[理化生]电源的电动势和内阻闭合电路的欧姆定律

电源的电动势和内阻 闭合电路的欧姆定律,一、电动势 1概念：电动势是电源把正电荷从负极送到正极非静电力所做的功和移送电荷量的比值，E_ ，表征的是非静电力做功的本领 2物理意义：反映电源把其他形式的能转化成电能的本领大小在数值上等于_把1C的正电荷在电源内从负极移送到正极_ 3注意:电动势由电源中非静电力的特性决定，跟电源的体积无关，也跟外电路无关.等于电源未接入电路两极的电势差.,W/q,非静电力,所做的功,例 如图所示，直线OAC为某一直流电源的总功率PE随电流I变化的图线，抛物线ODC为同一直流电源内部放热功率Pr随电流I变化的图线，若A、D对应的横坐标为2A，则下面说法不正确的是( ) A电源电动势为3V，内阻为1 B线段AD表示的功率为2W C电流为2A时，外电路电阻为0.5 D电流为3A时，外电路电阻为2 答案：D,二、闭合电路的欧姆定律的内容, 闭合电路中的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路中的电阻之和成反比这个结论通常叫做闭合电路的欧姆定律, 闭合电路欧姆定律的表达形式有：,E=U外+U内, （I、R间关系）, U=E-Ir （U、I 间关系）, （U、R间关系）,（3）,讨论：,U=E-Ir,从上式可以看出: (E、r 是常量，R、I、U是变量),a.当外电阻R减小时，可知I增大，内电压UIr 增大, 路端电压U减小,b.当外电路短路时，R趋近于零，I趋近于E/r，路端电压U趋近于零电源的内阻一般都很小，所以短路时电流很大为Im=E/r .,c.当外电阻R增大时，则I 减小，内电压UIr减小， 路端电压U增大当外电路断开时，R变为无限大， I 变为零，Ir 也变为零，U=E 这就是说，开路时的路端电压等于电源的电动势. 而这时用电压表去测量时，读数却应该略小于电动势 （还有微弱电流通过电源）。,三、闭合电路的U-I 图象,右图中a为电源的U-I图象；b为外电阻的U-I 图象； a的斜率的绝对值表示内阻大小；a与纵轴的交点坐标表示电源的电动势；b的斜率的绝对值表示外电阻的大小;两者的交点坐标表示该电阻接入电路时电路的总电流和路端电压；该点和原点之间的矩形的面积表示电源的输出功率；,三、 电源的功率和效率,电功率：,电源的输出功率P出=UI,电源内部消耗的功率Pr=I 2r,电源的总功率 PE=EI,电源的输出功率，,可见电源输出功率随外电阻变化的图线如图所示，,而当内外电阻相等时， 电源的输出功率最大为,电源的效率：,（最后一个等号只适用于纯电阻电路）,例： 在如图所示电路中，已知电源电动势E3V，内电阻r1，R12，滑动变阻器R的阻值可连续增大，求： (1)当R多大时，R消耗的功率最大？ (2)当R多大时，R1消耗的功率最大？,电路故障一般是短路或断路，常见的情况有导线断芯、灯泡断丝、灯座短路、电阻器内部断路、接触不良等现象，检查故障的基本方法有两种 1电压表检测法 如果电压表示数为0.说明电压表上无电流通过，则可能在并联路段之外有断路，或并联路段内有短路 如果电压表有示数，说明电压表上有电流通过，则在并联路段之外无断路，或并联路段内无短路 2用多用电表的欧姆挡检测 对要检测的电路切断电源，逐一元件脱离电路(或对某段电路检测)后测量是通路还是断路便可找到故障之处,四 :电路故障的分析方法,例：如图所示，电源电动势为6V，当开关接通时，灯泡L1和L2都不亮，用电压表测得各部分电压是Uad0，Ucd6V，Uab6V，由此可以断定( ) AL1和L2的灯丝都断了 BL1的灯丝断了 CL2的灯丝断了 D变阻器R断路 答案：C,分析：求解此题应把握以下两点： (1)如电压表有示数，说明与电压表、电源串联的电路无故障 (2)如电压表无示数，说明与电压表、电源串联的电路有断路故障 解析：由题给条件知，电路中有的地方没有电压由Uad0，Uad6V可知电路是断路由Uab6V和Ucd6V可知，内电路a、b之间没有断点，外电路中的a、b和c、d之间有断点，取其公共部分可知灯L2断路，由电灯L2两端电压不为零，可知灯L1与变阻器R是导通的选项C正确,五、 动态电路的讨论,闭合电路中只要有一只电阻的阻值发生变化，就会影响整个电路，使总电路和每一部分的电流、电压都发生变化。