2019-2020年高中物理第二章恒定电流第7节闭合电路的欧姆定律教学案新人教版选修3(I).doc
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2019-2020年高中物理第二章恒定电流第7节闭合电路的欧姆定律教学案新人教版选修3(I)1闭合电路欧姆定律的表达式为I,此式仅适用于纯电阻电路,其中R和r分别指外电阻和内电阻。2闭合电路内、外电压的关系为EU内U外IrU外,由此式可知,当电流发生变化时,路端电压随着变化。3当外电路断开时,路端电压等于电动势,当外电路短路时,路端电压为零。一、闭合电路欧姆定律1闭合电路的组成及电流流向2闭合电路中的能量转化如图271所示,电路中电流为I,在时间t内,非静电力做功等于内外电路中电能转化为其他形式的能的总和,即EItI2RtI2rt。图2713闭合电路欧姆定律二、路端电压与负载(外电阻)的关系图2721路端电压与电流的关系(1)公式:UEIr。(2)UI图像:如图272所示,该直线与纵轴交点的纵坐标表示电动势,斜率的绝对值表示电源的内阻。2路端电压随外电阻的变化规律(1)外电阻R增大时,电流I减小,外电压U增大,当R增大到无限大(断路)时,I0,UE,即断路时的路端电压等于电源电动势。(2)外电阻R减小时,电流I增大,路端电压U减小,当R减小到零时,I,U0。1自主思考判一判(1)如图273甲所示,电压表测量的是外电压,电压表的示数小于电动势。()图273(2)如图乙所示,电压表测量的是内电压,电压表的示数小于电动势。()(3)外电阻变化可以引起内电压的变化,从而引起内电阻的变化。()(4)外电路的电阻越大,路端电压就越大。()(5)路端电压增大时,电源的输出功率一定变大。()(6)电源断路时,电流为零,所以路端电压也为零。()2合作探究议一议(1)假如用发电机直接给教室内的电灯供电,电灯两端的电压等于发电机的电动势吗?提示:不等于。因为发电机内部有电阻,有电势降落。发电机内部电压与电灯两端电压之和才等于电动势。(2)在实验课上,小红同学用电压表去测量1节新干电池的电动势约为1.5 V,1节旧电池的电动势约为1.45 V,现在她把这样的两节旧电池串联后接在一个标有“3 V2 W”的小灯泡两端,结果发现小灯泡不发光,检查电路的连接,各处均无故障。电池虽然旧了,但电动势并没有减小多少,那么小灯泡为什么不亮呢?提示:电池变旧后,电动势并不明显减小,但内阻明显变大,因而使电路中的电流很小,导致小灯泡不亮。路端电压与负载的关系1外电阻的两类变化引起的相应变化(1)说明:电源的电动势等于电源没有接入电路时的路端电压。(2)说明:由于电源内阻很小,所以短路时会形成很大的电流,为保护电源,绝对不能把电源两极直接相连接。2电源的UI图像(1)图像的函数表达式:UEIr。(2)图像表示:电源的外电路的特性曲线(路端电压U随电流I变化的图像),如图274所示是一条斜向下的直线。图274(3)当外电路断路时(即R,I0):纵轴上的截距表示电源的电动势E(EU端);当外电路短路时(R0,U0):横坐标的截距表示电源的短路电流I短。(条件:坐标原点均从0开始)(4)图线的斜率:其绝对值为电源的内电阻,即r。(5)某点纵坐标和横坐标值的乘积:为电源的输出功率,在图中的那块矩形的“面积”表示电源的输出功率。1电源电动势为E,内阻为r,向可变电阻R供电,关于路端电压,下列说法正确的是()A因为电源电动势不变,所以路端电压也不变B因为UIR,所以当I增大时,路端电压也增大C因为UEIr,所以当I增大时,路端电压减小D若外电路断开,则路端电压为零解析:选C路端电压UIREIr,因为I增大时,R减小,所以不能用UIR判断路端电压的变化情况,根据UEIr可知,当I增大时,路端电压减小,所以选项A、B错误,C正确;当外电路断开时,路端电压为E,选项D错误。