第4章 专题强化6 闭合电路欧姆定律的应用-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理必修第三册同步导学案配套PPT课件（鲁科版）

专题强化6　闭合电路欧姆定律的应用 第4章　闭合电路欧姆定律与科学用电 [学习目标]　1.学会分析闭合电路动态问题的方法(重点)。2.会计算闭合电路的功率,借助公式和图像分析求解电源的最大输出功率(难点)。3.学会含容电路的分析方法(重难点)。4.会结合闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律分析电路故障(难点)。 课时作业 巩固提升 类型1　闭合电路的动态分析 类型2　闭合电路的功率和效率 内容索引 类型3　含电容器电路的分析和计算 类型4　直流电路的故障分析 类型1　闭合电路的动态分析 一 4 1.程序法:遵循“局部—整体—局部”的思路,按以下步骤分析: 2.结论法——“串反并同” (1)“串反”:是指某一电阻增大(减小)时,与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小(增大)。 (2)“并同”:是指某一电阻增大(减小)时,与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大(减小)。 [例1]　(多选)在如图所示的电路中,电源电动势为E、内阻为r。将滑动变阻器R2的滑片P从图示位置向右滑动的过程中,关于各理想电表示数的变化,下列判断中正确的是(　　) A.电流表A的示数变小 B.电压表V的示数变小 C.电流表A1的示数变小 D.电流表A2的示数变小 AD 将滑动变阻器的滑片P从图示位置向右滑动的过程中,滑动变阻器接入电路的阻值变大,外电路的总阻值变大,所以电路的总电流变小,所以电流表A的示数变小,故A正确;由U=E-Ir可得,路端电压U变大,所以电压表V的示数变大,故B错误;由于路端电压U变大,电阻R1 不变,所以电流表A1的示数变大,故C错误;由于总电流 减小,电阻R1的电流变大,所以滑动变阻器的电流减小, 即电流表A2的示数变小,故D正确。 [例2]　(多选)在如图所示的电路中,闭合开关S,当滑动变阻器的滑片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,电表示数的变化量的绝对值分别用ΔI、ΔU1、ΔU2和ΔU3表示。下列说法正确的是(　　) A.不变,不变　　　 B.变大,变大 C.变大,不变 D.不变,不变 AC 由题图可知,==R1,是定值,A对;=R2,随滑片P向下移动而变大,而U2=E-I(R1+r),故=R1+r不变,B错,C对;因=R1+R2,故此比值增大,而U3=E-Ir,故=r为电源的内阻,不变,D错。 [针对训练]　1.如图所示,E为内阻不能忽略的电池,R1、R2、R3为定值电阻,S0、S为开关, 与 分别为电压表与电流表,初始时S0与S均闭合。现将S断开,则(　　) A. 的读数变大, 的读数变小 B. 的读数变大, 的读数变大 C. 的读数变小, 的读数变小 D. 的读数变小, 的读数变大 B 将S断开,则电路的总电阻变大,总电流变小,由U=E-Ir知,路端电压变大,故电压表的读数变大;总电流变小,把R1看成电源的内阻,则内电压变小,故R3两端的电压变大,流过R3的电流变大,电流表的读数变大,选项B正确。 二 类型2　闭合电路的功率和效率 13 1.闭合电路中的功率 功率名称 通用表达式 纯电阻表达式 电源总功率 P总=EI P总=I2(R+r) 内部消耗功率 P内=I2r P内=I2r 电源输出功率 P外=U外I P外=I2R 三者关系 P总=P外+P内 2.纯电阻电路中电源的输出功率 P出=UI=I2R==。 电源输出功率随外电阻变化关系如图所示。 (1)当R=r时,电源的输出功率最大,Pm=。 (2)当R>r时,随着R增大,P出减小。 (3)当R<r时,随着R增大,P出增大。 (4)同一个输出功率P(除最大功率外)都对应两个不同的外电阻R1和R2。 3.电源的效率 (1)定义:输出功率与电路消耗的总功率的比值,表达式为η===。 (2)若外电路为纯电阻电路,则η=====。 可见,外电路电阻越大,电源效率越高。 [例3]　在如图甲所示电路中,定值电阻R0阻值为1 Ω,滑动变阻器R1的调节范围为0~5 Ω,事先测得电源的路端电压与电流的关系图像如图乙所示。当滑动变阻器的滑片从左端滑到右端的过程中,下列说法正确的是(　　) A.电源的电动势为3 V,内阻为2 Ω B.电源的最大效率为90% C.电阻R1的最大功率为1.5 W D.