基本思路是“部分整体部分”。即从阻值变化的的入手，由串并联规律判知R总的变化情况再由闭合电路欧姆定律判知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，其一般思路为：,（1）确定电路的外电阻R外总如何变化；, 当外电路的任何一个电阻增大（或减小）时，电路的总电阻一定增大（或减小）, 若电键的闭合使串联的用电器增多，总电阻增大;若电键的闭合使并联的支路增多，总电阻减小。,（ 2）根据闭合电路欧姆定律 确定电路的总电流如何变化；,（3）由U内=I总r确定电源内电压如何变化；,（4）由U外=EU内确定电源的外电压 ( 路端电压 )如何变化；,（5）由部分电路欧姆定律确定干路上某定值电阻两端的电压如何变化；,（ 6）确定支路两端电压如何变化以及通过各支路的电流如何变化（可利用串联电路的电压关系、并联电路的电流关系）。,总结:动态电路的规律,如下“串反并同”,“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。,注意“串反并同”法则的应用条件：单变量电路。,对于多变量引起的电路变化，若各变量对同一对象分别引起的效果相同，则该原则的结果成立；若各变量对同一对象分别引起的效果相反，则“串反并同”法则不适用。,例1、,右图电路中, 设R1增大，各电阻中的电流和两端电压如何变化？,解：,R1增大，总电阻增大；,I 减小；,由U=E-Ir，U增大；,因此U4、I4增大；,由I3= I-I4，,I3、U3减小；,由U2=U-U3，U2、I2增大；,由I1=I3 -I2，I1减小。,应用“串反并同”法则分析同样可得到结果：,R1增大，R3与R1串联，电流I3、电压U3均减小；,R2、R4与R1并联，电流I2、I4均增大； 电压U2 、U4均增大。,附：分压器电路总电阻的变化,如图所示分压电路中，滑动变阻器可以视为由两段电阻构成，其中一段与电器并联（以下简称并联段），另一段与并联部分相串联（以下简称串联段）；设滑动变阻器的总电阻为R，灯泡的电阻为R灯，与灯泡并联的那一段电阻为R并­，则分压器的总电阻为：,由上式可以看出，当R并减小时，R总增大；当R并增大时，R总减小。,由此可以得出结论：分压器总电阻的变化与并联段电阻的变化情况相反，与串联段电阻的变化相同。,例 (2006·上海高考)在如图所示电路中，闭合电键S，当滑动变阻器的滑动触头P向下滑动时，四个理想电表的示数都发生变化，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表示下列比值正确的是( ),电容器是一个储存电能的元件，在直流电路中，当电容器充、放电时，电路有充电、放电电流，一旦电路达到稳定状态，电容器在电路中就相当于一个阻值无限大(只考虑电容器是理想不漏电的情况)的元件，在电容器处电路可看做是断路，简化电路时可去掉它，简化后若要求电容器所带电荷量时，可在相应的位置补上，分析和计算含有电容器的直流电路时，关键是准确地判断和求出电容器两端的电压，具体做法是： 1确定电容器和哪个电阻并联，该电阻两端电压即为电容器两端电压 2当电容器和某一电阻串联后，接在某一电路两端时，此电路两端即为电容器两端电压 