2017-2018學(xué)年高中物理 第二章 直流電路 第9講 習(xí)題課：閉合電路歐姆定律和電路中的能量轉(zhuǎn)化學(xué)案 教科版選修3-1

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1、 第9講 習(xí)題課：閉合電路歐姆定律和電路中的能量轉(zhuǎn)化 [目標(biāo)定位]　1.會用閉合電路歐姆定律分析動態(tài)電路.2.知道電路中閉合電路的功率關(guān)系，會計算閉合電路的功率.3.會利用閉合電路歐姆定律進(jìn)行含電容器電路的分析與計算.4.知道短路與斷路，并會在閉合電路中進(jìn)行故障分析． 一、閉合電路的動態(tài)分析 1．解決閉合電路動態(tài)變化問題，應(yīng)按照局部→整體→局部的程序進(jìn)行分析． 2．基本思路：電路結(jié)構(gòu)的變化→R的變化→R總的變化→I總的變化→U內(nèi)的變化→U外的變化→固定支路→變化支路． (1)對于固定不變的部分，一般按照歐姆定律直接判斷． (2)對于變化的部分，一般應(yīng)根據(jù)分壓或分流間接判斷．

2、 (3)涉及變阻器滑動引起的電路變化問題，可將變阻器的滑動端分別滑至兩個極端去討論． 例1　如圖1所示，R1阻值恒定，R2為熱敏電阻(熱敏電阻阻值隨溫度降低而增大)，L為小燈泡，當(dāng)R2所在位置溫度升高時(　　) 圖1 A．R1兩端的電壓減小 B．小燈泡的亮度變暗 C．電流表的示數(shù)減小 D．通過R2的電流減小 解析　當(dāng)R2所在位置溫度升高時R2阻值減小，總電阻減小，總電流增大，電流表的示數(shù)增大，R1兩端的電壓U1＝IR1增大，故A、C錯誤；總電流增大，內(nèi)電壓增大，則路端電壓U＝E－Ir減小，并聯(lián)部分的電壓減小，所以燈泡L變暗，故B正確；通過L的電流減小，而總電流增大，則通過

3、R2的電流增大，故D錯誤． 答案　B 動態(tài)電路的分析方法 (1)程序法：按照局部→整體→局部的程序分析． (2)“并同串反”規(guī)律：所謂“并同”，即某一電阻增大時，與它并聯(lián)或間接并聯(lián)的電阻中的電流、兩端電壓、電功率都將增大，反之則減??；所謂“串反”，即某一電阻增大時，與它串聯(lián)或間接串聯(lián)的電阻中的電流、兩端電壓、電功率都將減小，反之則增大． 二、閉合電路的功率和效率 1．電源的總功率：P總＝EI；電源內(nèi)耗功率P內(nèi)＝U內(nèi)I＝I2r；電源輸出功率P出＝U外I. 2．對于純電阻電路，電源的輸出功率P出＝I2R＝R＝，當(dāng)R＝r時，電源的輸出功率最大，其最大輸出功率為P＝．電源輸出功率

4、隨外電阻的變化曲線如圖2所示． 圖2 3．電源的效率：指電源的輸出功率與電源的總功率之比，即η＝＝＝.對于純電阻電路，電源的效率η＝＝＝，所以當(dāng)R增大時，效率η提高．當(dāng)R＝r(電源有最大輸出功率)時，效率僅為50%，效率并不高． 例2　如圖3所示，電路中E＝3 V，r＝0.5 Ω，R0＝1.5 Ω，變阻器的最大阻值R＝10 Ω. 圖3 (1)在變阻器的阻值R為多大時，變阻器上消耗的功率最大？最大為多大？ (2)在變阻器的阻值R為多大時，定值電阻R0上消耗的功率最大？最大為多大？ 解析　(1)此種情況可以把R0歸入電源內(nèi)電阻，這樣變阻器上消耗的功率，也就是電源的輸出功率

5、． 即當(dāng)R＝r＋R0＝2 Ω時，R消耗功率最大為： Pm＝＝ W＝ W. (2)定值電阻R0上消耗的功率可以表示為：P＝I2R0，因?yàn)镽0不變，當(dāng)電流最大時功率最大，此時應(yīng)有電路中電阻最小，即當(dāng)R＝0時，R0上消耗的功率最大： Pm′＝R0＝×1.5 W＝ W. 答案　(1)2 Ω　 W　(2)0　 W (1)定值電阻消耗功率最大時通過的電流最大．(2)求可變電阻消耗的功率時可將其他電阻等效為電源內(nèi)阻． 三、含電容器電路的分析與計算方法 在直流電路中，當(dāng)電容器充、放電時，電路里有充、放電電流．一旦電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電容器在電路中就相當(dāng)于一個阻值無限大(只考慮電容器是理想

