第5章 素养拓展课(三) 闭合电路欧姆定律的综合应用（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（粤教版2019）

素养拓展课(三)　闭合电路欧姆定律的综合应用 [对应学生用书P109] 拓展点一　闭合电路的动态分析 闭合电路中如果某个电阻发生变化(或开关通断)就会引起其他各部分电压、电流(或灯泡明暗)的变化．处理这类问题有三种常用方法： 1．程序判断法 遵循“部分→整体→部分”的思路，按照以下步骤分析： (1)明确局部电阻的变化． (2)由局部电阻的变化可知外电路总电阻R的变化． (3)运用I总＝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)运用部分电路欧姆定律定性分析各支路相关量变化． 2．“串反并同”结论法：所谓“串反”是指某一电阻增大时，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；反之都将增大． 所谓“并同”是指某一电阻增大时，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；反之都将减小．即：←R↑→ 3．特殊值法：指因滑动变阻器滑片滑动引起电路变化的问题，可将滑动变阻器的滑片滑至最左端、最右端和正中间分别进行分析，并比较．从而使问题得以简化，一般用于滑动变阻器两部分在电路中都有电流时的讨论． 在如图所示的电路中，电源电动势为E、内阻为r，R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，电压表V和电流表A为理想电表．在滑动变阻器滑片P自a端向b端滑动的过程中，下列说法正确的是(　　) A．电压表示数减小 B．电流表示数减小 C．R2两端的电压减小 D．R3两端的电压增大 C　[滑片P自a端向b端滑动的过程中，滑动变阻器连入电路中的电阻减小，电路总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可得，干路电流增大，由UR1＝IR1可知R1两端电压即电压表的示数变大，A错误；由U＝E－Ir可知路端电压U减小，由UR2＝U－UR1可得R2两端的电压减小，由图可知R2和R3并联，R3两端的电压也减小，C正确，D错误；又由I2＝可得流过R2的电流变小，在干路电流增大的情况下，流过R3的电流增大，即电流表的示数将变大，B错误．] [训练1]　(多选)某汽车的电源与启动电机、车灯连接的简化电路如图所示．当汽车启动时，开关S闭合，电机工作，车灯突然变暗，此时(　　) A．车灯的电流变小　　　　　 B．路端电压变小 C．电路的总电流变小 D．电源的总功率变大 ABD　[汽车启动时，车灯变暗，I灯减小，U灯减小，路端电压变小，则总电流变大，A、B对，C错．由P＝IE知电源的总功率变大，D对．] [训练2]　(多选)如图所示，闭合开关S并调节滑动变阻器滑片P的位置，使L1、L2、L3三灯亮度相同．若继续将P向下移动，则三灯亮度变化情况为(　　) A．L1灯变亮　　　　　 B．L2灯变亮 C．L2灯变暗 D．L3灯变亮 ACD　[将滑动变阻器滑片P向下移动时，接入电路的电阻减小，外电路总电阻减小，根据闭合电路欧姆定律得知，总电流IL1增大，则L1灯变亮．并联部分的电压U并＝E－IL1(RL1＋r)，E、RL1、r不变，IL1增大，U并减小，IL2减小，L2灯变暗．通过L3灯的电流IL3＝IL1－IL2，IL1增大，IL2减小，则IL3增大，L3灯变亮．综上可知，A、C、D正确．] 拓展点二　含容电路 电容器是一种能储存电荷与电能的元件．在直流电路中，当电容器充、放电时，电路中会有电流通过，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．如果直流电路中含有电容器，分析步骤具体如下： (1)简化电路：当电路稳定时，电容器所在的电路可看作断路，简化电路时可以将电容器及与电容器串联的所有元件去掉． (2)分析、计算电容器电压：确定电容器与哪个电阻并联，该电阻两端的电压与电容器两端的电压相等，根据电路公式计算出电阻两端的电压即可． (3)计算电荷量：分别算出变化前后电容器的电压，然后根据Q＝CU或ΔQ＝CΔU计算电容器上电荷量的变化． (4)电容器中的动力学问题：计算出电容器两端的电压后，应用公式E＝得出电容器两极板间的电场强度，进而根据牛顿第二定律、动能定理等方法确定带电粒子在电容器中的运动状态． 如图所示的电路中，电源电动势为E，内阻为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可以正常发光，当滑动变阻器的滑片向右移动时，下列判断正确的是(　　) A．路端电压变小 B．灯泡L将变亮 C．电容器C的电荷量将增大 D．