电阻R0的最大功率为1 W C 由闭合电路欧姆定律得E=U+Ir,所以U=E-Ir,所以由U-I图像可得E=3 V,r=||= Ω=0.5 Ω,故A错误;因为电源效率为η=×100%=×100%,所以当滑动变阻器的滑片在左端时,效率最大,为η=×100%≈92%,故B错误;将R0等效为电源内阻,当滑动变阻器阻值为R1=R0+r=1.5 Ω时,有最大功率,为P===1.5 W,故C正确;因为电阻R0的功率为P0=I2R0,所以当电路电流最大时,功率最大,此时滑动变阻器滑片 处于右端,此时电路电流为I==2 A, 解得P0=4 W,故D错误。 方法总结 功率最大值的求解方法 1.对定值电阻来说,其电流最大时功率也最大。 2.电源的输出功率在外电阻等于内阻时最大,若不能相等,则外电阻越接近内阻,电源的输出功率越大。 3.如图,求解滑动变阻器R2消耗的最大功率时,可把定值电阻R1等效为电源内阻的一部分,则当R2=R1+r时,R2上消耗的功率最大。 [针对训练]　2.(多选)(2024·福建南靖期末)自动控制电路中常用到半导体材料,光敏电阻便是其中的一种。光敏电阻的阻值随光照强度的增大而减小。现将一只光敏电阻R连入电路,与定值电阻R1、小灯泡L(灯丝电阻RL视为不变)组成如图所示的电路,RL=r,光照强度为某一值时,R=RL+R1+r。若将照射R的光照强度减弱,则(　　 ) A.小灯泡变暗 B.光敏电阻R消耗的功率一直减小 C.电源输出功率一直减小 D.小灯泡与电阻R1消耗的总功率先变小后变大 ABC 光照减弱,光敏电阻阻值增大,通过灯泡的电流变小,灯泡功率减小,变暗,故A正确;将r+RL+R1看作电源的内阻,当外电阻等于内阻时,电源输出功率最大,即R消耗功率最大,光照强度为某一值时R=r+RL+R1,则光照强度减弱的过程中,R消耗的功率一直减小,故B正确;因为RL=r,则光照强度减弱的过程中,外电阻增大,且一直大于电源内阻,则电源的输出功率一直减小,故C正确;小灯泡与电阻R1为定值电阻,功率 P=I2(R1+RL),光照强度减弱的过程中,R一直增大, 电流一直减小,小灯泡与电阻R1消耗的总功率一直 变小,故D错误。 三 类型3　含电容器电路的分析和计算 22 在直流电路中,当电容器充、放电时,电路里有充、放电电流。一旦电路达到稳定状态,电容器在电路中就相当于一个阻值无限大的元件,电容器处电路可看作是断路,简化电路时可去掉它。 (1)电路稳定后,由于电容器所在支路无电流通过,所以在此支路中的电阻上无电压降低,因此电容器两极间的电压就等于该支路两端的电压。 (2)当电容器和电阻并联后接入电路时,电容器两极间的电压与其并联电阻两端的电压相等。 (3)对于电容器所带电荷量的变化问题,要注意电容器两个极板的电性变化,若极板电性不变,则ΔQ=Q2-Q1;若极板电性互换,则ΔQ=Q2+Q1。 [例4]　如图所示,电容器的电容C1=6 μF,C2=3 μF。电阻R1=6 Ω,R2=3 Ω,当开关S断开时,A、B两点间的电压UAB为多少?当开关S闭合一段时间后,电容器C1所带的电荷量改变了多少?(已知电压UDC=18 V) [答案]　18 V　减少了3.6×10-5C 当开关S断开时 UAB=UAC=UDC=18 V 电容器C1所带电荷量为Q1=C1UAC=6×10-6×18 C=1.08×10-4 C 当开关S闭合一段时间后,电容器C1两端的电压等于电阻R1两端的电压。由串联电路的电压分配关系得UAC'=UDC=×18 V=12 V 此时电容器C1所带的电荷量为Q1'=C1UAC'=6×10-6×12 C=0.72×10-4 C 则电容器C1所带电荷量的变化量为ΔQ=Q1'-Q1=-3.6×10-5 C 负号表示减少,即C1所带的电荷量减少了3.6×10-5 C。 [针对训练]　3.(多选)如图所示,电源的电动势E=2 V,内阻r=2 Ω,两个定值电阻均为8 Ω,平行板电容器的电容C=3×10-6 F,闭合开关S0,则(　　) A.开关S断开时两极板间的电压为 V B.开关S断开时电容器所带电荷量为4×10-6 C C.开关S接通电路稳定后两极板间的电压为 V D.开关S接通电路稳定后电容器所带电荷量为4×10-6 C CD 电容器两极板间的电压等于R2两端的电压,开关S断开时,电路稳定后,电路中的总电流为I== A=0.2 A,电容器两极板间的电压为U=IR2=0.2×8 V=1.6 V,此时电容器所带电荷量为Q=CU=3×10-6×1.6 C=4.8×10-6 C,A、B错误;开关S接通时两定值电阻并联,电路稳定后,电容器两极板间的电压等于路端电压,电路中的总电流为I'== A= A,电容器两极板间的电压为U'=I'R外=×4 V= V,此时电容器所带的电荷量为 Q'=CU'=3×10-6× C=4×10-6 C,C、D正确。 四 类型4　直流电路的故障分析 28 1.