内容正文:
完成一个小目标,需要一个大智慧!
授课教师:
学习目标
12.2 闭合电路的欧姆定律
(第二、三课时)
5.知道多用电表测量电阻的原理。
4.能根据闭合电路欧姆定律解释路段电压与负载的关系并会应用处理问题
1.掌握闭合电路中的功率、效率问题
2.掌握闭合电路中的动态分析问题
3.学会含电容器电路的问题分析、电路故障判断
1
2. 特点:路端电压随着外电阻的增大而增大,
随着外电阻的减小而减小
U = E ─ Ir
1. 关系:
一、路端电压与负载的关系
I =
U = IR =
U = E ─ Ir
1. 关系:
2. 图像:
(3). 横截距: 短路电流
(4). 斜率的绝对值: 内阻
(2). 纵截距: 电动势 E
I=0 , U=E
R =0 , I短 =
r =| =
(干路电流I , 路端电压U ), R =
(1). 图线上的点:
(5). 面积:
二、路端电压与干路电流的关系
知识回顾
P = UI 为电源的输出功率
学习任务一: 闭合电路中的功率、效率
课堂探究一:电源电动势为E, 内阻为r
(1). 若流过电源的电流为I, 求:
①电源总功率? ②内阻消耗功率? ③电源输出功率?
I 多大时电源的输出功率最大?画出P出—I 图像
(2). 若电源路端电压为U, 流过电源的电流为I,
则电源的输出功率为多少?
(3). 若外电路为纯电阻电路, 且外电阻为R,
则电源的输出功率为多少?
(4). 若外电路为纯电阻电路, 且外电阻为R,
则R 多大时电源的输出功率最大?
(5). 画出P出—R 的大致图像,并分析P出随R 怎样变化?
3
一、电路中的功率
1.电源的总功率
(1)任意电路:P总= = +IU内=P出+P内.
(2)纯电阻电路:P总= =
2.电源内部消耗的功率
P内= =IU内=P总-P出.
IE
IU外
I2(R+r)
I2r
3. 电源的输出功率:
(1). P出=UI = EI-I2r
①当I= 时 , Pm=
②当I < 时, I ↑ 时 P出 ↑
③当I > 时, I ↑ 时 P出 ↓
任何电路都适用
3.电源的输出功率
(1)任意电路:P出= =IE-I2r=P总-P内.
(2)纯电阻电路:P出=I2R=________= .
纯电阻电路中输出功率随R的变化关系
IU
①当R=r 时, Pm=
②当R < r 时, R ↑ 时 P出 ↑
③当R > r 时, R ↑ 时 P出 ↓
④当P出<Pm时, R1R2=r2
评价任务一
【例1】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;
(2)R1上消耗的最大功率;
(3)R2上消耗的最大功率。
E r
R2
R1
解:(1)
=2.25W
(2)当R2=0时,
R1功率最大
PR1=
新电源
(3)当R2=R1+r时,
R2功率最大
Pm=
2R1
PR2=
=1.5W
=
感悟:三种最大功率:
(1)电源的最大输出功率:
E r
R2
R1
(2)定值电阻上消耗的最大功率:
定值电阻的电流最大时,消耗功率最大
(3)可变电阻上消耗的最大功率:
判断可变电阻的功率变化时,可将可变电阻以外的其他电阻均看作内阻,即组成等效内阻,当可变电阻阻值=等效内阻时,可变电阻消耗的功率最大;若不能相等(可变电阻最大值不够大),外电阻越接近内阻时,可变电阻消耗的功率最大。
R=r时电源的输出功率最大,若不能相等,外电阻越接近
内阻时,电源的输出功率越大。
二、等效电源
1.等效内阻: r′ = r +R0
2.等效内阻: r′ =
【例2】 如图所示, 定值电阻R0=24 Ω, 滑动变阻器R的最大阻值为10Ω, 电源电动势E=30V, r=6Ω 。开关S闭合后, 调节滑动变阻器, 当滑动变阻器的电阻值R调到多大时, 电源的输出功率最大?电源的最大输出功率为多少?
