2019-2020学年高中物理 第2章 7 闭合电路的欧姆定律课件 新人教版选修3-1

第二章恒定电流7闭合电路的欧姆定律[学习目标]1.会从能的守恒和转化定律推导出闭合电路的欧姆定律。2.理解内、外电压，理解闭合电路的欧姆定律。(重点)3.会用闭合电路欧姆定律分析路端电压与负载的关系，会进行相关的电路分析和计算。(难点)自主预习探新知一、闭合电路的欧姆定律1．描述闭合电路的几个基本物理量用导线把电源、用电器连接起来就构成了闭合电路，如图所示。①内电路：电源内部的电路叫作内电路，其电阻叫作，通常用r表示。闭合电路中，通常用U内表示Ir，它是内电路的电势降落，称为_________。内电压内电阻②外电路：电源两极之间的外部电路叫作，其电阻叫作____________。闭合电路中，通常用U外表示IR，它是外电路的电势降落，称为，也常称为电压，简单地记为U。路端外电路外电阻外电压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，__________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非静电力3．闭合电路的欧姆定律(1)内容：闭合电路的电流跟电源的电动势成______，跟内、外电路的电阻之和成_______。(2)公式：I＝_______；适用范围：_________电路。(3)常用的变形公式：E＝_________或U外＝________；适用范围：任何闭合电路。E－Ir正比反比ER＋r纯电阻U外＋U内二、路端电压与负载的关系1．路端电压与外电阻的关系：U外＝E－U内＝E－ER＋rr。结论：①R增大→U外；②外电路断路时U外＝E；③外电路短路时U外＝0。增大2．路端电压与电流关系(1)公式：U外＝。(2)图象(U­I图象)：如图所示是一条倾斜的直线，该直线与纵轴交点的坐标表示，斜率的绝对值表示。E－Ir电源内阻r电动势E1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)电动势越大，闭合电路的电流就越大。()(2)电源的内阻越大，闭合电路的电流就越小。()(3)电源一定时，负载电阻越大，电流越小。()(4)电源发生短路时，电流为无穷大。()(5)外电路断路时，电源两端的电压就是电源电动势。()××××√2．一太阳能电池板，测得它的开路电压为800mV，短路电流为40mA。若将该电池板与一阻值为20Ω的电阻连成一闭合电路，则它的路端电压是()A．0.10VB．0.20VC．0.30VD．0.40VD[电源电动势为0.8V，根据I短＝Er，解得r＝EI短＝20Ω，所以U＝RR＋rE＝0.4V，D正确。]3．(多选)如图所示为两个不同闭合电路中两个不同电源的U­I图象，则下列说法中正确的是()A．电动势E1＝E2，短路电流I1I2B．电动势E1＝E2，内阻r1r2C．电动势E1E2，内阻r1r2D．当两电源的工作电流变化量相同时，电源2的路端电压变化较大AD[由图象可知两电源的U­I图线交纵轴于一点，则说明两电源的电动势相同；交横轴于两不同的点，很容易判断电源1的短路电流大于电源2的短路电流，则A项正确。又由两图线的倾斜程度可知图线2的斜率的绝对值大于图线1的斜率的绝对值，即电源2的内阻大于电源1的内阻，则可知B、C项错误。由图象可判断当两电源的工作电流变化量相同时，电源2的路端电压的变化量大于电源1的路端电压的变化量，可知D项正确。]合作探究攻重难对闭合电路欧姆定律的理解1.闭合电路中的几个关系式几种形式说明(1)E＝U＋U内(2)I＝ER＋r(3)U＝E－Ir(U、I间关系)(4)U＝RR＋rE(U、R间关系)(1)I＝ER＋r和U＝RR＋rE只适用于外电路为纯电阻的闭合电路(2)由于电源的电动势E和内电阻r不受R变化的影响，从I＝ER＋r不难看出，随着R的增加，电路中电流I减小(3)U＝E－Ir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2.