内容正文:
第2课时 闭合电路的欧姆定律及应用
目标要求 1.了解电动势的物理意义,理解并掌握闭合电路的欧姆定律。2.会用闭合电路欧姆定律分析电路的动态变化。3.会计算涉及电源的电路功率。4.掌握路端电压和电流的关系及电源的U-I图像。
考点一 闭合电路欧姆定律
1.电源
(1)电动势
①定义:非静电力所做的功与所移动的电荷量的比值,E=;
②物理含义:电动势表示电源把其他形式的能转化成电势能本领的大小,在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压。
(2)内阻:电源内部导体的电阻。
2.闭合电路欧姆定律
(1)内容:闭合电路的电流跟电源的电动势成正比,跟内、外电路的电阻之和成反比;
(2)公式:I=(只适用于纯电阻电路);
(3)其他表达形式
①电势降落表达式:E=U外+U内或E=U外+Ir;(适用于任意电路)
②功率表达式:EI=UI+I2r。
3.路端电压与外电阻的关系
(1)一般情况:U=IR=·R=,当R增大时,U增大;
(2)特殊情况:
①当外电路断路时,I=0,U=E;
②当外电路短路时,I短=,U=0。
4.总电阻变化的几种情况
(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)在如图甲所示分压电路中,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)在一个定值电阻R和一个可变电阻R0组成的如图乙所示的电路中,两支路电阻越趋于相等,乙图中电路电阻越大,两支路电阻相等时,乙图中电路电阻最大。
1.电动势的大小反映了电源把电能转化为其他形式的能的本领强弱。( × )
2.非静电力做功越多,电源电动势越大。( × )
3.电源的重要参数是电动势和内阻。电动势由电源中非静电力的特性决定,与电源的体积无关,与外电路无关。( √ )
4.在电源电动势及内阻恒定的闭合电路中,外电阻越大,路端电压越大。( √ )
例1 用图示电路测量电池的电动势和内阻,将两个阻值分别为12 Ω和20 Ω的定值电阻连入电路中,当开关S从位置1切换到位置2时,发现电流表示数变为原来的1.5倍。则( )
A.R1=20 Ω,r=4 Ω B.R2=12 Ω,E=24 V
C.R1=12 Ω,r=2 Ω D.R2=20 Ω,E=12 V
答案 A
解析 当开关S从位置1切换到位置2时,发现电流表示数变为原来的1.5倍,则R1=20 Ω,R2=12 Ω,根据E=I(R1+r),E=1.5I(R2+r)得r=4 Ω,电源电动势无法得出,故A正确。
例2 在如图所示的电路中,E为电源电动势,r为电源内阻,R1和R3均为定值电阻,R2为滑动变阻器。当R2的滑动触头在a端时闭合开关S,此时三个理想电表A1、A2和 V的示数分别为I1、I2和U。现将R2的滑动触头向b端移动,则三个电表示数的变化情况是( )
A.I1增大,I2不变,U增大
B.I1减小,I2增大,U减小
C.I1增大,I2减小,U增大
D.I1减小,I2不变,U减小
答案 B
解析 当R2的滑动触头向b端移动时,R2接入电路的阻值减小,R1、R2并联后的阻值减小,外电阻减小,总电流增大,内电压增大,外电压U减小,R3两端的电压增大,R1、R2并联部分的电压减小,流过R1的电流I1减小,但总电流增大,因此I2增大,选项B正确。
电路动态分析的方法
1.程序法
2.“串反并同”结论法
(1)所谓“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)所谓“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。
