2-1 全电路欧姆定律（课件）《电工基础》上好课（劳动版·第6版)）

《电工基础》(劳动版)第六版 上好课—中职专业课 第二章 简单直流电路的分析 2-1全电路欧姆定律 教学目标 知识目标 1.理解全电路欧姆定律的内容，掌握公式 及变形公式的物理意义。 2.了解电源的内电路、外电路、内阻、电动势的概念。 能力目标 1.能运用全电路欧姆定律进行简单电路的电流、电压、电动势和内阻的计算。 2.能根据电路的三种状态分析实际电路的工作情况，判断电路故障。 情感目标 1.通过认识电路短路的危害，树立安全用电意识和严谨的职业素养。 2.培养学生的逻辑思维能力和解决实际电路问题的能力。 教学引入 它的内部隐藏着怎样的秘密？ 思考：为什么旧电池供电时，手电筒灯泡会变暗？是电池“没电了”吗？这里的“电”在物理学中又代表什么呢？ 新旧电池能量状态对比 教学引入 它的内部隐藏着怎样的秘密？ 初中我们学过部分电路欧姆定律，它描述了电流、电压和电阻之间的基本关系： I = U / R 如果灯泡电阻 R 不变，亮度变暗说明通过的电流 I 变小了，这是直观的现象反馈。 根据欧姆定律推导，电流变小意味着灯泡两端的电压 U 也随之变小，这是理论的必然结果。 思考：为什么电池提供的电压会变小？ 知识讲授——回顾部分电路欧姆定律 定律定义 导体中的电流与导体两端的电压成正比，与导体的电阻成反比。这是电路分析中最基础的定律之一。 I = U / R 适用范围 仅适用于只含有负载而不包含电源的一段电路，这种电路被称为“部分电路”。若电路中包含电源，则需使用全电路欧姆定律。 知识讲授——参考方向的选取 核心定义：电荷的定向移动形成电流 1. 关联参考方向 电压U与电流I的参考方向一致，即电流从电压的正极流入、负极流出。这是电路分析中最常用的设定方式。 公式：I = U / R 2. 非关联参考方向 电压U与电流I的参考方向相反，即电流从电压的负极流入、正极流出。此时需要注意公式中的符号变化。 公式：I = -U / R 知识讲授——电阻的伏安特性 伏安特性曲线 以电压 U 为横坐标，电流 I 为纵坐标，画出的 I-U 关系曲线，直观反映电阻元件的电压与电流关系。 线性电阻 伏安特性曲线是一条过原点的直线，电阻值为常数，遵循欧姆定律，如定值电阻、金属电阻等。 非线性电阻 伏安特性曲线是曲线，电阻值随电压或电流变化不是常数，不遵循 欧姆定律，如白炽灯泡、二极管等。 知识讲授——伏安特性曲线 核心定义：电荷的定向移动形成电流 线性电阻的伏安特性曲线 非线性电阻的伏安特性曲线 知识讲授——全电路的概念 核心定义：电荷的定向移动形成电流 全电路的定义 全电路是指含有电源的闭合电路。在电路分析中，这是一个基础且核心的物理模型，区别于仅包含电阻、电容等元件的部分电路。 电路的组成部分 内电路：电源内部的电路。例如发电机的线圈、电池内部的溶液等，是电能产生的场所。 外电路：电源外部的电路。包括用电器、导线、开关等，是电能消耗和传输的路径。 简单的全电路示意图 知识讲授——全电路的物理量 核心定义：电荷的定向移动形成电流 01 电动势 (E) 定义：衡量电源将非电能转化为电能本领的物理量，反映了电源内部非静电力做功的能力。 符号：E 单位：伏特 (V) 物理意义：电动势在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。 02 内阻 (r) 定义：电源内部导体的电阻，是电源内部结构的固有属性，任何实际电源都存在内阻。 符号：r 单位：欧姆 (Ω) 影响因素：内阻的大小由电源的材料、长度、横截面积和温度决定，通常随温度升高而增大。 知识讲授——全电路的电压 核心定义：电荷的定向移动形成电流 1. 外电压 (Uₑₓₜ) 定义：外电路两端的电压，是电源正负极之间的电势差，也常被称作端电压。其大小反映了外电路负载的用电情况。 Uₑₓₜ = I · R 2. 内电压 (Uᵢₙ) 定义：内电路（即电源内部）两端的电压。是电流流过电源内阻时产生的电压降，其大小与内阻和电流相关。 Uᵢₙ = I · r 知识讲授——电动势与电压的关系 核心定义：电荷的定向移动形成电流 在一个闭合回路中，电源电动势等于外电路电压降与内电路电压降之和。这一关系揭示了电源在电路中提供电能与内阻消耗电能的能量分配规律，是电路分析的核心基础之一。 