6、的，不漏電的情況)的元件，電容器處電路可看做是斷路，簡化電路時可去掉它． 1．電路穩(wěn)定后，由于電容器所在支路無電流通過，所以在此支路中的電阻上無電壓降低，因此電容器兩極間的電壓就等于該支路兩端的電壓． 2．當(dāng)電容器和電阻并聯(lián)后接入電路時，電容器兩極間的電壓與其并聯(lián)電阻兩端的電壓相等． 3．電路的電流、電壓變化時，將會引起電容器的充(放)電．如果電容器兩端電壓升高，電容器將充電；如果電容器兩端電壓降低，電容器將通過與它連接的電路放電． 例3　如圖4所示，電源電動勢E＝10 V，內(nèi)阻可忽略，R1＝4 Ω，R2＝6 Ω，C＝30 μF，求： 圖4 (1)S閉合后，穩(wěn)定時通過R1的

7、電流； (2)S原來閉合，然后斷開，這個過程中流過R1的電荷量． 解析　(1)S閉合后，電路穩(wěn)定時，R1、R2串聯(lián)，易求I＝＝1 A，即為通過R1的電流． (2)S閉合時，電容器兩端電壓UC＝U2＝I·R2＝6 V，儲存的電荷量Q1＝C·UC.S斷開至達(dá)到穩(wěn)定后電路中電流為零，此時UC′＝E，儲存的電荷量Q1′＝C·UC′.很顯然電容器上的電荷量增加了ΔQ＝Q′－Q＝CUC′－CUC＝1.2×10－4 C．電容器上電荷量的增加是在S斷開以后才產(chǎn)生的，只有通過R1這條途徑實(shí)現(xiàn)，所以流過R1的電荷量就是電容器上增加的電荷量． 答案　(1)1 A　(2)1.2×10－4 C 含電容器電

8、路的分析與計算方法： (1)首先確定電路的連接關(guān)系及電容器和哪部分電路并聯(lián)．(2)根據(jù)歐姆定律求并聯(lián)部分的電壓即為電容器兩極板間的電壓．(3)最后根據(jù)公式Q＝CU或ΔQ＝CΔU，求電荷量及其變化量． 四、電路故障分析 用電壓表檢查故障： (1)斷路故障判斷：先用電壓表與電源并聯(lián)，若有示數(shù)，再逐段與電路并聯(lián)，若電壓表指針偏轉(zhuǎn)，則說明該段電路中有斷點(diǎn)． (2)短路故障判斷：先用電壓表與電源并聯(lián)，若有示數(shù)，再逐段與電路并聯(lián)，若電壓表示數(shù)為零，則說明該段電路被短路． 例4　如圖5所示，用電壓表檢查電路的故障，測得Uad＝5.0 V，Ucd＝0，Uab＝5.0 V，則此故障可能是(　

9、　) 圖5 A．L斷路 B．R斷路 C．R′斷路 D．S斷路 解析　Uab＝5.0 V、Uad＝5.0 V說明b、c、d與電源之間和a與電源之間的元件和導(dǎo)線是完好的，又Ucd＝0，只能是R斷路． 答案　B 1．(閉合電路的動態(tài)分析)如圖6所示電路，電源內(nèi)阻不可忽略．開關(guān)S閉合后，在變阻器R0的滑動端向下滑動的過程中(　　) 圖6 A．電壓表與電流表的示數(shù)都減小 B．電壓表與電流表的示數(shù)都增大 C．電壓表的示數(shù)增大，電流表的示數(shù)減小 D．電壓表的示數(shù)減小，電流表的示數(shù)增大 答案　A 解析　由變阻器R0的滑動端向下滑可知R0連入電路的有效電阻減小，則R總減

10、小，由I＝可知I增大，由U內(nèi)＝Ir可知U內(nèi)增大，由E＝U內(nèi)＋U外可知U外減小，故電壓表示數(shù)減?。蒛1＝IR1可知U1增大，由U外＝U1＋U2可知U2減小，由I2＝可知電流表示數(shù)減小，故A正確． 2．(閉合電路的功率和效率)如圖7所示，直線A為電源的U－I圖線，直線B為電阻R的U－I圖線，用該電源和電阻組成閉合電路時，電源的輸出功率和效率分別是(　　) 圖7 A．4 W，33.3% B．2 W，33.3% C．4 W，66.7% D．2 W，66.7% 答案　C 解析　從題圖中可知E＝3 V，直線A和直線B的交點(diǎn)是電源和電阻R構(gòu)成閉合電路的工作點(diǎn)，因此P出＝UI＝4 W，P