3.极限法
解决因滑动变阻器滑片滑动而引起电路变化的问题,可将滑动变阻器的滑片分别滑至两个极端,使电阻最大或电阻为零去讨论。
例3 如图所示,电源电动势E=6 V,内阻r=1 Ω,R0=3 Ω,R1=7.5 Ω,R2=3 Ω,R3=
2 Ω,电容器的电容C=2 μF。开始时开关S处于闭合状态,则下列说法正确的是( )
A.开关S闭合时,电容器上极板带正电
B.开关S闭合时,电容器两极板间电势差是3 V
C.将开关S断开,稳定后电容器极板所带的电荷量是3.6×10-6 C
D.将开关S断开至电路稳定的过程中通过R0的电荷量是9.6×10-6 C
答案 D
解析 开关S闭合时的等效电路图如图甲所示,电容器C两端电压等于R3两端电压U3,已知电路总电阻R=+r=4 Ω,由闭合电路欧姆定律可知干路电流I==1.5 A,路端电压U=E-Ir=4.5 V,则U3=U=1.8 V,此时电容器所带电荷量Q1=CU3=3.6×
10-6 C,且上极板带负电,下极板带正电,故A、B错误;
开关S断开时的等效电路图如图乙所示,稳定后电容器C两端电压等于R2两端电压U2,此时U2=R2=3 V,电容器所带电荷量Q2=CU2=6×10-6 C,且上极板带正电,下极板带负电,故通过R0的电荷量Q=Q1+Q2=9.6×10-6 C,故C错误,D正确。
含容电路的分析
1.电路简化
把电容器所在的支路稳定时视为断路,简化电路时可以去掉,求电荷量时再在相应位置补上。
2.电容器两端的电压
(1)电容器所在的支路中没有电流,与之串联的电阻两端无电压,相当于导线。
(2)电容器两端的电压等于与之并联的电阻两端的电压。
3.电容器的电荷量及变化
(1)电路中电流、电压的变化可能会引起电容器的充、放电。若电容器两端电压升高,电容器将充电;若电压降低,电容器将通过与它连接的电路放电。
(2)如果变化前后极板带电的电性相同,通过所连导线的电荷量为|Q1-Q2|。
(3)如果变化前后极板带电的电性相反,通过所连导线的电荷量为Q1+Q2。
考点二 电源的功率及效率
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:P出=I2R=。
4.电源的效率
(1)任意电路:η=×100%=×100%。
(2)纯电阻电路:η=×100%。
5.纯电阻电路中电源的最大输出功率(如图)
P出=UI=I2R=R=
=。
当R=r时,电源的输出功率最大,为Pm=。
由P出与外电阻R的关系图像可知:
①当R>r时,随着R的增大输出功率越来越小。
②当R<r时,随着R的增大输出功率越来越大。
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,且有R1=R2,得R1·R2=r2。
6.提高纯电阻电路效率的方法
η=×100%=×100%=×100%,R越大,η越高。
1.外电阻越大,电源的输出功率越大。( × )
2.电源的输出功率越大,电源的效率越高。( × )
3.路端电压增大时,电源的输出功率一定变大。( × )
例4 (多选)如图所示,电源电动势E=10 V、内阻r=1 Ω,电动机M的内阻R0=4 Ω,闭合开关S后,标有“8 V 12 W”的灯泡恰能正常发光,则( )
A.图中理想电流表示数为1 A
B.电源的输出功率为16 W
C.10 s内电动机产生的热量为10 J
D.电动机的机械功率为4 W
答案 BC
解析 标有“8 V 12 W”的灯泡恰能正常发光,则外电路并联部分的电压为8 V,由闭合电路的欧姆定律有I==2 A,即干路电流为2 A,理想电流表的示数为2 A,故A错误;电源的输出功率为P出=EI-I2r=16 W,故B正确;正常发光的灯泡中的电流为IL==1.5 A,故流过电动机的电流为IM=I-IL=0.5 A,则电动机的机械功率为P机=UIM-IM2R0=3 W,故D错误;10 s内电动机产生的热量为Q=IM2R0t=10 J,故C正确。
