2021-2022学年人教版（2019）高中物理必修第三册12.2 闭合电路的欧姆定律 课件（ 57 张PPT）

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12.2 闭合电路的欧姆定律
图中小灯泡的规格都相同，两个电路中的电池也相同。多个并联的小灯泡的亮度明显比单独一个小灯泡暗。
如何解释这一现象呢？
如图 12.2-1，由导线、电源和用电器连成的电路叫作闭合电路（closed circuit）。用电器和导线组成外电路，电源内部是内电路。
一、电动势
在金属导体中，能够自由移动的电荷是自由电子。但电流的方向为正电荷移动的方向，下面按正电荷的移动进行讨论。
在外电路中，正电荷由电源正极流向负极。如果电路中只存在静电力的作用，电源正极的正电荷与负极的负电荷很快就会中和，电路中不能维持稳定的电流。电源之所以能维持外电路中稳定的电流，是因为它有能力把负极的正电荷经过电源内部不断地搬运至正极。
那么，电源的这种能力是怎么来的呢？
在电源内部，存在着由正极指向负极的电场。在这个电场中，静电力阻碍正电荷向正极移动。因此，在电源内部要使正电荷向正极移动，就一定要有一种与静电力方向相反的力作用于电荷才行（图 12.2-2）。
我们把这种力叫作非静电力。也就是说，电源把正电荷从负极搬运到正极的过程中，这种非静电力在做功，使电荷的电势能增加。从能量转化的角度看，电源是通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置。
在化学电池中，非静电力是化学作用，它使化学能转化为电势能；在发电机中，非静电力是电磁作用，它使机械能转化为电势能……
想一想，不同电源把其他形式的能转化为电势能的本领相同吗？在电源内部，电源移动电荷，增加电荷的电势能。在物理学中，我们用非静电力所做的功与所移动的电荷量之比来表示电源的这种特性，叫作电动势（electromotiveforce）。
电动势在数值上等于非静电力把 1 C 的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。如果移动电荷量 q 时非静电力所做的功为 W，那么，电动势 E 表示为
式中功 W 的单位是焦耳（J）,电荷量 q 的单位是库（C）,动势 E 的单位与电势、电压的单位相同,是伏特（V）。
电动势由电源中非静电力的特性决定，跟外电路无关。对于常用的干电池来说，电动势跟电池的体积无关。
二、闭合电路欧姆定律及其能量分析
导体中的电流 I 跟导体两端的电压 U 成正比，跟导体的电阻 R 成反比。这是我们在初中学过的部分电路欧姆定律（Ohm’s law），即
对于闭合电路而言，在外电路中，正电荷在恒定电场的作用下由正极移到负极；在电源内部，非静电力把正电荷由负极移到正极。
正电荷在静电力的作用下从电势高的位置向电势低的位置移动，电路中正电荷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。
通常在电源内部也存在电阻，内电路中的电阻叫内电阻，简称内阻。我们可以将电源看作一个没有电阻的理想电源与电阻的串联（图 12.2-3），这个电阻的电势也会沿电流方向降低。
对于闭合电路来说，内、外电路都会出现电势降低，电势能减少。那么，电流 I 跟 电源的电动势 E 及内阻 r、外电路的电阻 R 之间会有怎样的关系呢？
我们知道，电流做功的过程就是电能转化为其他形式能的过程。用电流做功的多少可以量度电能转化为其他形式能的多少。有了电动势的概念，我们就能更加方便地分析闭合电路中能量的转化情况。
在图 12.2-4 中，A 为电源正极，B 为电源负极。设电源电动势为 E，电源内阻为 r，外电路电阻为 R，闭合电路的电流为 I。
对于电源来说，因非静电力做功将其他形式的能转化为电能，转化的数值与非静电力做的功 W 相等。时间 t 内电源输出的电能为
W ＝ Eq ＝ EIt
电流通过电阻 R 时，电流做功，电能转化为内能。在时间 t内，外电路转化的内能为
Q 外 ＝ I 2 Rt
同理，电流通过内阻 r 时，电流做功，电能转化为内能。在时间 t 内，内电路转化的内能为
Q 内 ＝ I 2 rt
根据能量守恒定律，非静电力做的功应该等于内、外电路中电能转化为其他形式能的总和，即
W ＝ Q 外 ＋ Q 内
将 W、Q 外 和 Q 内 的表达式代入上述关系式有
EIt ＝ I2Rt ＋ I2rt
E ＝ IR ＋ Ir
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。这个结论叫作闭合电路的欧姆定律。
我们用 U 外 表示 IR，它是外电路总的电势降落；用U 内 表示 Ir，它是内电路的电势降落。则闭合电路的欧姆定律也可以写为
E ＝U 外＋U内
这就是说，电源的电动势等于内、外电路电势降落之和。
三、路端电压与负载的关系
我们常常把外电路中的用电器叫作负载，把外电路的电势降落叫作路端电压。负载变化时，电路中的电流就会变化，路端电压也随之变化。
根据闭合电路的欧姆定律 E ＝ U 外 ＋ U 内 ，若将 U 外 记为路端电压 U，考虑到 U 内 ＝ Ir，则U ＝ E － Ir
2、路端电压跟外电路电阻R变化的规律
U ＝－ rI ＋ E
3、路端电压U与电流I的关系
一次函数的标准形式y ＝ kx ＋ b
利用两种图象解题的基本方法
利用电源的U I图象和电阻的U I图象解题，无论电阻的U I图象是线性还是非线性，解决此类问题的基本方法是图解法，即把电源和电阻的U I图线画在同一坐标系中，图线的交点即电阻的“工作点”，电阻的电压和电流可求，其他的量也可求．
电源的内阻 r 一般都很小，例如，铅蓄电池的内阻只有0.005 0.1 Ω，干电池的内阻通常也不到 1 Ω，所以短路时电流很大。电流过大，会导致温度过高，烧坏电源，甚至引起火灾。
（一）闭合电路的动态问题分析
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：
（二）电源的有关功率和效率问题
（三）欧姆表的原理
多用电表使用的“几项注意”
(1)使用前要机械调零．
(2)两表笔在使用时，无论测电流、电压还是电阻，电流总是“红入黑出”．
(3)测电阻时，应选择合适量程，使指针指在中值电阻附近，且注意每换一次挡都需重新进行欧姆调零．
(4)测电学黑箱时，一定要先用大量程电压挡判断其内部有无电源，无电源方可用欧姆挡．
用多用电表判断电路故障
电路故障一般是短路或断路，常见的情况有灯泡的灯丝烧断、电阻器内部断路或滑动变阻器接触不良等，检查故障的方法有：
1．用多用电表的欧姆挡检测
在确保电源断开的情况下，用电阻“×1”挡(注意先调零)测电阻，如果阻值为“∞”，表明电路断开，如果阻值为零，表明电路短路．
2．用多用电表的电压挡检测
把多用电表与被检测部分并联，如果多用电表读数为零，说明多用电表内无电流通过，可能在并联路段之外有断路或并联路段之内有短路；如果多用电表有示数，说明多用电表内有电流通过，可能在并联路段之外无断路或并联路段之内无短路．
3．用多用电表的电流挡检测
把多用电表与被检测的部分并联，如果多用电表有示数，其他部分开始工作，则此时与多用电表并联的部分断路．
课堂练习