2019_2020学年高考物理主题2电路及其应用微型专题5闭合电路欧姆定律的应用学案必修.pdf

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1、微型专题 5 闭合电路欧姆定律的应用微型专题 5 闭合电路欧姆定律的应用 学科素养与目标要求 物理观念 ： 1.进一步熟练掌握闭合电路欧姆定律及串、并联电路的特点.2.熟练掌握闭合电路 中的功率和相关物理量的关系. 科学思维 ： 1.学会分析闭合电路动态问题的方法.2.会计算闭合电路的功率， 借助公式和图象， 分析求解电源的最大输出功率.3.学会含容电路的分析方法. 一、闭合电路的动态分析 闭合电路动态问题的分析方法 (1)程序法 分析电路，明确各部分电路的串、并联关系及电流表或电压表的测量对象； 由局部电阻变化判断总电阻的变化； 由I判断总电流的变化； E Rr 据UEIr判断路端电压的变化

2、； 由欧姆定律及串、并联电路的规律判断各部分的电路电压及电流的变化. (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. 例 1 (2018无锡市江阴四校高二期中)如图 1 所示，电源电动势和内阻都保持不变，当滑 动变阻器滑动触头向上端移动时( ) 图 1 A.电压表的读数增大，电

3、流表的读数减小 B.电压表和电流表的读数都增大 C.电压表和电流表的读数都减小 D.电流表的读数增大，电压表的读数减小 答案 A 解析 当滑动变阻器的滑动触头向上端移动时， 变阻器接入电路的电阻增大， 外电路总电阻R 增大， 由闭合电路欧姆定律知总电流I减小， 路端电压UEIr增大， 则电压表的示数增大 ； 电阻R2两端的电压U2EI(rR1)增大， 流过电阻R2的电流I2增大， 则流过电流表的电流I3 II2减小，即电流表的读数减小，故 A 正确，B、C、D 错误. 学科素养 例 1 回顾了闭合电路的欧姆定律及串、并联电路的相关知识，并用于分析闭合 电路动态问题.一方面让学生对物理规律的认识

4、更加深刻，另一方面也让学生进一步了解了闭合 电路中的各物理量之间的关系，这很好的体现了“物理观念”和“科学思维”的学科素养. 针对训练 1 (2018聊城市期末)如图 2 所示电路中，开关 S 闭合，当滑动变阻器的滑片P 从a端向b端滑动时，以下判断正确的是( ) 图 2 A.电压表示数变大，通过灯 L1的电流变大，灯 L2变亮 B.电压表示数变小，通过灯 L1的电流变小，灯 L2变暗 C.电压表示数变大，通过灯 L2的电流变小，灯 L1变亮 D.电压表示数变小，通过灯 L2的电流变大，灯 L1变暗 答案 D 解析 当滑动变阻器的滑片P向上滑动时， 变阻器接入电路的电阻减小， 外电路总电阻减小

5、， 由I知总电流增大，通过 L2的电流增大，L2变亮；由U并EI(RL2r)知，变阻器 E R外r 与 L1并联部分电压减小，示数变小，L1变暗，D 正确. 二、闭合电路的功率 1.电源的总功率 P总EI；电源内电阻消耗的功率P内U内II2r；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 图 3 P出I2R 2R ， 当Rr时， 电源的输出功率最大， 其最大输出功率为Pm ( E Rr) E2 Rr2 R 4r .电源输出功率随外电阻变化曲线如图 3 所示. E2 4r 3.电源的效率 指电源的输出功率与电源的总功率之比， 即100%100% 100%. P出 P总 IU IE

