（2021新人教版）高中物理必修第三册12.2-1、2闭合电路的欧姆定律 学案.zip

第十二章第十二章 第第 2 节节闭合电路的欧姆定律闭合电路的欧姆定律 【学习目标学习目标】 1知道电源是通过非静电力做功将其他形式的能转化为电能的装置，知道电动势 的定义式。 2经历闭合电路欧姆定律的理论推导过程，理解内、外电路的能量转化，体验能 量转化和守恒定律在电路中的具体应用。 3理解闭合电路的欧姆定律，通过探究电源两端电压与电流的关系，体会图像法 在研究物理问题中的作用。 4能根据闭合电路欧姆定律解释路端电压与负载的关系。 5知道欧姆表测量电阻的原理。 6了解电源短路可能会带来的危害，加强安全用电意识。 【课前预习课前预习】 一、电动势一、电动势 1闭合电路：由导线、电源和用电器连成的电路。用电器和导线组成外电路，电 源内部是内电路。 2非静电力：在电源内部把正电荷从负极搬运到正极的力。 3电源：通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。 4电动势 (1)物理意义：表征电源把其他形式的能转化为电势能的本领。 (2)定义：非静电力所做的功与所移动的电荷量之比。(在数值上等于非静电力把 1C 的正电荷从负极移到正极所做的功) (3)定义式：E。(使用时注意与电场强度 E 的区别) W q (4)单位：伏(特)，符号是 V。 二、闭合电路欧姆定律及其能量分析二、闭合电路欧姆定律及其能量分析 1部分电路欧姆定律：I U R 2内电阻：电源内电路中的电阻 3闭合电路的欧姆定律 (1)推导 时间 t 内，电源输出的电能：WEqEIt 时间 t 内，外电路 R 转化的内能：Q外I2Rt 时间 t 内，内电路 r 转化的内能：Q内I2rt 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：WQ外 Q内 EItI2RtI2rt 化简： EIRIr I E Rr (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。 (2)表达式：I (外电路电阻 R 为纯电阻) E Rr (3)常见的变形公式：EU外U内 三、路端电压与负载的关系三、路端电压与负载的关系 1负载：外电路中的用电器。 2路端电压：外电路的电势降落。 3路端电压与电流的关系：UEIr (1)电源的 U-I 图像 解析式：UrIE 斜率：kr | U I| (2)分析： 外电阻 R 减小I 增大U内(Ir) 增大U 减小； 外电路断路(R)I0U内(Ir)0UE，(图像纵截距表示电源电动势 E) 外电路短路(R0) I U内(Ir)EU0，(图像横截距表示短路电流 I E r 短) 判一判判一判 (1)非静电力做功，可以使正电荷在电源内部由负极移动到正极。() (2)电动势越大，闭合电路的电流就越大。() (3)电源的内阻越大，闭合电路的电流就越小。() (4)电源一定时，负载电阻越大，电流越小。() (5)电源发生短路时，电流为无穷大。() (6)外电路断路时，电源两端的电压就是电源电动势。() 【学习过程学习过程】 任务一：对电动势的理解任务一：对电动势的理解 例 1铅蓄电池的电动势为 2 V，一节干电池的电动势为 1.5 V，将铅蓄电池和干电 池分别接入电路，两个电路中的电流分别为 0.1 A 和 0.2 A。试求两个电路都工作 20 s 时间，电源所消耗的化学能分别为多少？哪一个把化学能转化为电能的本领更大？ 解析对铅蓄电池电路，20 s 内通过的电荷量 q1I1t2 C 对干电池电路，20 s 内通过的电荷量 q2I2t4 C 由电动势定义式 E得，电源消耗的化学能分别为 W q W1q1E14 J， W2q2E26 J， 因 E1E2，故铅蓄电池把化学能转化为电能的本领大。 