2019-2020学年高中物理 第二章 9 第7节 闭合电路的欧姆定律课件 新人教版选修3-1

第7节闭合电路的欧姆定律第二章恒定电流1.通过闭合电路欧姆定律的理论推导过程，体验能量转化和守恒定律在电路中的具体应用．理解内、外电路的能量转化．2.理解内、外电路的电势降落，理解闭合电路的欧姆定律．(重点)3．会用闭合电路的欧姆定律分析路端电压与负载的关系，并能进行相关的电路分析和计算．(重点＋难点)第二章恒定电流【基础梳理】一、闭合电路的欧姆定律1．闭合电路(1)闭合电路由外电路和内电路组成，用电器、导线组成________，电源内部是________．(2)电路中________的定向移动方向就是电流的方向，所以在外电路中，沿电流方向电势降低．外电路内电路正电荷2．闭合电路中的能量转化如图所示，电路中电流为I，在时间t内，________________等于内外电路中电能转化为其他形式的能的总和，即EIt＝____________．非静电力做的功I2Rt＋I2rt3．闭合电路的欧姆定律(1)内容：闭合电路的电流跟电源的电动势成________，跟内、外电路的_________成反比．(2)公式：I＝________．(3)我们用U外表示IR，它是外电路上总的电势降落，习惯上叫做___________；用U内表示Ir，它是内电路的电势降落．所以E＝U外＋______，这就是说，电源的电动势等于________________________．正比电阻之和ER＋r路端电压U内内外电路电势降落之和二、路端电压与负载的关系1．电路中，消耗________的元件常常称为负载，负载变化时，电路中的电流就会变化，路端电压也随之变化．2．路端电压的表达式：U＝________．3．路端电压随外电阻的变化规律(1)当外电阻R增大时，由I＝ER＋r可知电流I________，路端电压U＝E－Ir________．电能E－Ir减小增大(2)当外电阻R减小时，由I＝ER＋r可知电流I________，路端电压U＝E－Ir________．(3)两种特殊情况①当外电路断开时，电流I变为____，U＝____．这就是说，断路时的路端电压等于____________．②当电源两端短路时，外电阻R＝0，此时I＝____．增大减小0E电源电动势Er【自我检测】判断正误(1)外电路中，沿电流方向电势降低；内电路中，沿电流方向电势升高．()(2)在闭合电路中，当外电路断开时，路端电压等于零；当外电路短路时，电路中的电流无穷大．()(3)I＝ER＋r、E＝IR＋Ir只适用于外电路为纯电阻的闭合电路，而U外＝E－Ir、E＝U外＋U内适用于任意的闭合电路．()(4)在纯电阻电路中，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)．()(5)纯电阻电路中电源的输出功率随外电阻R的增大而增大．()提示：(1)√(2)×(3)√(4)√(5)×探究思考(1)在公式U＝E－Ir中，对于同一个电源，其电动势E和内阻r是一定的，请根据函数知识分析描述路端电压U与电流I的关系的U－I图象是怎样的，试画出其大致的情形．提示：(2)试通过关系式U＝E－Ir分析该图象在纵轴和横轴上的截距分别表示什么物理意义，图象的斜率又表示什么物理意义．提示：纵轴上的截距表示电动势，横轴上的截距表示短路电流，斜率表示电源的内阻．(3)对于理想电源r＝0，则其U－I图线怎样？提示：(4)根据如图所示的U－I图象中，求出电源的电动势和内阻．提示：6V2Ω对闭合电路欧姆定律的理解和应用1．闭合电路欧姆定律的表达形式表达式物理意义适用条件I＝ER＋r电流与电源电动势成正比，与电路总电阻成反比纯电阻电路表达式物理意义适用条件E＝I(R＋r)①E＝U外＋Ir②E＝U外＋U内③电源电动势在数值上等于电路中内、外电压之和①式适用于纯电阻电路；②③式普遍适用EIt＝I2Rt＋I2rt④W＝W外＋W内⑤电源提供的总能量等于内、外电路中电能转化为其他形式的能的总和④式适用于纯电阻电路，⑤式普遍适用2.