2(多选)如图275所示是某电源的路端电压与电流的关系图像,下列结论正确的是()图275A电源的电动势为6.0 VB电源的内阻为12 C电源的短路电流为0.5 AD电流为0.3 A时的外电阻是18 解析:选AD因该电源的UI图像的纵轴坐标不是从零开始的,故纵轴上的截距虽为电源的电动势,即E6.0 V,但横轴上的截距0.5 A并不是电源的短路电流,且内阻应按斜率的绝对值计算,即r| 2 。由闭合电路欧姆定律可得电流I0.3 A时,外电阻Rr18 。故选项A、D正确。3. (多选)在如图276所示电路中,电源电动势E和内阻r均为定值,当外电路电阻R发生变化时,回路电流I、路端电压U、内电压U都将随之发生变化。下列图像能正确表示其变化规律的是()图276解析:选AB由闭合电路欧姆定律有IUEIrErEUIrE根据式可知,I随R的增大单调递减,但不是线性变化,故A正确。将式变形可得UE,利用数学知识可知B正确,D错误。根据式可知,C错误。电源的有关功率和电源的效率1电源的有关功率和电源的效率(1)电源的总功率:P总IEI(U内U外)。(2)电源的输出功率:P出IU外。(3)电源内部的发热功率:PI2r。(4)电源的效率:,对于纯电阻电路,。2输出功率和外电阻的关系在纯电阻电路中,电源的输出功率为PI2RRR图277(1)当Rr时,电源的输出功率最大,Pm。(2)当Rr时,随着R增大,P减小。(3)当REb,内阻rarb,当电阻R接到电源两极时,电源的效率为,所以R接到电源b上时,电源的效率高,A对,D错。由题图知,R接到电源a上时,电源的输出电压和电流均比接到b上时大,故R接到电源a上时,电源的输出功率较大,B错,C对。5.如图3所示,电池电动势为E,内阻为r。当可变电阻的滑片P向b点移动时,电压表 的读数U1与电压表 的读数U2的变化情况是()图3AU1变大,U2变小BU1变大,U2变大CU1变小,U2变小DU1变小,U2变大解析:选A滑片P向b移动时,总电阻变大,干路中I变小。由于路端电压UEIr,U增大,即V1表示数U1变大。由于V2表示数U2IR,U2减小,所以A正确。6如图4所示,闭合开关S,电路稳定后,水平放置的平行金属板间的带电质点P处于静止状态,若将滑动变阻器R2的滑片向a端移动,则()图4A电压表读数增大 B电流表读数减小CR1消耗的功率减小 D质点P将向下运动解析:选D由图可知,R1与滑动变阻器串联;电容器与变阻器并联;当滑片向a端移动时,滑动变阻器接入电阻减小,总电阻减小;由闭合电路欧姆定律可知,电路中电流增大;路端电压减小,同时R1两端的电压增大,所以电压表示数减小,电流示数增大,故A、B错误。流过R1的电流增大,由公式PI2R知R1消耗的功率增大,故C错误。电容器板间电压减小,板间电场强度减小,故质点P受到的向上电场力减小,则重力大于电场力,质点P将向下运动,故D正确。7如图5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()图5A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,的读数变大解析:选B将S断开,则电路的总电阻变大,总电流变小,由UEIr知,路端电压变大,故电压表的示数变大;R1两端的电压IR1变小,则R3两端的电压变大,流过R3的电流变大,电流表的示数变大。选项B正确。8.如图6所示电路中,定值电阻R2r(r为电源内阻),滑动变阻器的最大阻值为R1且R1R2r。在滑动变阻器的滑片P由左端a向右滑动的过程中,以下说法正确的是()图6A电源的输出功率变小BR2消耗的功率先变大后变小C滑动变阻器消耗的功率先变大后变小D以上说法都不对解析:选C滑片向右移动,滑动变阻器接入电路部分电阻变小,电路中的电流变大,通过电源的电流和通过电阻R2的电流都变大,这两个电阻是定值电阻,消耗的功率变大,在滑动的过程中内阻始终小于外电阻,所以电源的输出功率增大。