答案4 J6 J铅蓄电池 变式训练 1-1以下有关电动势的说法正确的是() A电源的电动势跟电源内非静电力做的功成正比，跟通过的电荷量成反比 B电动势为 2 V，其表示电路中每通过 1 C 电荷量，电源把 2 J 的其他能量转变 为电能 C非静电力做的功越多，电动势就越大 D电动势就是电势差，也叫电压，单位是 V 反思总结反思总结 1电动势与电压的对比 物理量电动势 E电压 U 物理意义 非静电力做功将其他形式的能转 化为电能的本领，表征电源的性 质 表示电场力做功将电能转化为其 他形式的能的本领，表征电场的 性质 定义式 E，W 为非静电力做的功 W q U，W 为电场力做的功 W q 单位伏特(V)伏特(V) 联系电动势等于内、外电路电势降落之和(总电压) 变式训练 1-2 (多选)下列说法中正确的是 () A电源的电动势实质上就是电源两极间的电压 B用电压表直接连到电源两端，电压表的读数就为电源电动势的大小 C电源的电动势与电压的单位相同，但与电压有本质的区别 D电动势越大，电源两极间的电压一定越高 解析电动势是描述电源把其他形式的能转化为电势能的本领大小的物理量，而 电压是电场中两点间的电势差，电动势与电压有着本质的区别，所以选项 A 错，C 对； 由电路知识可知，选项 B 对；电动势越大，电源两极间的电压不一定越高，选项 D 错 变式训练 1-3 (多选)关于电源与电路，下列说法正确的是() A外电路中电流由电源正极流向负极，内电路中电流也由电源正极流向负极 B外电路中电流由电源正极流向负极，内电路中电流由电源负极流向正极 C外电路中电场力对电荷做正功，内电路中电场力对电荷也做正功 D外电路中电场力对电荷做正功，内电路中非静电力对电荷做正功 BD电路中电流是由电荷的定向移动形成的，外电路中，电荷在导线中电场的作 用下运动，此过程电场力对电荷做正功。根据稳定电流的闭合性和电荷守恒定律，在 内电路中，电荷运动方向与电场力的方向相反，电场力对电荷做负功。所以必须有除 电场力以外的非静电力做功，使其他形式的能转化为电荷的电势能，所以 B、D 正确。 任务二：对闭合电路欧姆定律的理解任务二：对闭合电路欧姆定律的理解 例 2一太阳能电池板，测得它的开路电压为 800 mV，短路电流为 40 mA。若将 该电池板与一阻值为 20 的电阻连成一闭合电路，则它的路端电压是() A0.10 VB0.20 VC0.30 VD0.40 V D电源电动势为 0.8 V，根据 I短 ，解得 r20 ，所以 UE0.4 E r E I短 R Rr V，D 正确。 变式训练 2-1如图所示是某电源的路端电压与电流的关系图像，下面结论正确的 是() A电源的电动势为 6.0 V B电源的内阻为 12 C电源的短路电流为 0.5 A D电流为 0.3 A 时外电阻是 1.8 A由闭合电路欧姆定律 UEIr 得，当 I0 时，UE，即图线与纵轴交点表 示断路状态，电动势 E6 V，故 A 正确。电源的内阻等于图线斜率的绝对值， r 2 ，故 B 错误。外电阻 R0 时，短路电流为 I A3 A，故 | U I| 65 0.5 E r 6 2 C 错误。电流 I0.3 A 时，路端电压 UEIr6 V0.32 V5.4 V，则外电阻 R 18 ，故 D 错误。 U I 变式训练 2-2如图所示，R1R34 ，R28 ，当滑动变阻器 R3的滑片滑到 A 端时，电压表示数为 15 V；当滑片滑到 B 端时，电流表示数为 4 A。试求电源的电动 势和内电阻。 