3当电容器与电源直接相连时，电容器两极板间电压等于电源电动势的大小,六：含电容器的电路的分析,例： 如图所示，将一根粗细均匀的电阻丝弯成一个闭合的圆环，接入电路中，电路与圆环的O点固定，P为与圆环良好接触的滑动头闭合开关S，在滑动头P缓慢地由m点经n点移到q点的过程中，电容器C所带的电荷量将( ) A由小变大 B由大变小 C先变小后变大 D先变大后变小 答案：C,分析：将闭合圆环电阻等效为优弧和劣弧的并联，明确在图示位置时并联电阻最大，然后再分析滑动头P由m点经n点移到q点的过程中电阻R两端的电压的变化、最后确定电容器所带电荷量的变化情况 解析：在图示位置时并联电阻最大，从m点到过图示位置过程中圆环总电阻增大，从图示位置到q位置过程中圆环总电阻减小，则电阻R两端的电势差先减后增，即电容器上的电压先减后增由C，电容器C所带的电荷量先减小后增大，C对 反思提升：在含有电容器的电路问题中，解决的关健是如何准确地判断和求出电容器两端的电压.其有效方法是：先确定电容器与哪个电阻并联，电容器两端电压始终与该电阻两端电压相同,练习1（电路） ： 如图所示，图线a是某一蓄电池组的伏安特性曲线，图线b是一定值电阻的伏安特性曲线将蓄电池组与该定值电阻连成闭合回路，若已知该蓄电池组的内阻为2.0，则这个定值电阻的阻值为_.现有4个这种规格的定值电阻可任意选取其中的若干个进行组合，作为该蓄电池组的外电路，则所组成的这些外电路中，输出功率最大的是_W. 答案：6 50,练习2（功率） 三只灯泡L1、L2和L3的额定电压分别为1.5V、1.5V和2.5V，它们的额定电流都为0.3A.若将它们连接成如图a、b所示电路，且灯泡都正常发光 (1)试求图a电路的总电流和电阻R2消耗的电功率； (2)分别计算两电路电源提供的电功率，并说明哪个电路更节能 答案：(1)0.9A 0.045W (2)2.7W 1.8W 图(b)更节能,反思提升：只要熟练掌握闭合电路的欧姆定律及功率的计算方法，本题不难解答.,由于图(a)总电流为三灯电流之和，尽管EE/2，仍有P总P总.该题从节能的角度为实际电路的连接提供了有力的理论依据,练习3（动态） (2009·广东单科)如图所示，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( ) A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 答案：C 解析：合上S2后，电路的总电阻减小，总电流增大，通过R1的电流增大，选项C正确；电源的输出功率等于总功率即PEI增大选项A错误；L1两端的电压UEIR1减小，则其消耗的功率减小，选项B错误；通过R3的电流IU/R减小选项D错误.,练习4(电容):如图所示的电路中，电源的电动势E=3.0 V，内阻r=1.0 ；电阻R1=10 ,R2=10 ,R3=30 ,R4=35 ；电容器的电容C=10 F.电容器原来不带电.求接通电键K并达到稳定这一过程中流过R4的总电量。,解：,由电阻的串并联公式,得闭合电路的总电阻为,由欧姆定律得, 通过电源的电流,I=E/R=1/3 A,电源的端电压,U=E-Ir=8/3 V,电阻R3两端的电压,通过R4的总电量就是电容器的电量,Q=CU=2.0×10-5 C,练习5（电容） ：(2009·江苏单科)在如图所示的闪光灯电路中，电源的电动势为E，电容器的电容为C.当闪光灯两端电压达到击穿电压U时，闪光灯才有电流通过并发光正常工作时，闪光灯周期性短暂闪光，则可以判定( ) A电源的电动势E一定小于击穿电压U B电容器所带的最大电荷量一定为CE C闪光灯闪光时，电容器所带的电荷量一定增大 D在一个闪光周期内，通过电阻R的电荷