考虑滑动变阻器上的功率消耗时可以把R2看成电源的一部分,当滑动变阻器的阻值等于2r时,消耗的功率最大,当滑动变阻器阻值小于2r时,消耗的功率变小。9如图7所示的电路中,闭合开关,灯L1、L2正常发光。由于电路出现故障,图7突然发现灯L1变亮,灯L2变暗,电流表的读数变小,根据分析,发生的故障可能是()AR1断路BR2断路CR3短路 DR4短路解析:选A把原电路改画为如图所示的电路,由于电流表示数减小、灯L2变暗,可推知电路中的总电流减小,路端电压增大,表明外电阻增大,可排除R3、R4短路的可能。又灯L1变亮、灯L2变暗,表明灯L1两端电压增大、灯L2两端电压减小,由欧姆定律可判断只能是R1发生断路。10. (多选)如图8所示电路中,电源内阻不能忽略。闭合S后,调节R的阻值,使电压表示数增大U,在这一过程中,有()图8A通过R1的电流增大BR2两端电压减小UC通过R2的电流减小量小于D路端电压增大量为U解析:选AC由电流I可知,当电压增加U时,通过R1的电流就增加,故A正确;由于电源的内阻不能忽略,故R2两端电压减小量比U小,B错误,C正确;因R2两端的电压减小,故路端电压增大量比U要小,故D错误。11.如图9所示的电路中,所用电源的电动势E4 V,内电阻r1 ,电阻R1可调。现将R1调到3 后固定。已知R26 ,R33 ,求:图9(1)开关S断开和接通时,通过R1的电流分别为多大?(2)为了使A、B之间电路的电功率在开关S接通时能达到最大值,应将R1的阻值调到多大?这时A、B间消耗的最大电功率是多少?解析:(1)开关S断开时,I1 A0.4 A开关接通时,R2、R3并联的总电阻R232 I1 A0.667 A(2)开关接通时,A、B之间的总电阻R232 为定值,所以,只有当R10时,总电流最大,A、B之间的电功率才最大。I A APABI2R2322 W3.556 W。答案:(1)0.4 A0.667 A(2)03.556 W12.如图10所示,电容器C16 F,C23 F,电阻R16 ,R23 ,C、D为两端点,当开关S断开时,A、B两点间的电压UAB为多少?当S闭合时,电容器C1的电荷量改变了多少?(已知电压U18 V)图10解析:在电路中电容器C1、C2的作用是断路,当开关S断开时,电路中无电流,B、C等电势,A、D等电势。因此UABUACUDC18 V当S断开时,电容器C1所带电荷量为Q1C1UAC610618 C1.08104 C当S闭合时,电路导通,电容器C1两端的电压即电阻R1两端的电压。由串联电路的电压分配关系得UACU18 V12 V此时电容器C1所带电荷量为Q1C1UAC610612 C0.72104 C电容器C1所带电荷量的变化量为QQ1Q13.6105 C,“”号表示减少。答案:18 V减少了3.6105 C闭合电路的综合应用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。在测电源电动势和内电阻的实验中得到的实验图线如图1所示,图中U为路端电压,I为干路电流,a、b为图线上的两点,相应状态下电源的效率分别为a、b。由图可知a、b的值分别为()图1A.、 B.、C.、 D.、解析:选D由UI图像可知,若电源的电动势为6U0,则a、b两点处对应的路端电压分别为4U0、2U0,电源的效率,所以a,b,正确选项为D。2.如图2所示,直线OAC为某一直流电源的总功率随电流I变化的图线,曲线OBC表示同一直流电源内部的热功率随电流I变化的图线。若A、B点的横坐标均为1 A,那么AB线段表示的功率为()图2A1 WB6 WC2 W D2.5 W解析:选C由题图知,在C点,电源的总功率等于电源内部的热功率,所以电源的电动势为E3 V,短路电流为I3 A,所以电源的内阻为r1 。图像上AB段所表示的功率为PABP总I2r(13121)W2 W。3.如图3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。