路端电压U随电流I变化的图象(U－I关系图象)(1)U－I图象的函数表达式：U＝E－Ir.(2)U－I图象特点：位于第一象限，与横纵坐标轴相交的倾斜直线，如图所示．(3)几个特点①三个特征量：与纵轴交点表示电动势，与横轴交点表示短路电流，直线斜率的大小表示电源的内阻．②两个特殊状态：当外电路断开时(R＝∞)，I变为零．Ir＝0，U＝E；当电源两端短路时(R＝0)，此时电流I短＝Er(短路电流)．命题视角1对电源电动势和内阻的计算如图所示的电路中，当S闭合时，电压表和电流表(均为理想电表)的示数分别为1.6V和0.4A．当S断开时，它们的示数各改变0.1V和0.1A，求电源的电动势和内阻．[解析]当S闭合时，R1、R2并联接入电路，由闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir得：E＝1.6V＋0.4r；当S断开时，由E＝U＋Ir得E＝(1.6＋0.1)V＋(0.4－0.1)r解得：E＝2V，r＝1Ω.[答案]2V1Ω命题视角2对电源U－I图象的分析(多选)如图所示为某一电源的U－I图象，由图可知()A．电源电动势为2VB．电源内阻为13ΩC．电源短路时电流为6AD．电路路端电压为1V时，电路中电流为5A[思路点拨]在U－I图象中：纵坐标的截距表示电动势，横坐标的截距表示短路电流，斜率的绝对值表示内阻．[解析]由闭合电路欧姆定律U＝E－Ir得知，当I＝0时，U＝E，由图读出电源的电动势E＝2V，故A正确．电源的内阻等于图线斜率的绝对值，为r＝ΔUΔI＝2－0.86Ω＝0.2Ω，故B错误．电源短路时R＝0，电流I短＝Er＝20.2A＝10A，故C错误．当路端电压U＝1V时，由E＝U＋Ir可得，I＝E－Ur＝2－10.2A＝5A，故D正确．[答案]AD(1)不能用I＝ER＋r计算非纯电阻电路的电流．(2)不能将路端电压和电动势混淆．只有在电路断开时电源两端的电压才等于电动势．(3)注意闭合电路U－I图象和伏安特性曲线I－U图象的区别和不同应用．【题组过关】1．一太阳能电池板，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：选D.电池没有接入外电路时，路端电压等于电池电动势，所以电动势E＝800mV.由闭合电路欧姆定律得短路电流I短＝Er，所以电池内阻r＝EI短＝800×10－340×10－3Ω＝20Ω，该电池与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＝400mV＝0.4V，D项正确．2．(多选)(2019·成都校级检测)A、B两电源分别供电时其路端电压与电流的关系图线如图所示，则下述正确的是()A．电源电动势EA＝EBB．电源内阻rA＝rBC．电源A的短路电流为0.2AD．电源B的短路电流为0.3A解析：选BD.由闭合电路欧姆定律得U＝E－Ir，当I＝0时，U＝E，U－I图线的斜率的绝对值的大小等于电源内阻大小．由图看出，A的电动势为2V，B的电动势为1.5V，即有电源电动势EA＞EB，故A错误．两图线平行，说明电源的内阻相等，即rA＝rB，故B正确．电源A的短路电流为IA＝EArA＝22－10.2A＝0.4A，故C错误．电源B的短路电流为IB＝EBrB＝1.51.5－10.1A＝0.3A，故D正确．闭合电路中的功率和效率的计算1．电源的总功率P总＝EI；电源内耗功率P内＝U内I＝I2r；电源输出功率P出＝U外I.2.对于纯电阻电路，电源的输出功率P出＝I2R＝ER＋r2R＝E2（R－r）2R＋4r，当R＝r时，电源的输出功率最大，其最大输出功率为P＝E24r.