pr=I2r电源的效率：rRREUPPE（最后一个等号只适用于纯电阻电路）电源的输出功率rErErRRrrRREP44422222，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rEPm42。[例3]已知如图，E=6V，r=4Ω，R1=2Ω，R2的阻值变化范围是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。（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rREI，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）。（4）闭合电路的U—I图象。下图中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）。3.电流表、电压表内部结构常用电流表和电压表都是由小量程的电流表G（即表头）改装而成的。电流表头G的电阻Rg叫表头内阻。指针偏转到最大刻度时对应的电流Ig叫满偏电流；与之对应的电压Ug叫满偏电压，Ug=IgRg。将电流表头G改装为电压表，要串联一只大电阻实现分压；将电流表头G改装为电流表，要并联一只小电阻实现分流。例：现有一只内阻为Rg=25Ω，量程为Ig=3.0mA的电流表。（1）若要把它改装为量程为0.6A和3A的双量程电流表，所需的并联电阻阻值分别是多少？（2）现在只有两只定值电阻R1=0.025Ω和R2=0.10Ω，试用它们完成改造。改装电路图已画好，请标出接线柱上的标志（共用的+接线柱、0.6A和3A）。解：（1）改装为0.6A量程时，需并联Rg/199=0.126Ω电阻；改装为3A量程时，需并联Rg/999=0.025Ω电阻。⑵从左向右，依次是+、3A、0.6A。4.伏安法测电阻伏安法测电阻有a、b两种接法，a叫（电流计）外接法，b叫（电流表）内接法。外接法的系统误差是由电压表的分流引起的，测量值总小于真实值，小电阻应采用外接法；内接法的系统误差是由电流表的分压引起的，测量值总大于真实值，大电阻应采用内接法。如果被测电阻阻值为Rx，伏特表和安培表的内阻分别为RV、RA，若AVRRRx，则采用外接法。若AVRRRx，则采用内接法。如果无法估计被测电阻的阻值大小，可以利用试触法：如图将电压表的左端接a点，而将右端第一次接b点，第二次接c点，观察电流表和电压表示数的变化。若电流表示数变化大，说明被测电阻是大电阻，应该用内接法测量；若电压表读数变化大，说明被测电阻是小电阻，应该用外接法测量。（这里所说的变化大，是指相对变化，即ΔI/I和ΔU/U）。5.滑动变阻器的两种接法滑动变阻器在实验电路中常用的接法有两种，分别用下面a、b两图表示：a叫限流接法，b叫分压接法。采用分压接法时，被测电阻RX上的电压调节范围较大。当实验中要求被测电阻上的电压从零开始逐渐增大，或要求电压调节范围尽量大时，应该用分压接法。为了便于调节，采用分压接法时，应该选用总阻值较小的滑动变阻器；采用限流接法时，应该选用总阻值和被测电阻接近的滑动变阻器。6.实物图连线方法（1）无论是分压接法还是限流接法，都应该先把测量电路（伏安法部分）接好。（2）对限流电路，只需用笔画线当作导线，从电源正极开始，把电源、电键、滑动变阻器、伏安法四部分依次串联起来即可（注意电表的正负接线柱并选择正确的量程，滑动变阻器的滑动触头应调到阻值最大处）。（3）对分压电路，应该先把电源、电键和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来，然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头，根据“外电路沿电流方向电势降低”比较该接头和滑动触头两点的电势高低，根据伏安法部分电表正负接线柱的分布，将伏安法部分接入该两点间。实物连接图如下。三.疑难辨析：1.