6、 U E 对于纯电阻电路，电源的效率100%100%100%，所以当R增 I2R I2Rr R Rr 1 1r R 大时，效率提高.当Rr(电源有最大输出功率)时，效率仅为 50%，效率并不高. 例 2 如图 4 所示，电路中E3V，r0.5，R01.5，变阻器的最大阻值为 10. 图 4 (1)变阻器接入电路的阻值R为多大时，变阻器上消耗的功率最大？最大为多大？ (2)变阻器接入电路的阻值R为多大时，定值电阻R0上消耗的功率最大？最大为多大？ 答案 (1)2 W (2)0 W 9 8 27 8 解析 (1)此种情况可以把R0归入电源内电阻，这样变阻器上消耗的功率也就是电源的输出 功率. 即当

7、RrR02 时，R消耗功率最大为： PmW W. E2 4R 32 4 2 9 8 (2)定值电阻R0上消耗的功率可以表示为：PI2R0，因为R0不变，当电流最大时功率最大， 此时应有电路中电阻最小，即当R0 时，R0上消耗的功率最大： PmR01.5WW. E2 R0r2 32 1.50.52 27 8 功率最大值的求解方法 1.流过电源的电流最大时，电源的功率、内阻损耗功率均最大. 2.对某定值电阻来说，其电流最大时功率也最大. 3.电源的输出功率在外电阻等于内阻时最大，若不能相等，外电阻越接近内阻时，电源的输 出功率越大. 例 3 如图 5 所示，线段A为某电源的UI图线，线段B为某电阻

8、的UI图线，以上述电 源和电阻组成闭合电路时，求： 图 5 (1)电源的输出功率P出为多大？ (2)电源内部损耗的电功率是多少？ (3)电源的效率为多大？ 答案 (1)4W (2)2W (3)66.7% 解析 (1)根据题意从A的图线可读出E3 V，r 0.5 ， 从B图线中可读出外 E I短 3 6 电阻R1 . 由闭合电路欧姆定律可得I A2 A， E Rr 3 10.5 则电源的输出功率P出I2R4 W (2)电源内部消耗的功率P内I2r2 W， (3)电源的总功率P总IE6 W， 故电源的效率100%66.7%. P出 P总 1.稳定电路的UI图象有两种：一是电源的UI图象(如图 6

9、中a)；二是用电器的UI图 象，而用电器的UI图象又分两类：线性(图中b)和非线性(图中c). 图 6 2.两种图象的交点坐标表示该用电器单独与电源串联的工作电流和路端电压(也是用电器两 端的电压).如图，电源的输出功率分别为PbU1I1，PcU2I2. 三、含电容器电路的分析与计算 1.电路稳定后，由于电容器所在支路无电流通过，此支路相当于断路，因此电容器两极板间 的电压就等于该支路两端的电压. 2.电路的电流、电压变化时，将会引起电容器的充(放)电.如果电容器两端电压升高，电容器 将充电；如果电压降低，电容器将通过与它连接的电路放电. 3.根据公式QCU或 QCU，求电荷量及其变化量. 例

10、 4 如图 7 所示，电源电动势E10V，内阻可忽略，R14，R26，C30F，求： 图 7 (1)S 闭合后，稳定时通过R1的电流； (2)S 原来闭合，然后断开，这个过程中流过R1的总电荷量. 答案 (1)1A (2)1.2104C 解析 (1)S 闭合后，电路稳定时，R1、R2串联， 电流I1A. E R1R2 (2)S 闭合时，电容器两端电压UCU2IR26V，储存的电荷量QCUC.S 断开至达到稳定后 电路中电流为零，此时UCE，储存的电荷量QCUC.电容器上的电荷量增加了 Q QQCUCCUC1.2104C.电容器上电荷量的增加是在 S 断开以后才发生的，这只有 通过R1这条电路实