特别提醒(1)外电路短路时电路中电流较大，为防止将电源、电路烧坏或引发火灾事故，一般不允许这种情况发生。(2)外电路含有非纯电阻元件(如电动机、电解槽等)时，不能直接用欧姆定律解决电流问题，可以根据串、并联电路特点或能量守恒定律列式计算。【例1】如图所示的电路中，当S闭合时，电压表和电流表(均为理想电表)的示数各为1.6V和0.4A。当S断开时，它们的示数各改变0.1V和0.1A，求电源的电动势和内电阻。思路点拨：(1)两表读数增减的分析：①开关S断开后，外电阻的变化：由R1、R2并联变化为只有R1接入电路，电阻变大；②两表读数的变化：电流表读数减小，电压表读数变大。(2)电压表测量的是路端电压，电流表测量的是干路电流，它们之间的关系满足闭合电路欧姆定律，即U＝E－Ir。[解析]当S闭合时，R1、R2并联接入电路，当S断开时，只有R1接入电路，此时路端电压增大、干路电流减小。当S闭合时，由闭合电路欧姆定律得：U＝E－Ir，即1.6＝E－0.4r①当S断开时，只有R1接入电路，由闭合电路欧姆定律得：U′＝E－I′r，即1.6＋0.1＝E－(0.4－0.1)r②由①②得：E＝2V，r＝1Ω。[答案]2V1Ω闭合电路问题的求解方法(1)分析电路特点：认清各元件之间的串、并联关系，特别要注意电压表测量哪一部分的电压，电流表测量哪个用电器的电流。(2)求干路中的电流：若各电阻阻值和电动势都已知，可用闭合电路的欧姆定律直接求出，也可以利用各支路的电流之和来求。(3)应用闭合电路的欧姆定律解决问题时，应根据部分电路的欧姆定律和电路的串、并联特点求出部分电路的电压和电流。1．如图所示的电路中，电阻R1＝9Ω，R2＝15Ω，电源电动势E＝12V，内电阻r＝1Ω。求当电流表示数为0.4A时，变阻器R3的阻值多大？[解析]对R2，有U2＝I2R2＝0.4×15V＝6V则R1和r上的电压U＝E－U2＝(12－6)V＝6V故总电流I1＝UR1＋r＝69＋1A＝0.6A流过R3的电流I3＝I1－I2＝(0.6－0.4)A＝0.2A故R3＝U2I3＝60.2Ω＝30Ω。[答案]30Ω闭合电路的动态变化闭合电路中只要电路的某一部分发生变化，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。其分析的一般思路为：(1)明确电路结构，即电路各元件的连接方式；(2)明确局部电阻的变化和外电路总电阻R总的变化；(3)运用I总＝ER总＋r判断I总的变化；(4)运用U内＝I总r判断U内的变化；(5)运用U外＝E－U内判断U外的变化；(6)运用电学公式定性分析各支路相关量变化。【例2】如图所示的电路中，电源内阻不可忽略。开关S闭合后，在变阻器R0的滑动端向下滑动的过程中()A．电压表与电流表的示数都减小B．电压表与电流表的示数都增大C．电压表的示数增大，电流表的示数减小D．电压表的示数减小，电流表的示数增大思路点拨：(1)滑动变阻器的滑动端向下滑动时，滑动变阻器接入电路的电阻减小，总电阻减小。(2)分析电路的动态变化的一般思路是“先局部后整体再局部”。A[滑动变阻器R0的滑片向下滑动的过程中，R0接入电路的电阻变小，电路的总电阻变小，总电流变大，电源的内电压变大，外电压变小，电压表的示数变小，R1两端的电压变大，R2两端的电压变小，电流表的示数变小，A正确。]直流电路的动态分析思路基本思路是“部分→整体→部分”，即从阻值变化入手，由串、并联规律判知R总的变化情况，再由欧姆定律判知I总和U端的变化情况，最后由部分电路欧姆定律及串联分压、并联分流等规律判知各部分的变化情况。2．(多选)在如图所示的电路中，闭合S，A、B、C三只灯均正常发光，当可变电阻R′的滑动触头上移时，对A、B、C三只灯亮度的变化，下列叙述正确的是()A．A灯变亮B．B灯变亮C．C灯变亮D．三灯均变暗AC[滑动触头上移，R′变大，则R总变大，I总＝ER总减小，U内＝I总r减小，U外＝E－U内增大，A灯变亮，A正确；I支＝I总－IA，I支减小，B灯与R并联部分的电压减小，C灯与R′并联部分电压增大，故B灯变暗，C灯变亮，C正确，B、D错误。]