11、總＝EI＝6 W．電源的效率η＝≈66.7%. 3．(含容電路分析)(多選)在如圖8所示的電路中，燈泡L的電阻大于電源的內(nèi)阻r，閉合開關(guān)S，將滑動變阻器的滑片P向左移動一段距離后，下列結(jié)論正確的是(　　) 圖8 A．燈泡L變亮 B．電源的輸出功率變小 C．電容器C上電荷量減少 D．電流表讀數(shù)變小，電壓表讀數(shù)變大 答案　BD 解析　將滑動變阻器的滑片P向左移動一段距離后，R的阻值變大，電路中電流變小，燈泡L變暗，A錯誤；路端電壓變大，電阻R兩端電壓變大，電容器C兩端電壓變大，電容器C上電荷量增加，C錯誤，D正確；當(dāng)外電路電阻等于電源的內(nèi)阻時電源的輸出功率最大，燈泡L的電阻

12、大于電源的內(nèi)阻r，則當(dāng)P向左移動一段距離后，外電路電阻比r大得越多，電源的輸出功率變小，B正確． 4．(電路故障分析)如圖9所示，燈泡L1、L2原來都正常發(fā)光，在兩燈突然熄滅后，用電壓表測得c、d間電壓比燈泡正常發(fā)光時的電壓高，故障的原因可能是(假設(shè)電路中僅有一處故障)(　　) 圖9 A．a(chǎn)、c間斷路 B．c、d間斷路 C．b、d間斷路 D．b、d間短路 答案　B 解析　因電路中L1、L2、R及電源串聯(lián)，電路中只有一處故障且兩燈不亮，電路中必是斷路，故D錯誤．電路中無電流，但c、d間電壓升高，是因?yàn)閏、d間斷路，c、d兩點(diǎn)分別與電源正、負(fù)極等電勢．故正確答案為B. 題

13、組一　閉合電路的動態(tài)分析 1．如圖1所示，電路中電源的電動勢為E，內(nèi)電阻為r，開關(guān)S閉合后，當(dāng)滑動變阻器R的滑片P向右移動的過程中，三盞規(guī)格相同的小燈泡L1、L2、L3的亮度變化情況是(　　) 圖1 A．燈L1、L2變亮，燈L3變暗 B．燈L2、L3變亮，燈L1變暗 C．燈L1、L3變暗，燈L2變亮 D．燈L2、L3變暗，燈L1變亮 答案　C 解析　變阻器與燈L1串聯(lián)后與燈L2并聯(lián)，再與燈L3串聯(lián)．將滑動變阻器的滑片P向右移動的過程中，變阻器接入電路的電阻增大，外電路總電阻增大，由閉合電路歐姆定律得知：干路電流I減小，則通過L3的電流減小，L3變暗，L3兩端電壓和電源內(nèi)阻所

14、占電壓都減小，則并聯(lián)部分電壓增大，所以流過燈L2的電流變大，L2變亮，I1＝I－I2，I減小，I2增大，則I1減小，燈L1變暗．故C正確． 2．如圖2所示的電路中，R1、R2為定值電阻，電源的電動勢為E、內(nèi)阻為r.若開關(guān)S0、S1均閉合時，電壓表讀數(shù)為U，電流表讀數(shù)為I，當(dāng)S1斷開時(　　) 圖2 A．電壓表示數(shù)變小，電流表示數(shù)變小 B．電壓表示數(shù)變小，電流表示數(shù)變大 C．電壓表示數(shù)變大，電流表示數(shù)變小 D．電壓表示數(shù)變大，電流表示數(shù)變大 答案　A 解析　由電路圖可知，當(dāng)開關(guān)S1閉合時，R1被短路，此時電路是R2的簡單電路，當(dāng)開關(guān)S1斷開時，R1、R2串聯(lián)，總電阻變大，干路

15、電流變小，所以電流表示數(shù)減小，根據(jù)歐姆定律U＝IR可知，R2兩端的電壓減小，所以電壓表示數(shù)也減小，故A正確． 題組二　閉合電路的功率和效率 3．兩個電池1和2的電動勢E1＞E2，它們分別向同一電阻R供電，電阻R消耗的電功率相同．比較供電時電池1和2內(nèi)部消耗的電功率P1和P2及電池的效率η1和η2的大小，則有(　　) A．P1＞P2，η1＞η2 B．P1＞P2，η1＜η2 C．P1＜P2，η1＞η2 D．P1＜P2，η1＜η2 答案　B 解析　因?yàn)镻、R相等，則電流I相等．由I＝＝；因E1＞E2，則r1＞r2，所以P1＞P2，而η＝＝，所以η與E成反比，故η1＜η2，故選B.