基础表达式 E = U外+ U内 欧姆定律推导式 E = IR + Ir 知识讲授——全电路欧姆定律 核心定义：电荷的定向移动形成电流 闭合电路中的电流与电源的电动势成正比，与电路的总电阻（内电阻与外电阻之和）成反比。这一规律揭示了电源电动势、内阻、外阻与电路中电流之间的定量关系，是分析闭合电路问题的核心依据。 I = E / (R + r) 其中：I 为电路中的电流，E 为电源电动势，R 为外电路电阻， r 为电源内阻 知识讲授——视频导入 核心定义：电荷的定向移动形成电流 知识讲授——公式解读 核心定义：电荷的定向移动形成电流 I = E / (R + r) 电源电动势 E 描述电源将其他形式的能转化为电能的本领，是电源的固有属性。 外电路电阻 R 指外电路中所有用电器和导线的总电阻，是电路的外部负载。 电源内阻 r 电源内部导体的电阻，电池用旧后该阻值通常会显著增大。 总电流 I 由闭合电路的欧姆定律决定，是整个回路中流动的电流强度。 知识讲授——全电路欧姆定律的变形 核心定义：电荷的定向移动形成电流 1. 求电动势 E E = IR + Ir E = U外+ U内 反映了电源电动势等于外电路和内电路电势降落之和 2. 求端电压 U外 U外= E - Ir 路端电压等于电源电动势减去内电路的电势降落，也随电流增大而减小 3. 求外电阻 R R = (E / I) - r 已知电源电动势、总电流和内阻时，可通过此式计算外电路总电阻 知识讲授——电路中的功率平衡 核心定义：电荷的定向移动形成电流 将闭合电路欧姆定律公式 E = IR + Ir 两边同乘以电流 I，我们可以推导出电路中的功率关系： EI = I²R + I²r 知识讲授——电源的外特性 核心定义：电荷的定向移动形成电流 电源端电压 U 随负载电流 I 变化的关系特性，反映了电源在带负载运行时的输出能力变化规律。 U = E - Ir 特性曲线 • 横坐标为负载电流 I，纵坐标为端电压 U • 曲线呈现为一条向下倾斜的直线，表明端电压随负载电流增大而线性减小。 电源的外特性曲线示意图 知识讲授——外特性曲线分析 核心定义：电荷的定向移动形成电流 与纵轴的交点 (I=0) 此状态对应电路的开路状态。此时电路中没有电流流过，电源的端电压等于其电动势，即： U = E 与横轴的交点 (U=0) 此状态对应电路的短路状态。此时外电路电阻为0，电流达到最大值，称为短路电流： I_短 = E / r 直线的斜率 外特性曲线的斜率反映了电源内阻的大小。斜率的绝对值越大，代表内阻越大，电压降落越快。 |k| = r (内阻) 知识讲授——电路的三种状态 核心定义：电荷的定向移动形成电流 通路 电路处处连通，用电器正常工作的状态。此时电路中有持续的电流流过，能量正常传输。 开路 电路某处断开，电流无法流通的状态。也叫断路，此时用电器不能工作，电路中无电流。 短路 电源两极直接被导线连接的状态。此时电流极大，会烧坏电源甚至引发火灾，是必须避免的故障。 知识讲授—— 核心定义：电荷的定向移动形成电流 知识讲授——通路 核心定义：电荷的定向移动形成电流 开关闭合，电流从电源正极流出，经过负载，流回负极，形成闭合路径。这是电路的正常工作状态，也是电路设计中最理想的运行模式，此时电路各元件按设计参数发挥功能。 电流：I = E / (R + r)（E为电动势，R为外电路电阻，r为电源内阻） 端电压：U = E - Ir（端电压小于电动势，差值为电源内阻压降） 知识讲授——通路与负载 01 大负载 • 外电阻 R 较小，电路中通过的电流较大，体现为负载功率需求高。 • 由于内阻分压作用明显，导致电源的端电压下降较多，输出电压稳定性降低。 02 小负载 • 外电阻 R 较大，电路中通过的电流较小，负载功率需求相对较低。 • 内阻分压作用微弱，电源的端电压下降较少，输出电压保持相对稳定的状态。 知识讲授——开路 定义解析 电路某处发生断开，电流无法形成闭合回路的状态。在物理学中，开路也常被称作“断路”，例如开关断开、导线断裂等情况均属于开路。 电流特性 由于电路断开，回路中没有电荷的定向移动，因此电流为零。 I = 0 端电压特性 无电流时内阻无压降，电源两端电压等于其电动势。 U = E 知识讲授——短路 电源两极直接被导线相连，外电阻 R≈0。此时电路中电流不经过用电器，直接从电源正极流回负极，是电路的故障状态。 