电源的有关功率和电源的效率1.电源的有关功率和电源的效率(1)电源的总功率：P总＝IE＝I(U内＋U外)。(2)电源的输出功率：P出＝IU外。(3)电源内部的发热功率：P′＝I2r。(4)电源的效率：η＝P出P总＝U外E，对于纯电阻电路，η＝RR＋r＝11＋rR。2．输出功率和外电阻的关系在纯电阻电路中，电源的输出功率为P＝I2R＝E2（R＋r）2R＝E2（R－r）2＋4RrR＝E2（R－r）2R＋4r。(1)当R＝r时，电源的输出功率最大，Pm＝E24r。(2)当Rr时，随着R增大，P减小。(3)当Rr时，随着R增大，P增大。【例3】电路图如图甲所示，图乙中图线是电路中的电源的路端电压随电流变化的关系图象，滑动变阻器的最大阻值为15Ω，定值电阻R0＝3Ω。甲乙(1)当R为何值时，R0消耗的功率最大？最大值为多少？(2)当R为何值时，电源的输出功率最大？最大值为多少？思路点拨：(1)由题图乙可求出电源的电动势和内电阻，注意纵轴坐标原点不从0开始。(2)R0为定值电阻，其电流越大，消耗功率越大。(3)对电源来说，R＋R0为电源外电阻，当r＝R0＋R时，电源输出功率最大。[解析](1)由题图乙知电源的电动势和内阻为：E＝20V，r＝20－52Ω＝7.5Ω由题图甲分析知道，当R＝0时，R0消耗的功率最大，最大值为P′max＝ER0＋r2R0＝203＋7.52×3W≈10.9W。(2)当r＝R＋R0，即R＝4.5Ω时，电源的输出功率最大，最大值为Pmax″＝ER0＋R＋r2(R0＋R)＝203＋4.5＋7.52×(3＋4.5)W≈13.3W。[答案](1)010.9W(2)4.5Ω13.3W上例中，当R为何值时，R消耗的功率最大？最大值为多少？提示：把R0看作电源内电阻，则电源的等效内阻为r′＝r＋R0＝10.5Ω即当R＝r′＝10.5Ω时，R消耗的功率最大，最大功率Pmax＝ER0＋R＋r2R＝2010.5＋10.52×10.5W＝9.5W。3．如图所示，线段A为某电源的U­I图线，线段B为某电阻的U­I图线，当上述电源和电阻组成闭合电路时，求：(1)电源的输出功率P出多大？(2)电源内部损耗的电功率是多少？(3)电源的效率η多大？[解析](1)由A的图线可读出电源电动势E＝3V，内电阻r＝EIm＝36Ω＝0.5Ω从图象的交点可读出路端电压U＝2V，电路电流I＝2A则电源的输出功率为P出＝UI＝4W。(2)电源内部损耗的电功率P内＝I2r＝2W。(3)电源的总功率为P总＝IE＝6W故电源的效率为η＝P出P总×100%≈66.7%。[答案](1)4W(2)2W(3)66.7%电路故障问题电路故障一般是短路或断路，常见的情况有导线断芯、灯泡断丝、灯座短路、电阻器内部断路、接触不良等，判断故障的基本方法有两种。1．仪表检测法(1)电压表是由灵敏电流计G和分压电阻R0串联组成的，内部结构如图甲所示。甲乙(2)用电压表检测如图乙所示，合上开关S，若电压表有示数，说明电路中有电流通过电压表，电路为通路(电压表作为一个高电阻把开关和电源接通了)，则开关S和导线不断路，灯L断路即故障所在。2．假设法已知电路发生某种故障，寻找故障发生的位置时，可将整个电路划分为若干部分，然后逐一假设某部分电路发生故障，运用欧姆定律进行正向推理。推理结果若与题述物理现象不符合，则故障不是发生在这部分电路；若推理结果与题述物理现象符合，则故障可能发生在这部分电路。直到找出发生故障的全部可能为止，亦称排除法。【例4】如图所示，电灯L标有“4V1W”，滑动变阻器R的总电阻为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，电压表示数为10V。若导线连接完好，电路中各处接触良好。试问：(1)发生的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大？(3