16、 4. 電源的效率η定義為外電路電阻消耗的功率與電源的總功率之比，如圖3所示，直線A為電源a的路端電壓與電流的關(guān)系圖線，直線B為電源b的路端電壓與電流的關(guān)系圖線．直線C為一個電阻R兩端的電壓與電流關(guān)系的圖線，將這個電阻R分別接到a、b兩電源上，那么(　　) 圖3 A．R接到電源a上，電源的效率較低 B．R接到電源b上，電源的輸出功率較大 C．R接到電源a上，電源的輸出功率較大，電源效率較高 D．R接到電源b上，電源的輸出功率較小，電源效率較高 答案　C 解析　電源的效率η＝＝，由題圖可知A與C交點(diǎn)處電壓大于B與C交點(diǎn)處電壓，則R接在電源a上效率較高；電源輸出功率P＝UI，由

17、題圖易得R接在電源a上輸出功率較大，A、B、D錯誤，C正確． 5．電動勢為E、內(nèi)阻為r的電池與定值電阻R0、變阻器R串聯(lián)，如圖4所示，設(shè)R0＝r，Rab＝2r，當(dāng)變阻器的滑片自a端向b端滑動時，下列各物理量中隨之減小的是(　　) 圖4 A．電池的輸出功率 B．變阻器消耗的功率 C．固定電阻R0消耗的功率 D．電池內(nèi)阻消耗的功率 答案　B 解析　根據(jù)推論：當(dāng)外電阻等于電源的內(nèi)阻時，電源的輸出功率最大，滑片自a端向b端滑動時，由于R0＝r，Rab＝2r，外電阻大于電源的內(nèi)阻，當(dāng)變阻器的滑片自a端向b端滑動時，則變阻器接入電路的電阻減小，電池的輸出功率增大．故A錯誤；電路中電流增

18、大，固定電阻R0上和電源的內(nèi)阻上消耗功率增大．將R0看成電源的內(nèi)阻，則有R0＋r＝2r，而Rab＝2r，利用推論可知，滑片在a點(diǎn)時變阻器的功率最大，滑片向右滑動時，變阻器消耗的功率減小．故B正確，C、D錯誤． 題組三　含容電路分析 6．(多選)M、N是一對水平放置的平行板電容器，將它與一電動勢為E，內(nèi)阻為r的電源組成如圖5所示的電路，R是并聯(lián)在電容器上的滑動變阻器，G是靈敏電流計，在電容器的兩極板間有一帶電的油滴處于懸浮狀態(tài)，如圖所示，現(xiàn)保持開關(guān)S閉合，將滑動變阻器的滑片向上滑動，則(　　) 圖5 A．在滑片滑動時，靈敏電流計中有從b向a的電流 B．在滑片滑動時，靈敏電流計中有從

19、a向b的電流 C．帶電油滴將向上運(yùn)動 D．帶電油滴將向下運(yùn)動 答案　BC 解析　電容器兩極板間的電壓U＝E，當(dāng)將滑動變阻器的滑片向上滑動時，R增大，U增大，電容器的電荷量增加，處于充電狀態(tài)，靈敏電流計中有電流，由于電容器上板帶正電，則靈敏電流計中有從a向b的電流，故A錯誤，B正確；U增大，由E＝分析得知，板間場強(qiáng)增大，則帶電油滴將向上運(yùn)動，故C正確，D錯誤． 7.阻值相等的四個電阻、電容器C及電池E(內(nèi)阻可忽略)連接成如圖6所示電路．開關(guān)S斷開且電流穩(wěn)定時，C所帶的電荷量為Q1；閉合開關(guān)S，電流再次穩(wěn)定后，C所帶的電荷量為Q2.Q1與Q2的比值為(　　) 圖6 A. B.