常见故障:断路、短路。 2.常用方法:假设法。 假设某电阻发生断路(或短路),根据闭合电路动态分析方法判断实际现象与题中情景是否相符,进而找出电路故障。 [例5]　(多选)在如图所示的电路中,闭合开关S,灯L1、L2正常发光。由于电路出现故障,突然发现L1变亮,L2变暗。假设两灯泡电阻不变,分析电路特点,若只有某一个元件发生故障,下列情况可能的是(　　) A.R2断路　　　　　　　 B.R2短路 C.R1断路 D.R3断路 BC 将电路进行简化,可知R1与灯L1并联,R2、R3串联后与L2并联,如图所示。若R2短路,则总电阻减小,总电流增大,路端电压减小;而L1部分电阻不变,其两端的电压增大,故L2两端电压减小,即L1变亮,L2变暗,符合题意,B正确。若R1断路,则总电阻增大,总电流减小,路端电压增大;而L2部分电阻不变,其两端的电压减小,故L1两端电压增大,即L1变亮,L2变暗,符合题意,C正确。若R2或R3断路,则总电阻增大,总电流减小,路端电压增 大;而L1部分电阻不变,其两端的电压减小,故L2两端电 压增大,即L1变暗,L2变亮,与题干矛盾,A、D错误。 五 课时作业 巩固提升 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [A组　基础巩固练] 1.如图所示,电源的内阻不可忽略,在滑动变阻器的滑片从最右端向最左端滑动的过程中,下列说法正确的是(　　) A.电源内阻消耗的功率减小 B.电源消耗的总功率变大 C.电阻R1的功率增大 D.电源的输出功率减小 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 滑片向左移动,R3接入电路的阻值减小,电路总电阻减小,总电流I增大,由P内=I2r,P=IE可知,电源内阻消耗的功率和电源消耗的总功率均变大,故A错误,B正确;由于总电流增大,因此内电压变大,路端电压减小,则电阻R1的功率将减小,故C错误;当外电路的电阻与电源的内阻相等时,电源的输出功率最大,由于外电路电阻的阻值情况未知,因此输出功率的变化无法确定,故D错误。 2.在如图所示的电路中,当滑动变阻器R2的滑片向下移动时,关于灯L的亮度及电容器C所带电荷量Q的变化判断正确的是(　　) A.L变暗,Q增大　　　　　　 B.L变暗,Q减少 C.L变亮,Q增大 D.L变亮,Q减少 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 当滑动变阻器的滑片向下移动时,滑动变阻器接入电路的电阻减小,外电路总电阻减小,由闭合电路欧姆定律知,干路电流增大,电源的内电压增大,路端电压减小,灯L变暗,通过灯L的电流减小,而干路电流增大,则通过R1的电流增大,R1两端的电压增大,则滑动变阻器两端的电压减小,电容器所带电荷量Q减少,故选B。 3.(多选)在如图所示的电路中,电源电动势为E、内电阻为r,C为电容器,R0为定值电阻,R为滑动变阻器。开关闭合后,灯泡L能正常发光。当滑动变阻器的滑片向右移动时,下列判断正确的是(　　) A.灯泡L将变暗 B.灯泡L将变亮 C.电容器C的带电荷量将减小 D.电容器C的带电荷量将增大 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 AD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 由题意可知R接入电路中的阻值增大,电流I=减小,灯泡L将变暗,故A正确,B错误;路端电压U=E-Ir增大,则电容器带电荷量Q=CU将增大,故C错误,D正确。 4.(多选)(2024·河北保定期末)某同学设计的测量握力大小装置的原理示意图如图所示,其中滑动变阻器的滑动触头通过连杆和上端绝缘把手连在一起,上端绝缘把手和弹簧上端连在一起,下端绝缘把手固定,弹簧和上端绝缘把手随着握力的变化一起上下移动。当弹簧处于原长时,滑动触头位于滑动变阻器的最上端,握力的大小可以根据电流表的示数获得。闭合开关后,以下有关说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A.当握力为0时,电流表示数为0 B.当握力为0时,电流表示数最小但不为0 C.当握力增大时,电路中电流变小 D.当握力增大时,电路中电流变大 答案:BD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 由电路可知,当握力为0时,回路中电阻最大,电流最小但并不为0,A错误,B正确;当握力增大时,滑动触头向下移动,回路电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知,电路中电流变大,C错误,D正确。 