8Ω,37.5W
三、闭合电路中的效率
(2). 若外电路为纯电阻电路, 且外电阻为R,
则电源的效率为多少?
(3). 若外电路为纯电阻电路, 且外电阻为R,
则可以怎样提高电源的效率?
1. 任何电路:η = ×100%= ×100%
2. 纯电阻电路:η = ×100%= ×100%
(1). 若电源路端电压为U, 流过电源的电流为I,
则电源的效率为多少?
特别提醒:(1)当电源输出功率最大时(R=r),机械效率η=50%。
当R→∞时,η→100%,但此时P出→0,无实际意义。
故外电路电阻越大,电源的效率越高。 -R图像为:
R
O
1
【例3】如图所示,E=8 V,r=2 Ω,R1=8 Ω,R2为变阻器接入电路中的有效阻值,问:
(1)要使变阻器获得的电功率最大,则R2的取值应是
多大?这时R2的功率是多大?
解析 将R1和电源等效为一新电源,则新电源的电动势E′=E=8 V,内阻r′=r+R1=10 Ω,且为定值.利用电源的输出功率随外电阻变化的结论知,当R2=r′=10 Ω时,R2有最大功率,
答案 10 Ω 1.6 W
(2)要使R1得到的电功率最大,则R2的取值应是多大?R1的最大功率是多少?这时电源的效率是多大?
解析 因R1是定值电阻,所以流过R1的电流越大,R1的功率就越大.当R2=0时,电路中有最大电流,即Imax= =0.8 A,R1的最大功率P1max=Imax2R1=5.12 W这时电源的效率η= ×100%=80%.
答案 0 5.12 W 80%
(3)调节R2的阻值,能否使电源以最大的功率 输出?为什么?
解析 不能.因为即使R2=0,外电阻R1也大于r,不可能有 的最大输出功率.
答案 不能 理由见解析
【例4】(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
√
√
√
解析 滑片P向右移动时外电路电阻R外增大,由闭合电路欧姆定律知总电流减小,由P总=EI可知P总减小,故选项A正确;
由P损=I2r可知,选项C正确;
由P输-R外图象可得,因不知道R外的初始值与r的关系,所以无法判断P输的变化情况,选项D错误.
学习任务二: 闭合电路中的动态分析
动态电路:断开或闭合开关、滑动变阻器的滑片移动、电阻增大或减小,导致电路电压、电流、功率等的变化.
一.判定总电阻变化情况的规律
(1)当外电路的任何一个电阻增大(或减小)时,电路的总电阻一定增大(或减小)
(2)若开关的通、断使串联的用电器增多时,电路的总电阻增大;若开关的通、断使并联的支路增多时,电路的总电阻减小。
(3)在如图所示分压电路中,滑动变阻器可视为由两段电阻构成,其中一段R并与用电器并联,另一段R串与并联部分串联。A、B两端的总电阻与R串的变化趋势一致。
(4)无论电阻怎样连接,每一段电路的总耗电功率P总等于各个电阻的耗电功率之和.
(5)当n个等值电阻R0串联或并联时,R串=nR0,
R并= .
(6)对于如图所示的电路,滑片由a→b滑动的过程中,RAB由0→ →0,即当滑片滑至a、b的中点时,RAB最大且等于 .
R串
B
A
R并
并联
串联
问题一:由变阻器(传感器)控制电路的动态问题.
【例5】在如图所示的电路中,当滑动变阻器的滑片P向右滑动时,回路的总电流、路端电压如何变化?通过R1、R2和滑动变阻器的电流如何变化,它们两端的电压如何变化?
I减小,由U内=I·r得U内减小,路端电压U外增大.
I减小,则R1分压U1=I·R1减小,
又因为U外=U1+U2,所以U2增大.
又因为U2=I2R2,则I2增大,
I=I3+I2,所以I3减小.
因为U3=U2,则U3增大.