例5 如图甲所示的电路,其中电源电动势E=6 V,内阻r=2 Ω,定值电阻R=4 Ω,已知滑动变阻器消耗的功率P与其接入电路的阻值RP的关系如图乙所示。则下列说法中正确的是( )
A.图乙中滑动变阻器的最大功率P2=2 W
B.图乙中R1=6 Ω,R2=12 Ω
C.滑动变阻器消耗功率P最大时,定值电阻R消耗的功率也最大
D.调整滑动变阻器RP的阻值,可以使电源的输出电流达到2 A
答案 B
解析 由闭合电路欧姆定律的推论可知,当电路外电阻等于内阻r时,输出功率最大,最大值为Pm=,把定值电阻看成电源内阻的一部分,由题图乙可知,当RP=R1=R+r=6 Ω时,滑动变阻器消耗的功率最大,最大功率为P2==1.5 W,A错误;滑动变阻器的阻值为3 Ω时与阻值为R2时消耗的功率相等,有()2×3 Ω=()2R2,解得R2=12 Ω,B正确;当回路中电流最大时,即RP=0时,定值电阻R消耗的功率最大,C错误;当滑动变阻器RP的阻值为0时,电路中电流最大,最大值为Im== A=1 A,则调整滑动变阻器RP的阻值,不可以使电源的输出电流达到2 A,D错误。
等效电源
把含有电源、电阻的部分电路等效为新的“电源”,其“电动势”“内阻”如下:
(1)两点间断路时的电压等效为电动势E′。
(2)两点短路时的电流为等效短路电流I短′,等效内电阻r′=。
常见电路等效电源如下:
考点三 两种U-I图像的比较和应用
电源的U-I图像与电阻的U-I图像比较
电源U-I图像
电阻U-I图像
图形
物理意义
电源的路端电压随电路中电流的变化关系
电阻两端的电压随电阻中电流的变化关系
截距
与纵轴交点表示电源电动势E,与横轴交点表示电源短路电流
过坐标原点,表示电流为零时电阻两端的电压为零
图线斜率的绝对值
电源内阻r
电阻大小(电阻为纯电阻)
图线上每一点坐标的乘积UI
表示电源的输出功率
表示电阻消耗的功率
图线上每一点对应的U、I比值
表示外电阻的大小,不同点对应的外电阻大小不同
表示电阻的大小,每一点对应的比值均等大
思考 在同一坐标系中画出电源的U-I图像与电阻的U-I图像,两图像的交点有何含义?
答案 两图像的交点表示电阻的实际工作点,即交点的纵坐标表示实际工作电压,横坐标表示实际工作电流,乘积表示实际功率。
例6 (2024·浙江衢州市江山中学开学考)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U-I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(5,3.75)、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.电源1与电源2的内阻之比是3∶2
B.电源1与电源2的电动势之比是3∶2
C.在这两种连接状态下,小灯泡的电阻之比是1∶2
D.在这两种连接状态下,小灯泡消耗的功率之比是7∶10
答案 A
解析 电源1与电源2的电动势为U-I图线的纵截距,即E1∶E2=10∶10=1∶1,电源1与电源2的内阻为U-I图线斜率的绝对值,即r1∶r2=∶=3∶2,故A正确,B错误;该小灯泡分别与电源1、电源2单独连接时,其U-I图线的交点的横、纵坐标即为电路中干路电流和路端电压,有R1= Ω=0.75 Ω,R2= Ω,所以在这两种连接状态下,小灯泡的电阻之比是R1∶R2=9∶10,故C错误;根据P=UI可得,在这两种连接状态下,小灯泡消耗的功率之比是P1∶P2=(3.75×5)∶(5×6)=5∶8,故D错误。