解析滑片滑到 A 端时，R2、R3串联，再与 R1并联，则 R外 R1R2R3 R2R3R1 3 ，由闭合电路欧姆定律得 EUr。 4 84 844 U R外 滑片滑到 B 端时，R1、R3串联，再与 R2并联，则 R外 R2R1R3 R2R1R3 8 44 844 4 ，由闭合电路欧姆定律得 EI(R外r)。 由两式代入数据解得：E20 V，r1 。 答案20 V1 变式训练 2-3某品牌小汽车电动机和车灯的实际电路可以简化为如图所示的电路， 电源电动势 E12.5 V，内阻 r0.05 ，电动机的线圈电阻 r0.02 ，只闭合 S1时， 电流表示数 I110 A，再闭合 S2，电动机正常工作，电流表示数 I258 A(电流表内阻 不计)，不考虑灯丝电阻的变化。求： (1)在只闭合 S1时，车灯两端电压 UL和车灯的功率 PL； (2)再闭合 S2后，车灯两端的电压 UL和电动机输出功率 P出。 解析(1)只闭合 S1时，设车灯灯丝电阻为 R， 由欧姆定律得 I1 E Rr 解得 R1.2 车灯两端的电压 ULI1R12 V 车灯消耗功率 PLI R120 W。 2 1 (2)闭合 S1、S2后，ULEI2r9.6 V 流过车灯的电流 IL8 A UL R 电动机的输出功率 P出P入P消UL(I2IL)(I2IL)2r430 W。 答案(1)12 V120 W(2)9.6 V430 W 2特别提醒特别提醒 (1) 外电路短路时电路中电流较大，为防止将电源、电路烧坏或引发火灾事故，一 般不允许这种情况发生。 (2) 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列式计算。 2电源的连接 (1)n 个完全相同的电源串联：电源的总电动势 E总nE，电源的总内阻 r总nr。 (2)n 个完全相同的电源并联：电源的总电动势 E总E，电源的总内阻 r总 。 r n 闭合电路的闭合电路的“四率四率”问题问题 【知识梳理知识梳理】 1电源的总功率 (1)任意电路：P总EIU外IU内IP出P内 (2)纯电阻电路：P总I2(Rr) E2 Rr 2电源内部消耗的功率：P内I2rU内IP总P出 3电源的输出功率 (1)任意电路：P出UIEII2rP总P内。 (2)纯电阻电路：P出I2R E2R (Rr)2 E2 (Rr)2 R 4r 讨论：如图所示 当 Rr 时，电源的输出功率最大为 Pm。 E2 4r 当 Rr 时，随着 R 的增大输出功率越来越小。 当 Rr 时，随着 R 的增大输出功率越来越大。 当 P出Pm时，每个输出功率对应两个可能的外电阻 R1和 R2，且 R1R2r2。 4电源的效率 (1)任意电路：100% 100% P出 P总 U E (2)纯电阻电路：100%100% R Rr 1 1 r R 讨论：R 越大， 越大；当 Rr 时，电源有最大输出功率，效率仅为 50%。 【巩固训练巩固训练】 【例 1】如图所示，已知电源电动势 E6 V，内阻 r1 ，保护电阻 R00.5 ， 求：当电阻箱 R 读数为多少时，保护电阻 R0消耗的电功率最大，并求这个最大值。 解析保护电阻消耗的电功率为 P0，因 R0和 r 是常量，而 R 是变 E2R0 rRR02 量，所以 R 最小时，P0最大，即 R0 时，P0max W8 W。 E2R0 rR02 62 0.5 1.52 答案R0P0max8 W 【变式训练 1】在【例 1】中，条件不变，求当电阻箱 R 读数为多少时，电阻箱 R 消耗的功率 PR最大，并求这个最大值。 解析这时要把保护电阻 R0与电源内阻 r 算在一起，据以上结论，当 RR0r，即 R1 0.5 1.5 时，电阻箱 R 消耗的功率最大， PRmax W6 W。 