总结与归纳
1.分析思路
2.分析依据
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。
整体
局部
局部
变化原因
所在点
R总、I总、U外
各部分
先干路, 后支路
先不变支路,后可变支路
程
序
法
二.闭合电路动态问题的三种分析方法
1.程序法:遵循“局部—整体—局部”的思路
(1)分析电路,明确各部分电路的串、并联关系及电流表或电压表的测量对象;
(2)由局部电阻变化判断总电阻的变化;
(3)由I= 判断总电流的变化;
(4)据U=E-Ir判断路端电压的变化;
(5)由欧姆定律及串、并联电路的规律判断各部分的电压及电流的变化.
方法总结
确定局部电阻的变化
分析总电阻的变化
分析总电流、路端电压的变化
根据并联分流,串联分压,分析固定支路
中的电流、电压变化
方法总结
3.极限法:因变阻器滑片滑动引起电路变化的问题,可将变阻器的滑片分别滑至两个极端,让电阻最大或电阻为零,画等效电路图分析各电学量的变化情况.
①“串反”:即某一电阻增大时,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,反之则增大。
②“并同”:即某一电阻增大时,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,反之则减小。
2.结论法——“串反并同”
方法点拨
1.在闭合电路中,任何一个电阻的增大(或减小),都将引起电路总电阻的增大(或减小),该电阻两端的电压一定会增大(或减小)。
2.理想电压表可认为是断路,理想电流表可认为是短路。
【例6】如图所示的电路中,闭合电键S并调节滑动变阻器滑片P的位置,使A、B、C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.A灯变亮 B.B灯变亮
C.A灯最暗 D.C灯最暗
A
【例7】(多选)在如图所示的电路中,电源的负极接地,其电动势为E、内电阻为r,R1、R2为定值电阻,R3为滑动变阻器, 、 为理想电流表和电压表.在滑动变阻器滑片P自a端向b端滑动的过程中,下列说法中正确的是
A.电压表示数减小
B.电流表示数增大
C.电阻R2消耗的功率增大
D.a点的电势降低
√
√
电路的等效电路图如图所示
方法一:程序法
P由a端向b端滑动时,其阻值减小,则总电阻减小,总电流增大,电阻R1两端电压增大,电压表示数变大,A错误;
电阻R2两端的电压U2=E-I总(R1+r),I总增大,则U2减小,I2= ,I2减小,电流表的示数IA=I总-I2增大,B正确;
由P2=I22R2知P2减小,C错误;Uab=φa-φb=φa=U2,故φa降低,D正确.
方法二:结论法
由于R3减小,R2与R3并联,则U2、I2均减小,由P2=I22R2,知P2减小,C错误;
Uab=U2=φa-φb=φa减小,D正确;
因为R1间接与R3串联,故I1、U1均增大,故电压表示数增大,A错误;
根据IA=I1-I2知IA增大,B正确.
方法三:极限法
设滑片P滑至b点,则R3=0,φa=φb=0,D正确;
R2上电压为零,则功率也为零,C错误;
当R3=0时,总电阻最小,总电流最大,R1上电压最大,故A错误;
由于IA=I1-I2,此时I1最大,I2=0最小,故IA最大,B正确.
问题二:由开关(传感器)控制电路的动态问题.
【例8】(多选)(2021·雨花区期中)如图,E为内阻不能忽略的电池,R1、R2、R3为定值电阻,S0、S为开关,V与A分别为理想电压表与理想电流表.初始时S0与S均闭合,现将S断开,则( )
A.V的读数变小,A的读数变大
B.V的读数变大,A的读数变大
C.流过R1的电流变大,流过R3电流变小
D.流过R1的电流变小,流过R3电流变大
√
√
L2
L1
R
V
A
V1
V2
变小
不变
E
-r
I短
0
U
I
变小
不变
不变
不变
0
U2
I
U2
I
ΔU2
ΔI
思考:电压表和电流表示数的比值(U/I)怎么变化?
问题三:动态电路中的电压、电流的比值问题.