11、现，所以流过R1的电荷量就是电容器带电荷量的增加量. 提示：注意分析 S 闭合前、后电容器极板上的电压值及极板带电的正、负. 针对训练 2 (2018无锡市江阴四校高二期中)如图 8 所示的电路中，已知电容C1C2，电 阻R1R2， 电源电动势为E， 内阻为r， 当开关S由闭合状态断开时， 下列说法中正确的是( ) 图 8 A.电容器C1的电荷量增多，电容器C2的电荷量减少 B.电容器C1的电荷量减少，电容器C2的电荷量增多 C.电容器C1、C2的电荷量都增多 D.电容器C1、C2的电荷量都减少 答案 C 解析 开关 S 闭合时， 电容器C1两端电压与R2两端电压相等，C2两端电压与R1两端电

12、压相等 ； 开关 S 断开时，电路断路，电容器C1、C2两端电压均等于电源电动势E，由QCU知，电容 器C1、C2的电荷量均增多，C 正确. 1.(闭合电路的动态分析)(多选)(2018新余市期末)如图 9 所示， 电源电动势为E， 内阻为r， 不计电压表和电流表内阻对电路的影响， 当开关闭合后， 两小灯泡均能发光.在将滑动变阻器 的滑片逐渐向右滑动的过程中，下列说法正确的是( ) 图 9 A.小灯泡 L1、L2均变暗 B.小灯泡 L1变亮，小灯泡 L2变暗 C.电流表 A 的读数变小，电压表 V 的读数变大 D.电流表 A 的读数变化量与电压表 V 的读数变化量之比不变 答案 BCD 解析

13、将滑动变阻器的滑片逐渐向右滑动的过程中，变阻器接入电路的电阻增大，与灯 L1并 联的电路的电阻增大，外电路总电阻增大，干路电流减小，电流表读数变小，L2变暗，电源 的内电压减小，根据闭合电路欧姆定律知路端电压增大，电压表 V 的读数变大，而灯 L2两端 电压减小，所以灯 L1两端的电压增大，灯 L1变亮，故 B、C 正确，A 错误；电压表的读数变 化量(外电压的变化量)与电流表的读数变化量的比值为电源的内阻，电源的内阻不变，故 D 正确. 2.(电源的输出功率和效率)(多选)如图 10 所示，图线AB是某电源的路端电压随电流变化的 关系图线，OM是固定电阻R两端的电压随电流变化的图线，由图可知

14、( ) 图 10 A.该电源的电动势为 6V，内阻是 2 B.固定电阻R的阻值为 1 C.该电源的最大输出功率为 9W D.当该电源只向电阻R供电时，其效率约为 66.7% 答案 CD 解析 由图线AB可知电源的电动势E6V，短路电流为I短6A，则r1，故 A 错误 ； E I短 根据R得：R2，故 B 错误；当外电路电阻等于内阻时，电源的输出功率最大，所以 U I 该电源的最大输出功率P9W， 故 C 正确 ； 当该电源只向电阻R供电时， 电源效率 E2 4r UI EI 100% 100%66.7%，故 D 正确. 4 6 3.(闭合电路中功率的计算)(2018日照市期末)如图 11 所示

15、的电路中， 电源电动势E10V， 内阻r0.5，电动机的电阻R01.0，定值电阻R11.5.电动机正常工作时，理想电 压表的示数U13.0V.求： 图 11 (1)电源总功率； (2)电源的输出功率； (3)电动机消耗的电功率，以及将电能转化为机械能的功率. 答案 (1)20W (2)18W (3)12W 8W 解析 (1)已知电压表的示数U13.0V 和定值电阻R11.5， 根据欧姆定律可求出电路中的 电流 I2.0A U1 R1 电源的总功率P总EI20W (2)电源的输出功率P出EII2r18W (3)根据闭合电路的欧姆定律，电动机两端的电压U2EU1Ir6V 电动机消耗的电功率P电U2