端电压：由于外电阻 R≈0，根据 U = IR，路端电压U = 0 短路电流：电流仅由电源内阻 r 限制，公式为I_短 = E / r，此电流通常很大，极易烧毁电源。 知识讲授——短路的应用 在调试和维修电气设备时，有时会有意将电路中某一部分短路，这种人为的操作被称为“短接”。它是电气维修中一种常用的排查与测试手段。 操作目的 1. 隔离非关键部件：让与调试 过程无关的电路部分不通电，减少干扰。 2. 故障模拟排查：人为制造局部短路状态，观察设备反应，快速定位故障点。 安全前提 短接操作具有一定的危险性，必须在确保电路安全的情况下进行！操作人员需具备专业知识，佩戴绝缘工具，严格遵守电气安全操作规程。 知识讲授——例题讲解 例2-1：电路参数求解 如图所示的电路中，已知定值电阻R₁ = 14Ω，R₂ = 9Ω。 当单刀双掷开关 Sₐ 接到位置 1 时，电流表测得电路中的电流为I₁ = 0.2A；当开关 Sₐ 切换到位置 2 时，测得电流为I₂ = 0.3A。 请根据闭合电路欧姆定律，列式计算出该电源的电动势 E和内电阻 r。 知识讲授——例题解答 Step 1. 列出方程 根据全电路欧姆定律，联立两次测量情况： ① E = I₁R₁ + I₁r = 0.2×14 + 0.2r ② E = I₂R₂ + I₂r = 0.3×9 + 0.3r Step 2. 求解内阻 r 联立方程消去 E，移项计算： 2.8 + 0.2r = 2.7 + 0.3r 0.3r - 0.2r = 2.8 - 2.7 0.1r = 0.1 ∴ r = 1 Ω Step 3. 计算电动势 E 将 r=1Ω 代入方程①： E = 0.2×14 + 0.2×1 = 2.8 + 0.2 ∴ E = 3 V 传动部分 知识点背诵 全电路欧姆定律 通过闭合电路的电流，跟电源的电动势成正比，跟电路的总电阻成反比。 I = E / (R + r) 电动势等于内外电路电势降落之和： E = U_外 + U_内 电路三种状态 1. 通路：电路闭合，有电流通过。I = E / (R + r)，U = E - Ir 2. 开路：电路断开，电流为0。I = 0，路端电压 U = E 3. 短路：外电路电阻为0。I_短 = E / r，路端电压 U = 0 电源外特性 表示路端电压 U 随电流 I 变化的规律，反映了电源的工作性能。 U = E - Ir 注：r为电源内阻，E为电源电动势（定值），因此U随I增大而线性减小。 单项选择题 Q1:全电路欧姆定律的公式是？（ ） A.I = U / R B.I = E / (R + r) C.U = E - Ir D.E = U_外 + U_内 正确答案：B 全电路欧姆定律的核心表达式，I 为电路电流，E 为电动势，R 为外阻，r 为内阻。 课后练习 正确答案：B 开路时电流无法流通，而电源两端的电压近似等于电动势 课后练习 单项选择题 2.当电路处于开路状态时，下列说法正确的是？（ ） A. 电流最大，电压为零 B. 电流为零，电压等于电动势 C. 电流为零，电压也为零 D. 电流最大，电压等于电动势 单项选择题 3.电源的端电压U随负载电流I的增大而？（ ） A. 增大 B. 减小 C. 不变 D. 先增大后减小 正确答案：B 电源端电压公式： U = E − I·r，电源电动势 E 不变，电源内阻 r 不变，负载电流 I 越大 → 内阻压降 I・r 越大 所以：端电压 U 随电流 I 增大而减小 课后练习 1.简述电路短路的危害，并说明在什么情况下可以人为使用短路方法。 课后练习 危害：电路中会产生极大的短路电流，瞬间产生大量热量，导致电源烧毁、导线绝缘层熔化、电器损坏，甚至引发火灾、触电事故，严重威胁人身与设备安全。 情况：在确保安全、专业操作、且有保护措施的前提下，可在电路维修、调试、检测时人为短接局部电路，用于快速判断故障点、跳过故障元件、临时接通电路等，但严禁直接短接电源两极。 课堂小结 1.完成教材课后习题，巩固全电路欧姆定律计算。 2.结合生活中的电路故障案例，分析开路、短路故障的现象及原因，写出简短的分析报告。 3.结合本节课知识，设计一个测量干电池电动势和内阻的实验方案，说明实验原理和步骤。 课后作业 感谢观看 Lavf62.3.100 Lavf62.3.100 $