5.(2024·吉林洮南期中)在如图所示的电路中,开关闭合后,由于电阻元件发生短路或断路故障,电压表和电流表的读数都增大,则可能出现了下列哪种故障(　　) A.R1短路 B.R2短路 C.R3短路 D.R1断路 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 若R1短路,则只有R3连入电路,电路总电阻减小,所以电路总电流增大,即电流表示数增大,根据U=IR3可得R3两端的电压增大,即电压表示数增大,符合题意;若R2短路,则电流表和R1没有电流通过,电流表示数为零,不符合题意;若R3短路,则电压表示数为零,不符合题意;若R1断路,则电流表示数为零,不符合题意。故选A。 6.(多选)(2024·内蒙古赤峰期末)在如图所示的电路中,电源电动势为E,内电阻为r,开关S闭合后,电灯L1、L2均能发光。现将滑动变阻器R的滑片P稍向上移动,下列说法正确的是(　　) A.电灯L1、L2均变亮 B.电灯L1变暗,L2变亮 C.电流表的示数变大 D.电流表的示数不变 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 BC 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 滑动变阻器R的滑片P稍向上移动,滑动变阻器接入电路的阻值减小,则外电路的总电阻减小,总电流增大,故L2变亮,内电压增大,则路端电压减小,因L2的电压增大,故并联部分的电压减小,所以L1变暗,则流过L1的电流减小,而总电流增大,故流过R的电流增大,所以电流表示数变大,故B、C正确。 [B组　综合强化练] 7.如图所示,一款微型机器人的直流电动机的额定电压为U,额定电流为I,线圈电阻为R,将它接在电动势为E,内阻为r的直流电源的两极间,电动机恰好能正常工作,下列说法正确的是(　　) A.电动机消耗的热功率为UI B.电源的输出功率为I2R C.电源的效率为1- D.电动机消耗的总功率为EI 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 电动机恰好能正常工作,则通过电动机的电流等于额定电流,因此发热功率为P热=I2R,故A错误;电源的输出电压等于电动机的额定电压,所以电源的输出功率为P出=UI,故B错误;电源的效率η===1-,故C正确;电动机消耗的总功率P=UI,故D错误。 8.(2024·云南瑞丽期末)阻值相等的四个电阻、电容器C及电池E(内阻可忽略)连接成如图所示电路。开关S断开且电流稳定时,C所带的电荷量为Q1,闭合开关S,电流再次稳定后,C所带的电荷量为Q2。Q1与Q2的比值为(　　) A. B. C. D. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 C 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 由于电池的内阻可以忽略,所以路端电压U不变。当开关S断开且电流稳定时,可等效为图甲所示电路,所以C两端的电压与其并联的电阻两端的电压相等,根据串并联电路中电压的分配关系可知,电容器两端的电压为;闭合开关S,电流再次稳定后,可等效为图乙所示电路,同理可知,C两端的电压为。根据Q=CU可得Q1与Q2的比值为==,故选项C正确。 9.在如图所示的电路中,电源电动势E=9 V,内阻r=2 Ω,定值电阻R1=6 Ω, R2=10 Ω,R3=6 Ω,电容器的电容C=10 μF。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (1)保持开关S1、S2闭合,求电容器所带的电荷量; 答案:(1)3×10-5 C　 (1)保持开关S1、S2闭合,则电容器两端的电压UC=UR1=R1=×6 V=3 V 电容器所带的电荷量为Q=CUC=10×10-6×3 C=3×10-5 C。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (2)保持开关S1闭合,将开关S2断开,求断开开关S2后流过电阻R2的电荷量。 答案: (2)6×10-5 C (2)保持开关S1闭合,将开关S2断开后,电路稳定时电容器两端的电压等于电源电动势,此时电容器上的电荷量Q'=CE=10×10-6×9 C=9×10-5 C,而流过R2的电荷量等于电容器C上电荷量的增加量,QR2=ΔQ=Q'-Q=9×10-5 C-3×10-5 C=6×10-5 C。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 10.