16、I12W 电动机将电能转化为机械能的功率，就是电动机的输出功率P机U2II2R08W. 4.(含容电路的分析和计算)(2018华中师大附中质检)如图 12 所示，电源电动势E6V，内 阻r1，电阻R12，R23，R37.5，电容器的电容C4F.开关 S 原来断开， 从闭合开关 S 到电路稳定，试问这一过程中通过电阻R的电荷量是多少？ 图 12 答案 1.92105C 解析 S 断开时的等效电路图如图甲所示， 电容器C两端电压U等于电阻R2两端电压U2， 而U2 R23V E R1R2r 电容器C的带电荷量QCUCU21.2105C.且a板带正电，b板带负电. S 闭合时的等效电路图如图乙所示，

17、电容器C两端电压U等于电阻R1两端电压U1， 有R外3 R3R1R2 R3R1R2 干路电流：I1.5A E R外r 外电压U外EIr4.5V 电阻R1两端电压U1U外1.8V 2 5 电容器C的带电荷量QCUCU17.2106C 且a板带负电，b板带正电， 通过电阻R的电荷量 QQQ1.92105C. 一、选择题 考点一 闭合电路的动态分析 1.(多选)(2018重庆市期末)如图 1 所示的电路中，电表均为理想电表.闭合开关 S，当滑动 变阻器滑片P向左移动时，下列说法正确的是( ) 图 1 A.电流表 A 读数变大 B.电压表 V1读数变大 C.电压表 V2读数变大 D.灯泡 L 变亮 答

18、案 BC 解析 滑动变阻器滑片P向左移动，接入电路的电阻变大，电路总电阻变大，总电流减小， 内电压变小，外电压变大，电流表 A 读数变小，电压表 V1读数变大；总电流减小，灯 L 两端 电压减小，灯泡 L 变暗，而外电压变大，则滑动变阻器两端电压变大，所以电压表 V2读数变 大，故 A、D 错误，B、C 正确. 2.如图 2 所示的电路，三只相同的灯泡 L1、L2、L3，当滑动变阻器的滑动触头向b端移动时 ( ) 图 2 A.L1变亮，L2、L3变暗 B.L1、L2变亮，L3变暗 C.L1、L3变暗，L2变亮 D.L1、L3变亮，L2变暗 答案 B 3.(2018东营市期末)某种热敏电阻在环境

19、温度升高时， 电阻会迅速减小.将这种热敏电阻P 接入如图 3 所示电路，开关闭合.若环境温度升高，下列判断正确的是( ) 图 3 A.电路的总电阻变大B.流过P的电流变小 C.灯泡 A 变亮D.灯泡 B 变亮 答案 C 考点二 含容电路的分析与计算 4.在如图 4 所示的电路中， 当滑动变阻器的滑动片向下移动时， 关于电灯 L 的亮度及电容器C 所带电荷量Q的变化判断正确的是( ) 图 4 A.L 变暗，Q增大B.L 变暗，Q减小 C.L 变亮，Q增大D.L 变亮，Q减小 答案 B 解析 当滑动变阻器的滑动片向下移动时， 变阻器接入电路的电阻减小， 外电路总电阻减小， 由闭合电路欧姆定律知，干

20、路电流增大，电源的内电压增大，则路端电压减小，灯 L 变暗.电 容器极板间电压等于变阻器两端的电压.由上得知，路端电压减小，则通过 L 灯的电流减小， 而干路电流增大，则通过R1的电流增大，R1两端电压也增大，则变阻器两端的电压减小，电 容器所带电荷量Q减小，故 B 正确. 5.如图 5 所示，电路中R1、R2均为可变电阻，电源内阻不能忽略，平行板电容器C的极板水 平放置.闭合开关 S，电路达到稳定时，带电油滴悬浮在两板之间静止不动.如果仅改变下列 某一个条件，油滴仍能静止不动的是( ) 图 5 A.增大R1的阻值B.增大R2的阻值 C.增大两板间的距离D.断开开关 S 答案 B 解析 在直流