20、 C. D. 答案　C 解析　S斷開時等效電路如圖甲所示． 圖甲 電容器兩端電壓為U1＝×R×＝E； S閉合時等效電路如圖乙所示． 圖乙 電容器兩端電壓為U2＝×R＝E， 由Q＝CU得＝＝，故選項(xiàng)C正確． 題組四　電路故障分析 8．如圖7所示的電路中，閉合開關(guān)后，電壓表有示數(shù)、電流表指針幾乎不動．關(guān)于電路故障分析正確的是(　　) 圖7 A．燈泡L1短路 B．燈泡L1斷路 C．燈泡L2短路 D．燈泡L2斷路 答案　D 解析　如果燈泡L1短路，電路電阻較小，電流表指針偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)較大．此選項(xiàng)不符合題意；如果燈泡L1斷路，整個電路斷路，電壓表、電流表指針

21、都不會偏轉(zhuǎn)．此選項(xiàng)不符合題意；如果燈泡L2短路，電路電阻較小，電流表指針偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)較大；電壓表相當(dāng)于與導(dǎo)線并聯(lián)無示數(shù)．此選項(xiàng)不符合題意；如果燈泡L2斷路，電壓表測量電源電壓，指針會明顯偏轉(zhuǎn)；電路電流特別小，指針幾乎不動，此選項(xiàng)符合題意． 9．如圖8所示，E為內(nèi)阻不能忽略的電池，R1、R2、R3均為定值電阻，與均為理想電表；開始時開關(guān)S閉合，均有讀數(shù)，某時刻發(fā)現(xiàn)和讀數(shù)均變大，則電路中可能出現(xiàn)的故障是(　　) 圖8 A．R1斷路 B．R2斷路 C．R1短路 D．R3短路 答案　B 解析　若R1斷路，電流表中沒有讀數(shù)，不符合題意，故A錯誤；若R2斷路，外電路總電阻增大，總電流減小

22、，內(nèi)電壓減小，則電壓表讀數(shù)變大；R3的分壓增大，則電流表的讀數(shù)變大，符合題意，故B正確；若R1短路，外電路總電阻減小，總電流增大，內(nèi)電壓增大，則電壓表讀數(shù)變小，不符合題意，故C錯誤；若R3短路，外電路總電阻減小，總電流增大，內(nèi)電壓增大，則電壓表讀數(shù)變小，不符合題意，故D錯誤． 題組五　綜合應(yīng)用 10．如圖9所示，R為電阻箱，為理想電壓表，當(dāng)電阻箱讀數(shù)為R1＝2 Ω時，電壓表讀數(shù)為U1＝4 V；當(dāng)電阻箱讀數(shù)為R2＝5 Ω時，電壓表讀數(shù)為U2＝5 V．求： 圖9 (1)電源的電動勢E和內(nèi)阻r. (2)當(dāng)電阻箱R讀數(shù)為多少時，電源的輸出功率最大？最大值Pm為多少？ 答案　(1)6 V

23、　1 Ω　(2)1 Ω　9 W 解析　(1)由閉合電路歐姆定律E＝U1＋r① E＝U2＋r② 聯(lián)立①②并代入數(shù)據(jù)解得E＝6 V，r＝1 Ω (2)由電功率表達(dá)式P＝R③ 將③式變形為P＝④ 由④式知，R＝r＝1 Ω時， P有最大值Pm＝＝9 W 11．如圖10所示的電路中，R1＝3 Ω，R2＝6 Ω，R3＝1.5 Ω，C＝20 μF.當(dāng)開關(guān)S斷開時，電源所釋放的總功率為2 W；當(dāng)開關(guān)S閉合時，電源所釋放的總功率為4 W，求： 圖10 (1)電源的電動勢和內(nèi)電阻； (2)閉合S時，電源的輸出功率； (3)S斷開和閉合時，電容器所帶的電荷量各是多少？ 答案　(1)4 V　0.5 Ω　(2)3.5 W　(3)6×10－5 C　0 解析　(1)S斷開時：外電路R2、R3串聯(lián)： E＝I1(R2＋R3)＋I(xiàn)1r① P1＝EI1② S閉合時：外電路R1、R2并聯(lián)后與R3串聯(lián) R外′＝R3＋ 代入數(shù)據(jù)R外′＝(1.5＋)Ω＝3.5 Ω③ 對閉合電路E＝I2R外′＋I(xiàn)2r④ P2＝EI2⑤ 由①②④⑤可得 (2)閉合S時，電源的輸出功率 P＝IR外′＝12×3.5 W＝3.5 W (3)S斷開時 Q1＝CUR2＝20×10－6×0.5×6 C＝6×10－5 C S閉合，電容器兩端的電勢差為零，則Q2＝0 15