闭合电路欧姆定律本质上是能的转化与守恒定律在闭合电路中的反映。（1）电压形式：E=I（R+r）或E=U外+Ir等.它表明电源电动势在最值上等于电路中内、外电压之和.它反映出移送单位电量电荷的过程中，非静电力做功与电场力做功量值相等，即其他形式的能量转化为电能，再由电能转化为电阻上内能的转化（2）能量形式：qE=qU外+qU内（3）功率形式：IE=IU外+IU内，或IE=IU+I2r。若电路为纯电阻电路，则电源的功率P=I2（R+r）=)(2rRE；表明电源的功率随外电阻的增大而减小，电源的输出功率（外电路消耗的功率）为P出=UI=EI－I2r；若外电路为纯电阻电路，则P出=I2R=2)(rRER；不难推出当R=r时，P出最大为rE42。当R＜r时，输出功率随外电阻的增大而增大；当R＞r时，输出功率随外电阻的增大而减小.电源的输出功率最大时，电源的工作效率n=PP出×100%=)(22rRIRI×100%=50%。2.（1）在变化的电路中，电源的电动势和内电阻是不变的，路端电压将随外电路的电阻（2）在变化的电路中，要注意到将部分的电路和全电路合起来，做到从局部到整体再到局部进行分3.将电容器两端的电势分别与电路中某一基准点的电势作比较，然后再确定电容器两端电压，这是处理含有电容器的电路的常用方法；在计算电容器电量变化时，有时除了要考虑4.通过对电路的变化和电路故障的综合分析，不仅可以加深对闭合电路欧姆定律的理解，而且对电路中电阻串、并联的作用也会有进一步的认识。从电流角度来讲，若是两个电阻中的电流有一部分是共同的，则它们就是串联关系；若是两个电阻的电流没有共同部分，则它们就是并联关系。当某个电阻变大时，其分压作用变大，与它并联的电阻两端的电压变大，电流也随之变大，由于电源电动势不变，与它串联的电阻两端的电压变小，电流也随之变小；相反，当一个电阻变小时，其分压作用变小，与它并联的电阻两端电压变小，电流也随之变小，与它串联的电阻两端电压变大，电流也随之变大。5.（1）为了测量通过某段电路的电流，应将电流表与这段电路串联。由于电流表本身是一个导体，具有电阻，串入电路后，增大了被测电路的电阻，造成测量误差。所以，理想的电流表的内电阻应等于零.这样，在电路中某两点间接入一个理想电流表,就相当于接入一根导线，电流表将它连接的两点短路，使这两点等电势，也就是说，电流表接入电路后，可能改变原电路的结构，而电流表测量的是通过它这根“导线”的电流。（2）为了测量某段电路两端的电压，应将电压表并联在这段电路两端。由于电压表本身有电阻，并入电路后减小了被测电路的电阻，造成测量误差.所以，理想的电压表的内电阻应该看作无限大。这样，在电路某两点之间接入一个理想电压表后，它只是测量这两点间的电势差（电压），而没有电流从电压表中通过，也就是说，理想电压表接入电路后，不会6.非理想电表对电路的影响不能忽略，解题时应把它们看作是能显示出本身电压或电流的（1）用电压表测得的电压实际上是被测电路与电压表并联后两端的电压，由于电压表内阻不可能无限大，因此测得的电压总比被测电路两端的实际电压小，表的内阻越大，表的示数越接近于实际电压值。（2）用电流表测得的电流，实质上是被测量的支路（或干路）串联一个电阻（即电流表内阻）后的电流。因此，电流表内阻越小，表的示数越接近于真实值。【典型例题分析】1.如图1所示的电路中，电源的电动势恒定，要想使灯泡的亮度变暗，可以（）①增大R1②减小R1③增大R2④减小R2A.①③B.C.①④D.解题思路：要使灯泡亮度变暗，则应使加在灯泡两端的电压减小。在直流电路中，当电路状态达稳定时，电容器可视为断路，因此本题外电路可视为灯R与电阻R2并联后再跟电阻R1串联的电路。R1↑R总↑I总↓URR2↑R总↑I总↓U1RU端UR同理分析，可知R2减小时，灯变暗；R1增加时，灯变亮。答案：C2.一电压表由“表头”G与电阻R串联而成，如图2所示，若在使用中发现电压表读数总比准确值稍小一些，采用下列哪些措施可能加以改进（）A.在R上串联一个比RB.在R上串