在如图所示的电路中,电源电动势E=10 V,内阻r=0.5 Ω,电动机的电阻R0=1.0 Ω,定值电阻R1=1.5 Ω。电动机正常工作时,理想电压表的示数U1=3.0 V。求: 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (1)电源总功率; 答案:(1)20 W　 (1)已知电压表的示数U1=3.0 V和定值电阻R1=1.5 Ω,根据欧姆定律可求出电路中的电流 I==2.0 A 电源的总功率P总=EI=20 W。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (2)电源的输出功率; 答案: (2)18 W　 (2)电源的输出功率P出=EI-I2r=18 W。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 (3)电动机消耗的电功率以及将电能转化为机械能的功率。 答案: (3)12 W　8 W (3)根据闭合电路的欧姆定律,电动机两端的电压U2=E-U1-Ir=6 V 电动机消耗的电功率P电=U2I=12 W 电动机将电能转化为机械能的功率,就是电动机的输出功率,P机=U2I-I2R0=8 W。 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 [C组　培优选做练] 11.(多选)(2024·福建福州期末)在如图所示的电路中,E为电源,其内阻为r,V为理想电压表,L为阻值恒为2r的小灯泡,定值电阻R1的阻值恒为r,R3为半导体材料制成的光敏电阻(光照越强,电阻越小),电容器两极板处于水平状态,闭合开关S,电容器中心P点有一带电小球处于静止状态,电源负极接地,则下列说法正确的是(　　) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 A.若将R2的滑片上移,则电压表的示数变小 B.若突然将电容器上极板上移,则电压表的示数变小 C.若光照变强,则小球会向上运动 D.若光照变强,则A、B间电路的功率变大 答案:BD 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 由于电容器在直流电路中相当于断路,所以当电路 稳定时,R2相当于导线,将R2的滑片上移时,电压表的 示数保持不变,故A错误;若突然将电容器上极板上移, 则电容器的电容减小,电容器板间电压不变,根据Q=CU可知,电容器极板上的电荷量将减小,电容器放电,放电电流方向与电源流经R1的电流方向相反,使得流经R1的电流减小,从而电压表的示数变小,故B正确;若光照变强,光敏电阻R3减小,通过小灯泡的电流变大,电容器两端电压为U=E-I(r+R1),I变大,则U变小,即电容器两板间的电压变小,场强变小,小球所受的电场力变小,因此小球要向下极板运动,故C错误;当外电阻等 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 于内电阻时,此时电源输出功率最大,将R1看成电源的内阻,由于等效电源的外电阻大于内电阻,若光照变强,光敏电阻R3减小,外电阻变小,所以等效电源的输出功率变大,即A、B间电路的功率逐渐变大,故D正确。 12.在如图所示的电路中,电源电动势E=8 V,内阻r=2 Ω,电阻R2=6 Ω,电容为1 μF的平行板电容器水平放置且下极板接地。当滑动变阻器R1的滑片处于b端时,有一带电油滴位于板间正中央P点且恰好处于静止状态。下列说法正确的是(　　) A.此时P点电势为6 V B.电容器上极板所带电荷量为6×10-6 C C.若仅将电容器上极板缓慢上移少许,则P点电势不变 D.若仅将滑片从b端向a端缓慢移动少许,则油滴将向下移动 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 B 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 当滑动变阻器R1的滑片处于b端时,由闭合电路的欧姆定律可知,路端电压U=E=6 V,电容器两极板间的电势差为6 V,又有下极板接地,故下极板电势为零,P点电势为U=3 V,故A错误;电容器上极板所带电荷量Q=CU=1×10-6×6 C=6×10-6 C,故B正确;向上移动电容器上极板,电容器两端电势差不变,又有两极板间距离增大,故电场强度减小,又有P点到下极板的距离不变,故电势差减小,P点电势降低,故C错误;滑片从b端向a端移动,则外电路电阻增 大,路端电压增大,故两极板间电势差增大,极板间场强增大,油 滴受到的电场力增大,油滴受重力和电场力作用,又由开始时 油滴静止可知,电场力方向向上,移动滑片后油滴合外力方向 向上,故油滴向上运动,故D错误。 $$