【名师同步导学】2013-2014学年高中物理 第2章 第7节 闭合电路的欧姆定律课件 新人教版选修

第7节闭合电路的欧姆定律1．闭合电路组成(1)外电路：电源外部由用电器和导线组成的电路，在外电路中，沿电流方向电势降低．(2)内电路：电源内部的电路，在内电路中，沿电流方向电势升高．教材要点解读对应学生用书P622．闭合电路的欧姆定律(1)推导：如图所示，设电源的电动势为E，外电路电阻为R，内电路电阻为r，闭合电路的电流为I.在时间t内：①外电路中电能转化成的内能为E外＝I2Rt.②内电路中电能转化成的内能为E内＝I2rt.③非静电力做的功为W＝Eq＝EIt.根据能量守恒定律有W＝E外＋E内，所以EIt＝I2Rt＋I2rt.整理后得到E＝IR＋Ir，即I＝ER＋r.(2)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．(3)表达式：I＝ER＋r(4)常用的变形式：E＝IR＋Ir，E＝U外＋U内，U外＝E－Ir3．对闭合电路欧姆定律的理解(1)I＝ER＋r或E＝IR＋Ir，只适用于外电路为纯电阻电路的情况，对外电路中含有非纯电阻元件(如电动机、电解槽等)的不适用．(2)E＝U外＋U内＝U外＋Ir，即电源电动势等于内外电路的电压之和．普遍适用于外电路为任意用电器的情况．(3)将电压表接在电源两极间测得的电压U外是指路端电压，不是内电路两端的电压，也不是电源电动势，所以U外＜E.(4)电动势和路端电压虽然是有相同的单位且有时数值也相同，但二者是本质不同的物理量．电动势反映了电源将其他形式的能转化为电能的本领大小，路端电压反映了外电路中电能转化为其他形式的能的本领大小．(1)对给定的电源，认为E、r不变．(2)对于有电压变化的闭合电路问题，由E＝U外＋U内，可知：内、外电路电压变化的绝对值相等，即|ΔU外|＝|ΔU内|.(3)外电路含有非纯电阻元件(如电动机、电解槽等)时，不能直接用欧姆定律解决电流问题，可以根据串、并联电路特点或能量守恒定律进行列式计算．1．路端电压与负载(1)路端电压U：又叫外电压，它是外电路上总的电势降落．(2)负载R：电路中消耗电能的元件统称为负载．2．路端电压U与负载R的关系(1)当外电阻R增大时，根据I＝ER＋r可知电流I减小，内电压Ir减小，根据U外＝E－Ir可知路端电压U外增大．解析：(2)当外电阻R减小时，根据I＝ER＋r可知电流I增大，内电压Ir增大，根据U外＝E－Ir可知路端电压U外减小．解析：3．电源的UI图象与电阻的UI图象的比较电阻电源U­I图象研究对象对某一固定电阻而言，两端电压与通过电流成正比关系对电源进行研究，电源的外电压随电流的变化关系图象的物理意义表示导体的性质R＝UI，R不随U与I的变化而变化表示电源的性质，图线与纵轴的交点表示电动势，图线斜率的绝对值表示电源的内阻联系电源的电动势和内阻是不变的，正是由于外电阻R的变化才会引起外电压U外和总电流I的变化在闭合电路中，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)．1．各部分功率关系分析由EIt＝I2Rt＋I2rt知EI＝I2R＋I2rP电源＝EIP外＝I2RP内＝I2r2．电源的输出功率：当外电路为纯电阻电路时讨论如下(1)电源的输出功率P出＝I2R＝E2R＋r2R＝E2RR－r2＋4Rr＝E2R－r2R＋4r由此可知当R＝r时，电源有最大输出功率P出max＝E24r.(2)P出与外电阻R的函数关系图象(3)电源的效率η＝P出P＝IU外IE＝U外E＝IRIR＋r＝RR＋r＝11＋rR，可见，外电阻R越大，电源的效率越高．(1)电源输出功率越大，效率不一定越高，如电源输出功率最大时，效率只有50%.(2)判断可变电阻功率变化时，可将可变电阻以外的其他电阻看成电源的一部分内阻.如图所示的电路中，当S闭合时，电压表和电流表(均为理想电表)的示数各为1.6V和0.4A；当S断开时，它们的示数各改变0.1V和0.1A，求电源的电动势及内阻．