21、电路中，R2与电容器串联的支路不通，因此电容器两端的电压等于R1两端的电 压，增大R1的阻值，R1两端的电压增大，电容器两端的电压增大，由E 可知，电容器两极 U d 板间的电场强度增大，因此板间带电油滴受到的电场力增大，会向上运动，A 项错误 ； 增大R2 的阻值不改变电路中的总电阻，不改变R1两端的电压，因此电容器中油滴仍保持静止，B 项 正确；增大两板间的距离，而电容器两板间的电压一定，由E 可知，板间的场强减小，油 U d 滴受到的电场力减小，油滴会向下运动，C 项错误；断开开关 S，电容器会通过R1、R2进行 放电，使板间场强减小，油滴受到的电场力减小而向下运动，D 项错误. 6.(

22、多选)如图 6 所示的电路中， 电源电动势E6V， 内阻r1， 电阻R16，R25，R3 3，电容器的电容C2105F.若将开关 S 闭合，电路稳定时通过R2的电流为I；断开开 关 S 后，通过R1的电荷量为q.则( ) 图 6 A.I0.75AB.I0.5A C.q2105CD.q1105C 答案 AD 解析 开关 S 闭合时，I0.75A， 选项 A 对， B 错 ； 此时UCUR并1.5V，QCCUC E rR并R2 3105C， 若将开关断开， 则电容器上所带的电荷量通过R1、R3放掉， 因I1I3R3R112， 根据qIt可知，通过R1的电荷量qQC1105C，选项 C 错，D 对.

23、 1 3 考点三 电源的输出功率与效率 7.(2018重庆市期末)如图 7 所示， 电源电动势为E， 电源内阻为r1， 定值电阻R14， 滑动变阻器R2变化范围是 010，下列说法正确的是( ) 图 7 A.当R23 时，电源的输出功率最大 B.当R23 时，R1上获得的功率最大 C.当R20 时，电源的效率最大 D.当R20 时，R1上获得的功率最大 答案 D 解析 当R1R2r时，随着外电阻阻值增大，电源输出功率减小，所以当R20 时，电源的 输出功率最大，故 A 错误；当滑动变阻器的阻值为 0 时，电路中电流最大，定值电阻R1的功 率最大，故 B 错误，D 正确 ； 电源的效率100%1

24、00%，当滑动变阻器的阻值 UI EI EIr E 为 0 时，电路中电流最大，电源的效率最小，故 C 错误. 8.(多选)(2018日照市期末)如图 8 所示电路，电源内阻不可忽略，电表均为理想电表，开 关 S 闭合后，灯泡正常发光.若滑动变阻器R的滑动端向下滑动，下列判断正确的是( ) 图 8 A.电源的效率一定减小 B.电源的输出功率可能减小 C.灯泡 L 有可能会烧坏 D.电压表 V 和电流表 A 的示数均减小 答案 AB 解析 滑动变阻器R的滑动端向下滑动，变阻器接入电路的电阻减小，外电路总电阻减小， 外电压减小，由100%知，电源的效率减小，A 正确；由于不知外电阻与内电阻的 U外

25、I EI 关系，故电源的输出功率的变化无法确定，B 正确 ；R减小，R与 L 并联部分的电压减小， 示数减小，L 变暗，但的示数为总电流与通过 L 电流的差值，示数增大，C、D 错误. 9.(多选)(2018南师附中高二期中)如图 9 所示，是测定两个电源的电动势和内阻实验中得 到的路端电压和电流的关系图线，则应有( ) 图 9 A.当I1I2时，电源总功率P1P2 B.当U1U2时，电源输出功率P出 1r2，当I1I2时，由闭合电路欧姆定律可知，R1r2，故 A 正确；小灯泡的UI图线与电源的UI图线的交点即为小灯泡的工作状态，由 题图知， 小灯泡与电源 1 连接时消耗的功率P1U1I1小于