课时精练
1.电源的效率定义为外电路电阻消耗的功率与电源的总功率之比。直线A、B和C分别是电源a、电源b和电阻R的U-I图线。将这个电阻R分别接到a、b两电源上,那么( )
A.电源a、b电动势一样大,b内阻较大
B.R接到电源a上,电路中的电流较小
C.R接到电源b上,电源的输出功率较大
D.R接到电源b上,电源效率较高
答案 A
解析 由电源的U-I图线可知,纵截距表示电动势,斜率的绝对值表示内阻,故电源a、b电动势一样大,b内阻较大,A正确;当电源与电阻直接相连时,电源和电阻的U-I图线交点表示该电阻的工作状态,其横坐标表示电路中的电流,故R接到电源a上,电路中的电流较大,B错误;
由P=UI可知,电源和电阻的U-I图线交点横、纵坐标乘积(矩形面积)表示电源的输出功率,如图所示,可知R接到电源a上,电源的输出功率较大,电源的效率可表示为η=×100%=×100%,当R接到电源a上,路端电压U较大,电源效率较高,C、D错误。
2.(2023·浙江湖州市统考)如图所示,电源电动势、内阻保持不变,灯泡L(不考虑阻值变化)与定值电阻R1串联,R2是电阻箱,闭合开关S,逐渐增大电阻箱R2接入电路的阻值,下列说法正确的是( )
A.路端电压减小
B.电阻R1两端的电压增大
C.电阻箱R2的电流增大
D.灯泡L的电功率减小
答案 B
解析 当增大电阻箱R2接入电路的阻值时,电路的总电阻R增大,干路电流I减小,根据路端电压U=E-Ir,因其他量不变,路端电压U增大,故A错误;路端电压U增大,则灯泡L与定值电阻R1串联的总电压增大,流过L与定值电阻R1的电流增大,灯泡L的电功率增大,定值电阻R1两端的电压增大,故B正确,D错误;流过灯泡L与定值电阻R1的电流增大,而干路电流I减小,则流过电阻箱R2的电流减小,故C错误。
3.(2023·浙江金丽衢十二校、七彩阳光等校联考)如图所示的电路,R1、R2、R3是定值电阻,R4是滑动变阻器,电源内阻不可忽略。闭合开关,在电路稳定后,将滑动变阻器的滑动触头由中点向上移动的过程中,下列说法正确的是( )
A.理想电压表示数变小
B.电流从上往下通过R3
C.电源的输出功率变小
D.通过R2的电流变大
答案 B
解析 滑动触头由中点向上移动的过程中,R4变大,总电阻变大,所以理想电压表示数变大,通过的R2电流减小,A、D错误;电容器两端电压增大,所以要充电,电流从上往下通过R3,B正确;因电源内阻大小不确定,电源的输出功率大小变化无法判断,C错误。
4.(多选)安装了感光系统的新型路灯,能根据环境明暗程度自动调节灯光亮度。某兴趣小组为了研究路灯的感光系统,设计了甲、乙两个电路,如图所示。Rt为光敏电阻(光照越强,电阻越小),R0与R1为定值电阻,下列说法正确的是( )
A.环境变暗时,甲电路的灯泡亮度变亮
B.环境变暗时,乙电路的灯泡亮度变亮
C.环境变亮时,甲电路的R1电功率减小
D.环境变亮时,乙电路的R1电功率增大
答案 AD
解析 设电源内阻为r,题图甲中,当环境变暗时,Rt阻值变大,电路总电阻变大,干路电流减小,根据闭合电路欧姆定律UL=E-I(R0+r),可知灯泡两端电压变大,灯泡亮度变亮;当环境变亮时,Rt阻值变小,电路总电阻变小,干路电流增大,根据闭合电路欧姆定律可知灯泡两端电压变小,流过灯泡的电流变小,由于通过干路的总电流增大,故流过R1的电流I1增大,根据P1=I12R1可知R1电功率增大,故A正确,C错误;题图乙中,当环境变暗时,Rt阻值变大,电路总电阻变大,干路电流减小,因为R1的阻值和灯泡的阻值不变,故流过灯泡的电流减小,灯泡变暗;当环境变亮时,Rt阻值变小,电路总电阻变小,干路电流增大,流过R1的电流变大,电功率增大,故B错误,D正确。