【例9】.(多选)在如图所示的电路中,闭合开关S,当滑动变阻器的滑动触头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,电表示数的变化量分别用ΔI、ΔU1、ΔU2和ΔU3表示.下列说法正确的是( )
√
√
解析:
【例10】如图所示,电源电动势为E,内电阻为r。当滑动变阻器的触片P从右端滑到左端时,发现电流表、电压表V1、V2示数变化量的绝对值分别为ΔI、ΔU1和ΔU2,假设小灯泡电阻不随温度变化而变化,下列说法中正确的是( )
A.ΔU1<ΔU2
B.<
C.小灯泡L1变亮、L2变暗
D.小灯泡L1变暗,L2变亮,电流表示数变小
B
含容电路稳定后:
与容串联当做导线,
与容并联电压相等。
L3
L1
L2
三个灯泡同时亮
L2灭,L1灯泡和L3灯泡亮
电容器的电压等于L1的电压
思考1:开关闭合瞬间,三个灯泡亮暗情况如何?
思考2:当电路闭合稳定后,三个灯泡亮暗情况又如何?
思考3:电容器的电压等于哪个灯泡的电压?
学习任务三: 含电容器电路的分析
1.电路简化
把电容器所处的支路视为断路,简化电路时可以去掉,求电荷量时再在相应位置补上.注意区分电容器的正负极板.
2.电容器的电压
(1)电容器两端的电压等于与之并联的电阻两端的电压.
(2)电容器所在的支路中没有电流,与之串联的电阻无电压,相当于导体.
3.电容器的电量及变化(或ΔQ=CΔU)
(1)利用Q=CU计算电容器初、末状态所带的电量Q1和Q2;
(2)如果变化前后极板带电的电性相同,通过所连导线的电量为Q1-Q2;
(3)如果变化前后极板带电的电性相反,通过所连导线的电量为Q1+Q2.
电容器两端电压变化要充放电 ,有瞬时电流.
【例11】(2016·全国卷Ⅱ·17)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12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( )
√
【例12】如图所示,电路中R1、R2均为可变电阻,电源内阻不能忽略,平行板电容器C的极板水平放置.闭合开关S,电路达到稳定时,带电油滴悬浮在两板之间静止不动.如果仅改变下列某一个条件,油滴仍能静止不动的是( )
A.增大R1的阻值
B.增大R2的阻值
C.增大两板间的距离
D.断开开关S
√
【变式练】如图所示,电源电动势E=10 V,内阻可忽略,R1=4 Ω,R2=6 Ω,C=30 μF,求:(1)S闭合后,稳定时通过R1的电流;(2)S原来闭合,然后断开,这个过程中流过R1的电荷量。
(2)S闭合: UC=U2=IR2=6 V
Q=CUC=1.8×10-4 C
ΔQ=Q′-Q=1.2×10-4 C
S断开:UC′=E=10 V
学习任务四: 对电源U-I 图线的理解和应用
U = E ─ Ir
1. 关系:
2. 图像:
(3). 横截距: 短路电流
(4). 斜率的绝对值: 内阻
(2). 纵截距: 电动势 E
I=0 , U=E
R =0 , I短 =
r =| =
(干路电流I , 路端电压U ), R =
(1). 图线上的点:
(5). 面积:
P = UI 为电源的输出功率
想一想
电路图如图甲所示,若电阻R阻值未知,电源电动势和内阻也未知,电源的路端电压U随电流I的变化图线及外电阻的U-I图线如图乙所示。求:
(1)电源的电动势和内阻;
(2)电源的路端电压;
(3). 图线的交点有什么含义?