R0中有由右向左的电流 C　[当滑动变阻器的滑片向右移动时，滑动变阻器接入电路的电阻增大，外电阻增大，电路中电流减小，路端电压增大，A错误；电路中电流减小，灯泡L的功率减小，灯泡变暗，B错误；电容器两端的电压等于路端电压，其电压增大，根据Q＝CU可知，电容器C的电荷量将增加，C正确；电容器的电荷量增加，电容器充电，则经过R0的电流为由左向右，D错误．] [训练3]　(多选)如图所示，R1、R2、R3、R4均为可变电阻，C1、C2均为电容器，电源的电动势为E，内阻r≠0.若改变四个电阻中的一个阻值，则(　　) A．减小R1，C1、C2所带的电荷量都增加 B．增大R2，C1、C2所带的电荷量都增加 C．增大R3，C1、C2所带的电荷量都增加 D．减小R4，C1、C2所带的电荷量都增加 BD　[减小R1，C1两端的电压不变，C2两端的电压不变，C1、C2所带的电荷量都不变，选项A错误；增大R2，C1、C2两端电压都增大，C1、C2所带的电荷量都增加，选项B正确；增大R3，C1两端的电压减小，C2两端的电压增大，C1所带的电荷量减小，C2所带的电荷量增加，选项C错误；减小R4，C1、C2两端的电压都增大，C1、C2所带的电荷量都增加，选项D正确．] [训练4]　如图所示电路中，R1和R2是两个滑动变阻器，电源的内阻不可忽略．开关S闭合后，灯泡L正常发光，平行板电容器之间的带电油滴处于静止状态，则(　　) A．仅将R1的滑片向右移动，油滴会向上运动 B．仅将R2的滑片向左移动，灯泡L会变亮 C．仅将R1的滑片向右移动，路端电压变小 D．仅将R2的滑片向左移动，电源的功率变小 B　[A、C错：仅将R1的滑片向右移动时，R1减小，但R1的支路中含有电容器，相当于断路，对电路没有影响，所以油滴仍处于静止状态，路端电压不变．B对，D错：仅将R2的滑片向左移动，R2接入电路的电阻变小，总电阻变小，总电流变大，所以灯泡L会变亮，电源的功率P＝EI变大．] 拓展点三　闭合电路的功率问题 1．电源的总功率 (1)任意电路：P总＝IE＝IU外＋IU内＝P出＋P内． (2)纯电阻电路：P总＝I2(R＋r)＝. 2．电源内部消耗的功率：P内＝I2r＝IU内＝P总－P出． 3．电源的输出功率 (1)任意电路：P出＝IU＝IE－I2r＝P总－P内． (2)纯电阻电路： 由P出＝UI＝I2R＝＝. 此式可看出，当R＝r时，P出有最大值，即Pm＝. P出与外电阻R的函数关系可用如图所示图像表示，由图像可以看出： ①当R＝r时，输出功率最大，Pm＝. ②当R“接近”r时，P出增大，当R“远离”r时，P出减小． ③当P出<Pm时，每个输出功率对应两个可能的外电阻R1和R2，且R1R2＝r2. 如图所示，电路中电池的电动势E＝5 V，内阻r＝10 Ω，固定电阻R＝90 Ω，R0是可变电阻，在R0从0增大到400 Ω的过程中． (1)可变电阻R0为多少时消耗的功率最大？该最大功率是多少？ (2)求电池的内阻r和固定电阻R消耗的最小功率之和； (3)R0调到多少时R消耗的功率最大？ 解析　(1)可变电阻R0消耗的功率 P0＝2R0＝ 由上式知，R0＝R＋r＝(90＋10) Ω＝100 Ω时，P0最大，其最大值P0max＝ W. (2)当电流最小时，电阻r和R消耗的功率最小，此时R0为400 Ω，内阻r和固定电阻R上消耗的最小功率之和为 Pmin＝2(R＋r)＝2×(90＋10) W＝ W. (3)当R0＝0时，电路中的总电阻最小，电流最大，此时R消耗的功率最大，即 PRm＝2R＝×90 W＝ W. 答案　(1)100 Ω　 W　(2) W　(3) W [训练5]　(多选)直流电路如图所示，在滑动变阻器的滑片P向右移动时，电源的(　　) A．总功率一定减小 B．效率一定增大 C．内部损耗功率一定减小 D．输出功率一定先增大后减小 ABC　[滑动变阻器的滑片P向右移动时，滑动变阻器连入电路部分的阻值变大，因此总电流减小，由P总＝IE可知电源的总功率减小，选项A正确．滑动变阻器连入电路部分阻值变大，路端电压变大，由η＝可知电源的效率增大，选项B正确．内部损耗功率为P内＝I2r，电流减小，因此内部损耗功率减小，选项C正确．电源输出功率为外电阻消耗功率，但外电阻与内阻的大小关系未知，因此不能判断输出功率的变化情况，选项D错误．] [训练6]　如图所示的电路中，电源的电动势E＝9.0 V，内阻r＝2.0 Ω，固定电阻R1＝1.0 Ω，R2为可变电阻，其阻值在0～10 Ω范围内调节．当R2＝________时，R1消耗的电功率最大；当R2＝________时，R2消耗的电功率最大． 解析　电源的输出功率P＝2R＝，当R＝r时，输出功率最大． 电源输出功率随外电阻变化的图线如图所示． 因R1是定值电阻，根据P＝I2R，当电流I＝最大时，即R2＝0时，R1消耗的电功率最大．欲使R2消耗的电功率最大，可将R1＋r看成电源的等效内阻，应用上面的结论，当R2＝R1＋r时，R2消耗的电功率最大． 答案　0　3.0 Ω 学科网（北京）股份有限公司 $$