电源输出功率随外电阻的变化曲线如图所示．3．电源的效率：指电源的输出功率与电源的总功率之比，即η＝P出P总＝IUIE＝UE.对于纯电阻电路，电源的效率η＝I2RI2（R＋r）＝RR＋r＝11＋rR，所以当R增大时，效率η提高．当R＝r(电源有最大输出功率)时，效率仅为50%，效率并不高．如图所示，已知电源的电动势E＝10V，内阻r＝2Ω，定值电阻R1＝0.5Ω，滑动变阻器的最大阻值R2＝5Ω.求：(1)当滑动变阻器的阻值为多大时，电阻R1消耗的功率最大？电阻R1消耗的最大功率是多少？(2)当滑动变阻器的阻值为多大时，电源的输出功率最大？电源输出的最大功率为多少？(3)当滑动变阻器的阻值为多大时，滑动变阻器消耗的功率最大？变阻器消耗的最大功率是多少？[解析](1)由P1＝ER1＋R2＋r2R1知，当R2＝0时，R1消耗功率最大P1m＝ER1＋r2R1＝8W.(2)当r＝R外时电源输出功率最大，此时由R1＋R2′＝r得R2′＝1.5Ω此时P出＝ER1＋R′2＋r2(R1＋R′2)＝12.5W.(3)将R1等效为电源内阻，此时新电源内阻r′＝r＋R1＝2.5Ω故当滑动变阻器的阻值为R2″＝2.5Ω时，滑动变阻器消耗的功率最大P2m＝Er′＋R″22R″2＝10W.[答案](1)08W(2)1.5Ω12.5W(3)2.5Ω10W要正确理解“当R外＝r时，电源的输出功率最大”中的r.电源输出功率最大的条件是当电源或等效电源内阻恒定时才成立的，因此不能将可变外电阻当成电源内阻的一部分来判断电源对定值外电阻的输出功率是否最大．也就是说，R外＝r只能用于“外电阻R外可变”而“电源内阻恒定”时输出功率最大的判断条件．如图所示，电源电动势E＝10V，内阻r＝0.5Ω，标有“8V，16W”的灯泡L恰好能正常发光，电动机M线圈的电阻R0＝1Ω，求：(1)电源的总功率；(2)电动机的输出功率．解析：(1)L正常发光，路端电压等于灯泡额定电压8V．内电压U内＝(10－8)V＝2V，则总电流I＝U内r＝4A，电源总功率为P电＝IE＝4×10W＝40W.(2)流经电动机的电流IM＝I－PU＝2A.输入电动机的总功率PM总＝U·IM＝8×2W＝16W.电动机内阻消耗功率PM内＝I2MR0＝4×1W＝4W.故电动机输出功率PM出＝(16－4)W＝12W.答案：(1)40W(2)12W闭合电路的动态分析问题1．闭合电路动态分析的思路闭合电路中由于局部电阻变化(或开关的通断)引起各部分电压、电流(或灯泡明暗)发生变化，分析这类问题的基本思路是：2．闭合电路动态分析的三种方法(1)程序法：基本思路是“部分→整体→部分”，即R局增大减小→R总增大减小→I总减小增大→U外增大减小→I局U局(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、电功率都将增大．(3)特殊值法与极限法：指因滑动变阻器滑片滑动引起电路变化的问题，可将滑动变阻器的滑动端分别滑至两个端点去讨论．一般用于滑动变阻器两部分在电路中都有电流时的情况．命题视角1支路电阻变化引起的动态分析如图所示电路，当滑动变阻器R1的滑片向上滑动时，下列说法正确的是()A．电流表的示数变大B．R3两端的电压减小C．R2的功率增大D．通过R1的电流增大[思路点拨]首先分析清楚电路的结构，再按顺序分析：局部电阻→总电阻→总电流，由U＝E－Ir判断路端电压，由串、并联电路规律判断电路各部分．[解析]等效电路如图所示．法一：程序法当滑动变阻器R1的滑片向上滑动时，其接入电路的电阻增大，外电路总电阻增大，则干路电流I减小，路端电压U增大，R3两端的电压等于路端电压，则R3两端的电压增大，则通过R3的电流I3增大，通过R2的电流I2＝I－I3，I减小，I3增大，则I2减小，故R2的功率减小，电压U2也减小；R1、R4并联电压U并＝U－U2，U增大，