E2 4rR0 62 4 1.5 答案R1.5 PRmax6 W 【变式训练 2】在【例 1】中，若电阻箱 R 的最大值为 3 ，R05 ，求：当电阻 箱 R 读数为多少时，电阻箱 R 的功率最大，并求这个最大值。 解析把 R05 当作电源内阻的一部分， 则等效电源内阻 r等为 6 ，而电阻箱 R 的最大值为 3 ，小于 6 ， 由 PR， ( E Rr等) 2 E2 Rr等2 R 4r等 可知不能满足 Rr等，所以当电阻箱 R 的电阻取 3 时，R 消耗功率最大，最大 值为：PR W。 ( E Rr等) 2 4 3 答案R3 P W 4 3 【变式训练 3】保持【例 1】条件不变，求电源的最大输出功率。 解析由电功率公式 P出R外，当 R外r 时，P出最 ( E R外r) 2 E2 R外r2 R外 4r 大，即 RrR00.5 时，P出 max W9 W。 E2 4r 62 4 1 答案9 W 【变式训练 4】如图所示，电源电动势 E2 V，内阻 r1 ，电阻 R02 ，可 变电阻的阻值范围为 010 。求可变电阻为多大时，R 上消耗的功率最大，最大值为 多少？ 解析法一PR，根据闭合电路的欧姆定律，路端电压 U2 R UE， R0R R0R r R0R R0R ER0R rR0rRR0R 所以 PR， E2R2 0R rR0rRR0R2 代入数据整理得 PR，当 R 时，R 上消耗的功率最大，PRmax 16 4 R9R12 2 3 2 3 W。 法二采用等效电源法分析，把定值电阻等效到电源的内部，即把电源和定值电 阻看作电动势为 EE，内阻为 r的电源，当 Rr时，电源对外 R0 R0r R0r R0r R0r R0r 电路 R 的输出功率最大 PRmax。 E2 4r 把数值代入各式得：E等EE V； R0 R0r 4 3 r等r 。 R0r R0r 2 3 所以 PRmax W。 E 2 等 4r等 2 3 答案R P W 2 3 2 3 练 1将一电源与一电阻箱连接成闭合回路，测得电阻箱所消耗功率 P 与电阻箱读 数 R 变化的曲线如图所示，由此可知() A电源最大输出功率可能大于 45 W B电源内阻一定等于 5 C电源电动势为 45 V D电阻箱所消耗功率 P 最大时，电源效率大于 50% B由于题述将一电源与一电阻箱连接成闭合回路，电阻箱所消耗功率 P 等于电 源输出功率。 由电阻箱所消耗功率 P 与电阻箱读数 R 变化的曲线可知，电阻箱所消 耗功率 P 最大为 45 W，所以电源最大输出功率为 45 W，选项 A 错误；由电源输出功 率最大的条件可知，电源输出功率最大时，外电路电阻等于电源内阻，所以电源内阻 一定等于 5 ，选项 B 正确；由电阻箱所消耗功率 P 最大值为 45 W 可知，此时电阻箱 读数为 R5 ，电流 I3 A，电源电动势 EI(Rr)30 V，选项 C 错误；电阻 P R 箱所消耗功率 P 最大时，电源效率为 50%，选项 D 错误。 练 2如图所示电路中，R 为电阻箱，为理想电压表。当电阻箱读数为 R12 时，电压表读数为 U14 V；当电阻箱读数为 R25 时，电压表读数为 U25 V。 (1)求电源的电动势 E 和内阻 r； (2)当电阻箱 R 读数为多少时，电源的输出功率最大？最大值 Pm为多少？ 解析(1)由闭合电路的欧姆定律： EU1r U1 R1 EU2r U2 R2 解得：E6 V，r1 。 (2)电源的输出功率表达式：PR E2 Rr2 将上式变形为：P E2 Rr2 R 4r 由上式可知 Rr1 时， P 取最大值：Pm9 W。 E2 4r 答案(1)6 V1 (2)1 9 W