闭合电键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()图3A增大R1的阻值B增大R2的阻值 C增大两板间的距离 D断开电键S解析:选B在直流电路中,R2与电容器串联的支路不通,因此电容器两端的电压等于R1两端的电压,增大R1的阻值,R1两端的电压增大,电容器两端的电压增大,由E可知,电容器两极板间的电场强度增大,因此板间带电油滴受到的电场力增大,会向上运动,A项错误;增大R2的阻值不改变电路中的总电阻,不改变R1两端的电压,因此电容器中的油滴仍保持静止,B项正确;增大两板间的距离,而电容器的两板间的电压一定,由E可知,板间的场强减小,油滴受到的电场力减小,油滴会向下运动,C项错误;断开电键S,电容器会通过R1、R2进行放电,使板间场强减小,油滴受到的电场力减小而向下运动,D项错误。4.如图4所示的电路中,电源电动势为E,内电阻为r,闭合开关S,待电流达到稳定后,电流表示数为I,电压表示数为U,电容器C所带电荷量为Q。将滑动变阻器的滑动触头P从图示位置向a端移动一些,待电流达到稳定后,与P移动前相比()图4AU变小 BI变小CQ不变 DQ减小解析:选B当滑动变阻器P的滑动触头从图示位置向a端移动时, 其接入电路的电阻值增大,外电路总电阻增大,由闭合电路的欧姆定律可知,干路的电流I减小;变阻器两端的电压UEI(R2r),由I减小,可知U增大,即电容器C两端的电压增大,再据C,得QCU,可判断出电容器的电荷量Q增大,故B正确,A、C、D错误。5.法国和德国两名科学家先后独立发现了“巨磁电阻”效应,共同获得xx年诺贝尔物理学奖。所谓“巨磁电阻”效应,是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。物理兴趣小组的同学从“巨磁电阻”效应联想到一些应用,他们的探究如下:为了儿童安全,布绒玩具必须检测其中是否存在金属断针,可以先将玩具放置在强磁场中,若其中有断针,则断针被磁化,用磁报警装置可以检测到断针的存在。如图5是磁报警装置一部分电路示意图,其中RB是利用“巨磁电阻”效应而制作的磁敏传感器,它的电阻随断针的出现而减小,a、b接报警器,当传感器RB所在处出现断针时,电流表的电流I、ab两端的电压U将()图5AI变大,U变大 BI变小,U变小CI变大,U变小 DI变小,U变大解析:选C当RB处出现断针时,RB减小,R总减小,I总增大,I总r增大,UabEI总r将减小;由于I总增大,所以R1分压增大,UR1URBUab,可得URB减小,IR3减小,由IR3II总,可得I增大。6.如图6所示的电路,电源内阻不可忽略。开关S闭合后,在变阻器R0的滑动端向下滑动的过程中()图6A电压表与电流表的示数都减小B电压表与电流表的示数都增大C电压表的示数增大,电流表的示数减小D电压表的示数减小,电流表的示数增大解析:选A由变阻器R0的滑动端向下滑可知R0连入电路的有效电阻减小,则R外减小,由I可知I增大,由U内Ir可知U内增大,由EU内U外可知U外减小,故电压表示数减小。由U1IR1可知U1增大,由U外U1U2可知U2减小,由I2可知电流表示数变小,故A正确。7. (多选)如图7所示的电路中,当滑动变阻器R接入电路的阻值增大时()图7AA、B两点间的电压U增大BA、B两点间的电压U减小C通过R的电流I增大D通过R的电流I减小解析:选AD引入等效电源的概念,把电池组、R1看做一个等效电源,则AB为等效电源的输出端,A、B两点间的电压U为输出电压,可变电阻R和R2为负载,当可变电阻R的阻值增大时,等效电源的路端电压增大,通过负载R的电流减小。8.如图8所示的电路中,电源的电动势E和内电阻r恒定不变,电灯L恰能正常发光,如果变阻器的滑片向b端滑动,则()图8A电灯L更亮,电流表的示数减小B定值电阻R2消耗的功率增大C电灯L变暗,电源的总功率减小D电灯L变暗,电流表的示数增大解析:选A滑片向b端滑动,R1变大,电路中总电阻变大,路端电压变大,根据I知I减小,电流表示数减小,根据EU外Ir,U外变大,灯泡两端电压变大,故电灯L更亮。