解题方法指导对应学生用书P63【解析】当S闭合时，由闭合电路欧姆定律得：U1＝E－I1r，即E＝1.6V＋0.4r①当S断开时，由闭合电路欧姆定律得：U2＝E－I2r，即E＝(1.6＋0.1)V＋(0.4－0.1)r②由①②得：E＝2V，r＝1Ω.【答案】2V1Ω【方法总结】解决闭合电路问题的一般步骤(1)分析电路：认清各元件的串、并联关系，必要时画等效电路图，特别注意电压表和电流表对应的电路．(2)求总电流I：若已知内、外电路上所有电阻的阻值和电源电动势，可用闭合电路欧姆定律直接求出；若内、外电路上有多个未知电阻，可利用某一部分电路的已知电流和电压求总电流I；当以上方法都行不通时，可以应用联立方程求出I.(3)各部分的电压、电流：根据串、并联电路的特点或部分电路欧姆定律求各部分电路的电压和电流．(4)注意适用条件：外电路含有非纯电阻元件时(如电动机，电解槽等)，不能直接用欧姆定律解决电流问题，可以根据串、并联电路特点或能量守恒定律进行列式计算．如图所示的电路中，电阻R＝10Ω.当开关S断开时，电压表示数为6V．当开关S闭合时，电压表示数为5.46V，则电源的内阻为多少？解析：当S断开时，R外→∞，E＝U外＝6V；S闭合时，U外＝IR，即5.46V＝I×10Ω解得I＝0.546A．再由E＝U外＋I·r即6＝5.46＋0.546r，所以r≈1Ω.答案：1Ω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的滑片在a端时合上开关S，此时三个电表A1、A2和V的示数分别为I1、I2和U.现将R2的滑片向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】滑动变阻器R2的滑片向b滑动时，电阻变小，R1和R2并联的电阻R12＝R1R2R1＋R2减小，则R外＝R3＋R12减小，由I＝ER外＋r知I变大．再由U＝E－Ir知U变小；由I1＝U1R1，U1＝U­IR3得I1减小；由I2＝I－I1得I2增大，选项B正确．【方法总结】直流电路的动态分析1．引起电路特性发生变化主要有三种情况：(1)滑动变阻器滑片位置的改变，使电路的电阻发生变化；(2)电键的闭合、断开或换向(双掷电键)使电路结构发生变化；(3)非理想电表的接入使电路的结构发生变化．2．进行动态分析的常见思路是：由部分电阻变化推断外电路总电阻(R外)的变化，再由全电路欧姆定律I总＝ER外＋r讨论干路电流I总的变化，最后再根据具体情况分别确定各元件上其他量的变化情况．3．分析方法(1)程序法：基本思路是“部分→整体→部分”．即从阻值变化入手，由串并联规律判知R总的变化情况，再由欧姆定律判知I总和U端的变化情况，最后由部分电路欧姆定律及串联分压、并联分流等规律判知各部分的变化情况．(2)结论法——“并同串反”：“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；某一电阻减小时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小．“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；某一电阻减小时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率将增大．(3)特殊值法与极限法：即因滑动变阻器滑片滑动引起电路变化的问题，可将变阻器的滑动端分别滑至两个极端去讨论．一般用于滑动变阻器两部分在电路中都有电流时的讨论．(2011·北京高考)如图所示电路，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()A．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：滑动变阻器R0的滑片向下滑动，R0接入电路的电阻变小，电路的总电阻变小，总电流变大，电源的内电压变大，外电压变小，电压表的示数变小，R1两端的电压变大，R2两端的电压变小，电流表的示数变小，A项正确．