(4)电源的输出功率。
(2)由图可知路端电压是3 V。
(3)该电源直接与电阻R连接成闭合电路
(4)电源的输出功率P=UI=3×1 W=3 W。
(1)4 V 1 Ω
纵坐标为电源的电动势
横坐标为短路电流
图线斜率的绝对值为内电阻
图线交点坐标即为工作电流和电压
3.对比:电阻的U-I 图像与电源的U-I 图像
(多选)用如图甲所示的电路来测量电池电动势和内电阻,根据测得的数据作出了如图乙所示的U-I图像,由图可知
A.电池电动势的测量值是1.4 V
B.电池内阻的测量值是3.5 Ω
C.外电路发生短路时的电流为0.4 A
D.电压表的示数为1.2 V,电流表的示数为0.2 A
√
√
思考与讨论
若U-I图像纵轴的取值不是从0开始,纵轴上的截距仍然表示电源的电动势E,图线斜率的绝对值仍然表示电源的内阻,但横轴截距不表示短路电流。
E
U0
0
r =
总结提升
A.电源的电动势为50 V
B.电源的内阻为
C.电流为2.5 A时,外电路的电阻为15 Ω
D.输出功率为120 W时,输出电压是30 V
【例13】(多选)如图所示,图中直线①表示某电源的路端电压与电流的关系图线,图中曲线②表示该电源的输出功率与电流的关系图线,则下列说法正确的是( )
√
√
√
课堂探究: (1). 若将小灯泡接在电动势E=3 V,内阻r=5 Ω的电源两端,
则小灯泡的功率约为多大?
0.42~0.46W
(2). 若将2个相同的小灯泡串联接在该电源两端,
则每个小灯泡的功率约为多大?
(3). 若将2个相同的小灯泡并联联接在该电源两端,
则每个小灯泡的功率约为多大?
0.21~0.25W
0.15~0.18W
【例14】(多选)如图所示,直线Ⅰ、Ⅱ分别是电源1与电源2的路端电压随输出电流变化的特性图线,曲线Ⅲ是一个小灯泡的U-I图线,如果把该小灯泡分别与电源1、电源2单独连接,则下列说法正确的是( )
A.电源1比电源2的内阻大
B.电源1和电源2的电动势相等
C.小灯泡与电源1连接时消耗的功率比与电源2连接
时消耗的功率小
D.小灯泡与电源1连接时消耗的功率比与电源2连接
时消耗的功率大
√
√
√
【例15】(多选)如图所示,直线A为某电源的U—I图线,曲线B为某小灯泡L的U—I图线的一部分,用该电源和小灯泡L串联起来组成闭合回路时灯泡L恰能正常发光,则下列说法中正确的是( )
A.灯泡L的额定电压为2V,额定功率为4W
B.此电源的内电阻为0.5Ω,此时灯泡L的电阻大于1Ω
C.此时电源内阻的热功率为4W
D.把灯泡L换成阻值恒为0.5Ω的纯电阻,
电源的输出功率将增大,但效率降低
AD
【例16】如图所示,直线Ⅰ、Ⅱ分别是电源1与电源2的路端电压随输出电流的变化的特性图线,曲线Ⅲ是一个小灯泡的伏安特性曲线。曲线Ⅲ与直线Ⅰ、Ⅱ相交点的坐标分别为P(5,3.5)、Q(6,5)。如果把该小灯泡分别与电源1、电源2单独连接,则下列说法正确的是( )
A.小灯泡的电阻随着电流的增大而减小
B.电源1与电源2的内阻之比是3∶1
C.在这两种连接状态下,
小灯泡的电阻之比是21∶25
D.在这两种连接状态下,
小灯泡消耗的功率之比是7∶10
C
思考与讨论
试一试:如图所示的电路中,电源的电动势为6 V,当开关S接通后,灯泡L1和L2都不亮,用电压表测得各部分的电压是Uab=6 V,Uad=0,Ucd=6 V,由此可断定 ( )
A.L1和L2的灯丝都烧断了
B.L1的灯丝烧断了
C.L2的灯丝烧断了
D.变阻器R断路
C
你是怎样判断的?