5.如图所示电路中,由于某处出现了故障,导致电路中的A、B两灯变亮,C、D两灯变暗,故障可能是( )
A.R1短路 B.R2断路
C.R2短路 D.R3短路
答案 D
解析 A灯在干路上,A灯变亮,说明电路中总电流变大,由闭合电路欧姆定律可知电路的外电阻减小,这就说明电路中只会出现短路而不会出现断路,选项B错误;因为短路部分的电阻变小,分压作用减小,与其并联的用电器两端的电压减小,C、D两灯变暗,A、B两灯变亮,这说明发生短路的电阻与C、D两灯是并联的,而与A、B两灯是串联的。观察电路中电阻的连接形式,只有R3短路符合条件,故选项A、C错误,D正确。
6.如图为某一电源的路端电压U与干路电流I之间的关系图像,由图可知( )
A.电源的电动势为2.0 V
B.电源的短路电流为0.4 A
C.电源最大功率为0.8 W
D.电源外电路接一滑动变阻器时,调节滑动变阻器的阻值,电源最大输出功率为0.2 W
答案 A
解析 由题图可知,电源的电动势为2.0 V,选项A正确;电源的内阻为r=||= Ω=3.75 Ω,短路电流为I== A≈0.53 A,选项B错误;电源的功率P=IE,当电流最大时功率最大,最大电流为0.53 A,则最大功率为P=2.0×0.53 W=1.06 W,选项C错误;电源外电路接一滑动变阻器时,调节滑动变阻器的阻值,当滑动变阻器的电阻等于电源内阻时电源输出功率最大,则电源最大输出功率为Pm== W≈0.27 W,选项D错误。
7.(多选)某同学将一直流电源的总功率PE、电源内部的发热功率Pr和输出功率PR随电流I变化的图线画在了同一坐标系中,如图中的a、b、c所示。以下说法正确的是( )
A.在a、b、c三条图线上分别取横坐标相同的A、B、C三点,这三点的纵坐标一定满足关系PA=PB+PC
B.b、c图线的交点(坐标原点除外)与a、b图线的交点(坐标原点除外)的横坐标之比一定为1∶2,纵坐标之比一定为1∶4
C.电源的最大输出功率Pm=9 W
D.电源的电动势E=3 V,内阻r=1 Ω
答案 ABD
解析 在a、b、c三条图线上分别取横坐标相同的A、B、C三点,因为直流电源的总功率PE等于输出功率PR和电源内部的发热功率Pr之和,所以这三点的纵坐标一定满足关系PA=PB+PC,故A正确;图线c表示电路的输出功率与电流的关系图线,很显然,最大输出功率小于3 W,故C错误;当内电阻和外电阻相等时,即b、c图线的交点(坐标原点除外)处电源输出的功率最大,此时电流为=,输出功率为,a、b图线的交点(坐标原点除外)表示电源的总功率PE和电源内部的发热功率Pr相等,此时电源短路,所以此时电流为,功率为,所以横坐标之比为1∶2,纵坐标之比为1∶4,故B正确;当I=3 A时,PR=0,说明外电路短路,根据PE=EI知电源的电动势E=3 V,内阻r==1 Ω,故D正确。
8.如图甲所示,闭合开关S,将滑动变阻器的滑片P从一端滑到另一端的过程中,理想电压表 V1、 V2的示数随理想电流表A示数的变化情况如图乙所示,下列说法正确的是( )
A.滑动变阻器的最大阻值为12 Ω
B.电源的电动势为9 V
C.R0=15 Ω
D.电源内阻为3 Ω
答案 A
解析 由题图乙可知R0===3 Ω,当I1=0.5 A时,此时外电路的阻值达到最大,则R外===15 Ω,则滑动变阻器的最大阻值R=R外-R0=12 Ω,故A正确,C错误;由题图乙可得r=1 Ω,根据闭合电路欧姆定律可得E=U1+I1r,解得E=8 V,故B、D错误。
9.(2023·浙江衢州市联考)小明坐在汽车的副驾驶位上看到一个现象:当汽车的电动机启动时,汽车的车灯会瞬时变暗。汽车的电源、电流表、车灯、电动机连接的简化电路如图所示,已知汽车电源电动势为12.5 V,内阻为0.05 Ω。车灯接通电动机未启动时,理想电流表示数为10 A;电动机启动的瞬间,理想电流表示数达到60 A。则电动机启动时,车灯的功率减少了( )