再根据P2IR2,I总减小,IL变大,故I2变小,R2功率变小,故B、C、D错误,A正确。9.如图9所示,电动势为E,内阻不计的电源与三个灯泡和三个电阻相接。只合上开关S1,三个灯泡都能正常工作。如果再合上S2,则下列表述正确的是()图9A电源输出功率减小BL1上消耗的功率增大C通过R1上的电流增大D通过R3上的电流增大解析:选C只合上开关S1,三个灯泡都能正常工作,再合上S2,并联部分的电阻减小,外电路总电阻减小,根据闭合电路欧姆定律得知,干路电流增大。由于电源的内阻不计,电源的输出功率PEI,与电流成正比,则电源输出功率增大,故A错误。由于并联部分的电阻减小,根据串联电路的特点,并联部分分担的电压减小,L1两端的电压减小,其消耗的功率减小,故B错误。合上S2,外电路总电阻减小,干路电流增大,而R1在干路中,通过R1上的电流增大,故C正确。并联部分的电压减小,通过R3上的电流将减小,故D错误。10(多选)在如图10所示电路中,闭合开关S,当滑动变阻器的滑动触头P向下滑动时,电表的示数分别用I、U1、U2和U3表示,电表示数变化量的大小分别用I、U1、U2和U3表示。下列比值中正确的是()图10A.不变,不变B.变大,变大C.变大,不变D.变大,不变解析:选ACD由电路图可知,U1、U2分别是R1、R2两端的电压,电流表测通过这个电路的总电流,U3是路端电压,由欧姆定律可知R1(因R1是定值电阻),故选项A正确。U2EI(R1r)(因E、R1、r均是定值),则该表达式为一次函数关系式,且(R1r)不变,故选项B错,C正确。R1R2,因R2变大,则变大;又由于U3EIr,可知r不变,故D正确。综上所述,正确选项为A、C、D。11.如图11所示的电路中,电源的电动势E12 V,内阻未知,R18 ,R21.5 ,L为规格为“3 V3 W”的灯泡,开关S断开时,灯泡恰好正常发光。不考虑温度对灯泡电阻的影响。试求:图11(1)灯泡的额定电流和灯丝电阻;(2)电源的内阻;(3)开关S闭合时,灯泡实际消耗的功率。解析:(1)I1 ARL3 (2)S闭合前,EIrIR1IRL将E12 V,I1 A,R18 ,RL3 代入求解得r1 。(3)开关S闭合后,EIrIR1U2I代入数据联立求解得U21.2 V灯泡实际消耗的功率P0.48 W。答案:(1)1 A3 (2)1 (3)0.48 W12一电路如图12所示,电源电动势E28 V,内阻r2 ,电阻R112 ,R2R44 ,R38 ,C为平行板电容器,其电容C3.0 pF,虚线到两极板距离相等,极板长L0.20 m,两极板的间距d1.0102 m。图12(1)若开关S处于断开状态,则当其闭合后,求流过R4的总电量为多少?(2)若开关S断开时,有一带电微粒沿虚线方向以v02.0 m/s的初速度射入C的电场中,刚好沿虚线匀速运动,问:当开关S闭合后,此带电微粒以相同初速度沿虚线方向射入C的电场中,能否从C的电场中射出?(要求写出计算和分析过程,g取10 m/s2)解析:(1)S断开时,电阻R3两端电压为:U3E2816 VS闭合后,外电阻为:R 6 路端电压为:UE28 V21 V电阻R3两端电压为:U3U21 V14 V则所求流过R4的总电量为:QCU3CU36.01012 C。(2)设微粒质量为m,电量为q,当开关S断开时有:mg当开关S闭合后,设微粒加速度为a,则:mgma设微粒能从C的电场中射出,则水平方向:t竖直方向:yat2由以上各式求得:y6.25103 m故微粒不能从C的电场中射出。答案:(1)6.01012 C(2)不能分析过程见解析- 配套讲稿:
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