答案：A如图所示的电路中，电源电动势E＝10V，内阻r＝0.5Ω，电动机的电阻R0＝1.0Ω，电阻R1＝1.5Ω.电动机正常工作时，电压表的示数U1＝3.0V，求：(1)电源释放的电功率；(2)电动机消耗的电功率；将电能转化为机械能的功率；(3)电源的输出功率和效率．【解析】(1)电动机正常工作时，总电流为I＝＝A＝2A，电源释放的电功率为P释＝EI＝10×2W＝20W.(2)电动机两端的电压为U＝E－Ir－U1＝(10－2×0.5－3)V＝6V电动机消耗的电功率为P电＝UI＝(6×2)W＝12W电动机消耗的热功率为P热＝I2R0＝22×1W＝4W电动机将电能转化为机械能的功率，根据能量守恒得P机＝P电－P热＝(12－4)W＝8W.【答案】(1)20W(2)12W8W(3)18W90%(3)电源的输出功率为P出＝P释－P内＝P释－I2r＝(20－22×0.5)W＝18W，η＝P出P释＝1820×100%＝90%.【方法总结】1．解答闭合电路问题的一般步骤(1)首先要认清外电路上各元件的串、并联关系，必要时，应进行电路变换，画出等效电路图．(2)解题关键是求总电流I，求总电流的具体方法是：若已知内、外电路上所有电阻的阻值和电源电动势，可用闭合电路欧姆定律(I＝ER＋r)直接求出I；若内、外电路上有多个电阻值未知，可利用某一部分电路的已知电流和电压求总电流I；当以上两种方法都行不通时，可以应用联立方程求出I.(3)求出总电流后，再根据串、并联电路的特点或部分电路欧姆定律求各部分电路的电压和电流，再根据P＝UI或P＝I2R求得功率．2．电源输出功率最大值的求解方法在解答最大功率问题时，理解好功率最大的条件是关键，若求解部分电阻不变时，只要满足电流最大则功率就最大；若求解部分电阻改变时，需要计算出功率的表达形式，利用数学知识求极值．(2011·南通高二检测)电路图如图甲所示，乙中图线是电路中的电源的路端电压随电流变化的关系图象，滑动变阻器的最大阻值为15Ω，定值电阻R0＝3Ω.(1)当R为何值时，R0消耗的功率最大，最大值为多少？(2)当R为何值时，电源的输出功率最大，最大值为多少？解析：(1)由题图乙知电源的电动势和内阻为：E＝20V，r＝ΔUΔI＝152Ω＝7.5Ω由题图甲分析知道，当R＝0时，R0消耗的功率最大，最大为P＝ER0＋r2R0＝203＋7.52×3W＝10.9W.答案：(1)010.9W(2)4.5Ω13.3W(2)当r＝R＋R0时，即R＝4.5Ω时，电源的输出功率最大，最大值为：P＝ER0＋R＋r2(R0＋R)＝203＋4.5＋7.52(3＋4.5)W＝13.3W.默读联想记忆对应学生用书P651.(2013·烟台高二检测)有关电动势的说法中正确的是()A．电源的电动势等于内、外电路电势降落之和B．电源提供的电能越多，电源的电动势越大C．当外电路断开时，电源路端电压与电源电动势相等D．当电路中通过1库仑电量时，电源消耗的其他形式能的数值等于电源电动势的值课堂巩固训练对应学生用书P65答案：ACD解析：根据E＝U外＋U内，A正确．根据E＝Wq.电源移动单位正电荷非静电力做功越多，电动势越大B错误，根据U＝E－Ir，电路断开时，I＝0，U＝E，C正确．根据W＝EIt，D正确．2．一太阳能电池板，测得它的开路电压为800mV，短路电流为40mA，若将该电池板与一阻值为20Ω的电阻器连成一闭合电路，则它的路端电压是()A．0.10VB．0.20VC．0.30VD．0.40V解析：电源没有接入外电路时，路端电压值等于电动势，所以电动势E＝800mV由闭合电路欧姆定律得短路电流I短＝Er所以电源内阻r＝EI短＝800×10－340×10－3Ω＝20Ω答案：D该电源与20Ω的电阻连成闭合电路时，电路中电流I＝ER＋r＝80020＋20mA＝20mA所以路端电压U＝IR＝400m