26、小灯泡与电源 2 连接时消耗的功率P2 U2I2，故 C 正确，D 错误. 11.(多选)在如图 11 甲所示的电路中，L1、L2和 L3为三个相同规格的小灯泡，这种小灯泡的 伏安特性曲线如图乙所示.当开关 S 闭合后，电路中的总电流为 0.25A，则此时( ) 图 11 A.通过 L1的电流为通过 L2的电流的 2 倍 B.此时 L1、L2和 L3的电阻均为 12 C.L1消耗的电功率为 0.75W D.L1消耗的电功率为 L2消耗的电功率的 4 倍 答案 AC 解析 电路中的总电流为 0.25A，则通过 L1的电流为 0.25A.因 L2和 L3并联，则 L2和 L3两端 电压相等， 它们

27、的电阻相等， 因此它们的电流也相等， 则有通过 L1的电流为通过 L2的电流的 2 倍， 故 A 正确 ； 由伏安特性曲线可以读出电流为I10.25A 时， 电压为U13V.L2的电流为I2 0.125A， 此时电压U20.4V， 因此它们的电阻不相等， 故 B 错误 ； L1消耗的电功率为PU1I1 30.25W0.75W， 故 C 正确 ； 因通过 L1的电流为通过 L2的电流的 2 倍， 假设它们的电阻相等， 则有 L1消耗的电功率为 L2消耗的电功率的 4 倍，如今它们的电阻不相等，因此 L1消耗的电 功率不为 L2消耗的电功率的 4 倍，故 D 错误. 二、非选择题 12.(2018

28、北京市朝阳区高二上期末)在如图 12 所示的甲、乙电路中，电源的电动势E3V， 内电阻r1.0，电阻R2.0，电动机的内阻R内2.0. 图 12 (1)甲图中闭合开关 S 后，电阻R的功率； (2)乙图中闭合开关 S 后，电路中的电流为 0.5A，电动机的热功率及输出功率. 答案 (1)2W (2)0.5W 0.75W 解析 (1)题图甲中闭合开关 S 后，电路中的电流：IA1A E Rr 3 21 电阻R上的功率：PI2R122W2W. (2)题图乙中闭合开关 S 后，电路中的电流为 0.5A，则电动机两端的电压 ：UEIr2.5V 电动机的总功率：PIU1.25W 热功率：P热I2R内0.

29、522W0.5W 输出功率：P出PP热0.75W 13.(2018平顶山市、许昌市、汝州市联考)图 13 所示电路中，电源的电动势E110V，电 阻R121，电动机的内阻R00.5，开关 S1始终闭合，当开关 S2断开时，电阻R1消耗的 电功率P1525W；当开关 S2闭合时，电阻R1消耗的电功率P2336W，求： 图 13 (1)电源的内阻r； (2)当开关 S2闭合时，电动机输出的机械功率P出. 答案 (1)1 (2)1606W 解析 (1)当开关 S2断开时，电动机被断路，此时电路中通过的电流为I E R1r 电阻R1消耗的功率P1I2R1，解得r1 (2)当开关 S2闭合时，设R1两端

30、的电压为U，有UP2R1 设此时电源中通过的电流为I，由闭合电路的欧姆定律有：EIrU 流过R1的电流为I1，流过电动机的电流为I2，有：I1，又I1I2I U R1 电动机的输出功率为P出UI2I22R0， 解得P出1606W. 14.(2018重庆市期末)如图 14 所示，电源电动势为E6V，内阻不计，电容C11F，电 容C22F，电阻R14，电阻R22.求： 图 14 (1)当开关 S 断开时，A、B两点间的电压UAB； (2)开关 S 从断开到闭合待电路稳定后电容器C1的电荷量的变化值. 答案 (1)6V (2)2106C 解析 (1)当开关 S 断开时， 电路电流I0，B与电源负极等势，A与电源正极等势， 则UABE 6V (2)当开关 S 断开时，电容器C1的电压UC11E 当 S 闭合后稳定时UC12UR1 UR1E R1 R1R2 电压减小 UC1UC11UC12 电容器C1的电荷量减少 QC1UC1， 解得：Q2106C.