A.22 W B.448 W
C.224 W D.44.8 W
答案 D
解析 电动机未启动时,车灯、理想电流表和电源串联,根据闭合电路欧姆定律可知,此时的路端电压为U=E-Ir=12.5 V-10×0.05 V=12 V,车灯两端电压即路端电压,则车灯的功率为P=UI=12×10 W=120 W,根据欧姆定律可知,车灯的电阻为R==1.2 Ω,电动机启动瞬间,车灯两端电压为U′=E-I′r=12.5 V-60×0.05 V=9.5 V,车灯的功率为P′=≈75.2 W,所以车灯减少的功率为ΔP=P-P′=120 W-75.2 W=44.8 W,故选D。
10.(多选)如图所示的电路中,电源电动势为2 V,内阻r=0.5 Ω,电阻R1=1.5 Ω,电阻R2=2 Ω,电阻R3=3 Ω,滑动变阻器R4接入电路的阻值为2 Ω,电容器的电容C=1.0 μF,电阻R3与电容器间的导线记为d,单刀双掷开关S与触点1连接,下列说法正确的是( )
A.如果仅将R4的滑片向上滑动,R1消耗的功率减小
B.如果仅将R4的滑片向上滑动,电源的输出功率减小
C.如果仅将R4的滑片向上滑动,电容器两极板间的电势差增大
D.若仅将开关S由触点1拨向触点2,流过导线d的横截面的电荷量为1.75×10-6 C
答案 CD
解析 如果仅将R4的滑片向上滑动,接入电路的电阻变小,根据闭合电路欧姆定律可知I1=,则电流变大,所以R1消耗的功率P=I12R1变大,故A错误;电源输出功率和外电阻关系图像如图所示。由题中已知数据可知在滑动变阻器滑片向上滑动过程中,外电阻始终大于内阻,由图像可知当外电阻减小时,电源输出功率增大,故B错误;电容器两端的电压为U1=I1R1,故电容器两极板间的电势差变大,故C正确;开关S与触点1接通,I1′==0.5 A,电容器两端电压U1′=I1′R1=0.75 V,开关S与触点2接通,I2==0.5 A,电容器两端电压U2=I2R4=1 V,但电容器两极板带电性质发生改变,所以流过导线d的横截面的电荷量Q=C(U1′+U2)=1.75×10-6 C,故D正确。
11.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.
答案 C
解析 S断开时等效电路图如图甲所示
甲
电容器两端电压为U1=×R×=E;
S闭合时等效电路图如图乙所示
乙
电容器两端电压为U2=×R=E,
由Q=CU得==,故选项C正确。
12.如图所示,电源的电动势为E,内阻为r,电压表和电流表均为理想电表,电阻RA、RB的阻值与滑动变阻器的最大阻值相等。在滑动变阻器的滑片P从a端滑到b端的过程中,下列说法正确的是( )
A.电压表示数U与电流表示数I的比值不变
B.电流表的示数增大
C.电压表的示数先增大后减小
D.电压表示数变化绝对值ΔU与电流表示数变化绝对值ΔI的比值先增大后减小
答案 C
解析 由电路图可知,电压表示数U与电流表示数I的比值表示的是外电路的总电阻,滑动变阻器的滑片P从a端滑到b端,外电路的总电阻变化,则电压表示数U与电流表示数I的比值变化,A错误;当滑动变阻器的滑片处于中点时,两个并联支路的电阻相等,并联后电阻最大,则滑片P从a端滑到b端的过程中,外电路的总电阻先增大后减小,则电流表示数先减小后增大,电压表示数先增大后减小,B错误,C正确;电压表示数变化绝对值ΔU与电流表示数变化绝对值ΔI的比值为电源的内阻,保持不变,D错误。
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