各种故障的特点
1.断路
⑴特点:电流为零,断点的同侧无电势差,若只有一个断点,断点的两端有电势差。
⑵断路的影响
分析方法:断路处视为一个滑动变阻器,其阻值在增大(∞)。
依据程序法或串反并同来分析
学习任务五: 电路故障分析
2.短路
⑴特点:
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,运用欧姆定律进行推理,推理结果若与题述物理现象符合,则故障可能发生在这部分电路。
若不符合,则故障不发生在这部分电路。用这种方法逐段找下去,直至找到发生故障的全部可能为止。
3.分析电路故障思路:
被短路的用电器两端无电压,用电器无电流流过。
⑵断路的影响
分析方法:短路处视为一个滑动变阻器,其阻值在减小(0)。
依据程序法或串反并同来分析
【例17】如图的电路中,闭合电键k后,灯a和b都正常发光, 后来由于某种故障使灯b突然变亮,电压表读数增加,由此推 断这故障可能是 ( )
A.a灯灯丝烧断
B.电阻R2断
C.电阻R2短路
D.电容被击穿短路
B
设电源的电动势为 E,内阻为 r,电流表的电阻为 Rg,可变电阻为 R1,电流表满偏电流为 Ig,欧姆表的总电阻为 RΩ。
欧姆表是在电流表的基础上改装而成的。为了使测量电阻时电流表指针能够偏转,表内应有电源。右图是一个简单的欧姆表电路。
当红、黑表笔直接接触时(相当于被测电阻为 0),电流表指针指在最大值 Ig 处.
根据闭合电路欧姆定律:
当红、黑表笔之间接有待测电阻 Rx 时,电流表指针指在 Ix 处:
根据闭合电路的欧姆定律:
学以致用
学习任务六: 欧姆表的原理
Ig
0 Ω
Ig
50
Ig
150
Ig
450
∞
50 Ω
100 Ω
300 Ω
若RΩ=150 Ω
Ix = Ig 满偏时,Rx= 0
Ix = Ig时,Rx=50 Ω
Ix = Ig时,Rx=150 Ω
Ix = Ig时,Rx=450 Ω
Ix = 时,Rx= ∞
欧姆表的原理
53
欧姆表的原理
欧姆表的刻度特点
(1) 零刻度在右边,左边为无限大。
(2)刻度不均匀,左密右疏。
(3) 中间刻度比较均匀,故当指针指在表盘中间刻度附近时,测量结果比较准确。
欧姆表是粗略测量电阻的一种仪器,
指针在刻度线中间三分之一区间读数相对误差较小。
54
0
5
10
15
Ω
Ω
20
30
40
50
100
200
500
∞
1K
红色箭头:指针偏转过大(电流过大,Rx过小)
蓝色箭头:指针偏转过小(电流过小,Rx过大)
用欧姆表测电阻时,因表盘刻度不均匀,应尽量选择能使指针指在刻度盘中央附近的倍率,此时测量比较精确,通常使被测电阻介于R中~2 R中最好。
换小倍率
换大倍率
不同倍率的简单实现
E1
E2
A
B
1
2
E
1
2
A
B
表头
电池
多用电表电路板
【例18】.用欧姆表测某一电阻,发现指针指在“10Ω”跟“5Ω”的正中间,则该电阻的阻值为( )
A、等于7.5Ω B、大于7.5Ω C、小于7.5Ω D、无法确定
C
【例19】如图所示是一个将电流表改装成欧姆表的示意图,此欧姆表已经调零,用此欧姆表测一阻值为R的电阻时,指针偏转至满刻度4/5处,现用该表测一未知电阻,指针偏转到满刻度的1/5处,
则该电阻的阻值为( )
4R B.5R
C.10R D.16R
D
闭合电路的欧姆定律
电动势
非静电力做功
意义:描述电源把其他形式的能转化为电能的本领
路端电压与负载的关系
电动势
闭合电路的能量转化
内电路
外电路
总电能
能量守恒
闭合电路欧姆定律
闭合电路欧姆定律
路端电压
断路
短路
课堂小结
拓展学习
电阻表
电路的动态分析
电源的输出功率
电阻表的原理
串反并同
程序分析法
结论分析法
整体局部整体
课堂小结
含容电路的分析
电路故障的判断
当R=r时,P出最大
注意:此结论只适用于纯电阻电路
Pm=
R1
R2
O
P出
R
r
Pm
输出功率什么时候最大的另一种证明方法
.
即P2max== W=1.6 W.
根据η=×100%=×100%可知选项B正确;
A. B.
C. D.
Ω
$$