第4章 专题：闭合电路的功率问题　含容电路的分析与计算　故障分析 课件 (共31张PPT)高一物理鲁科版（2019）必修三

(共31张PPT)
第4章　闭合电路欧姆定律与科学用电
专题：闭合电路的功率问题　含容电路的分析与计算　故障分析
闭合电路的功率
观察与思考
如图所示，电路中电源的电动势为E、内阻为r，R为滑动变阻器，R0为定值电阻。闭合开关S，则：
(1)当满足什么条件时，定值电阻R0上消耗的功率最大？最大为多少？
答案　定值电阻R0上消耗的功率可以表示为：P＝I2R0，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R＝0时，R0上消耗的功率最大为：
(2)当满足什么条件时，电源的输出功率最大？最大为多少？
(3)当电源的输出功率最大时，电源的效率也是最大吗？为什么？
导练
1.如图所示，电路中E＝3 V，r＝0.5 Ω，定值电阻R0＝1.5 Ω，滑动变阻器的最大阻值为10 Ω。
(1)滑动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？最大为多少？
答案　见解析
所以当R＝0时，电流最大，定值电阻R0上消耗的功率最大，此时I＝1.5 A，
最大消耗功率P1＝I2R0＝3.375 W。
(2)滑动变阻器接入电路的阻值R为多大时，电源的输出功率最大？最大为多少？
答案　见解析
当外电阻的阻值越接近电源内阻时，电源的输出功率越大，所以当R＝0时，电源的输出功率最大，
此时路端电压为U′＝2.25 V，
电源的最大输出功率为P2＝U′I′＝2.25×1.5 W＝3.375 W。
(3)滑动变阻器接入电路的阻值R为多大时，滑动变阻器上消耗的功率最大？最大为多少？
答案　见解析
将定值电阻R0和电源看作等效电源，则滑动变阻器上消耗的功率相当于等效电源的输出功率。
当R＝R0＋r＝2 Ω时，等效电源的输出功率最大，即滑动变阻器上消耗的功率最大，
此时滑动变阻器两端的电压U＝1.5 V，
功率最大值的求解方法
1.对定值电阻来说，其电流最大时功率也最大。
2.电源的输出功率在外电阻等于内阻时最大，若不能相等，则外电阻越接近内阻，电源的输出功率越大。
3.如图，求解滑动变阻器R2消耗的最大功率时，可把定值电阻R1等效为电源内阻的一部分，则当R2＝R1＋r时，R2上消耗的功率最大。
总结提升
2.(多选)(2022·福建莆田二中高二阶段练习)将一直流电源的总功率PE、输出功率PR和电源内部的发热功率Pr随电流I变化的图线画在同一坐标系中，如图所示，则下列说法正确的是
A.图线b表示电源内部的发热功率Pr随电流I的变化关系
B.M点对应的功率为最大输出功率
C.在图线上A、B、C三点的纵坐标一定满足关系PAD.两个交点M与N的横坐标之比一定为1∶4，纵坐标之比一定为1∶2
√
√
由电源的总功率、输出功率和电源内部的发热功率表达式PE＝EI、PR＝EI－I2r、Pr＝I2r可知，a表示的是电源的总功率随电流I的变化关系；b表示的是电源内部的发热功率随电流I的变化关系；c表示的是输出功率PR随电流I的变化关系，A正确；
当R＝r时，输出功率最大，M点是输出功率最大的位置，B正确；
A、B、C为在a、b、c三条图线上横坐标相同的三点，因为直流电源的总功率等于输出功率和电源内部的发热功率之和，所以这三点的纵坐标一定满足关系PA＝PB＋PC，故C错误；
含电容器的电路
观察与思考
如图所示，电路中R1、R2均为可变电阻，电源电动势为E，内阻为r，平行板电容器电容为C，两极板水平放置。
(1)当开关闭合时，有电流通过R1或R2吗？若有，电流方向如何？
答案　R1、R2中均有电流通过，且均沿顺时针方向。
(2)电路达到稳定后，有电流通过R1或R2吗？此时电容器两端的电压为多少？带电荷量为多少？
答案　电路达到稳定后，有电流通过R1；R2所在支路相当于断路，R2中没有电流通过，电容器两极板间的电压就等于该支路两端的电压。
(3)电路稳定后再逐渐减小R2，在此过程中，有电流通过R2吗？若有，电流方向如何？
答案　电路达到稳定后，R2所在支路相当于断路。若逐渐减小R2，不影响整个电路的电阻，所以电路中的总电阻不变，总电流不变，路端电压不变，电容器上所带电荷量不变，R2中无电流通过。
(4)电路稳定后再逐渐减小R1，在此过程中，有电流通过R2吗？若有，电流方向如何？
答案　在减小R1的过程中，电路中的总电阻减小，根据闭合电路欧姆定律可得总电流增大，路端电压U外＝E－Ir减小，电容器两端电压减小，所以电荷量减小，电容器放电，R2中有逆时针方向的电流。
[梳理与总结]
1.在直流电路中，在电容器充、放电过程中，电路中有充、放电电流。如果电容器两端电压升高，电容器将充电；如果电容器两端电压降低，电容器将通过与它连接的电路放电。充电时电容器相当于用电器，电流从正极进，放电时电容器相当于电源，电流从正极出。
2.电路稳定后，与电容器所串联的电路可看成是断路，由于电容器所在支路无电流通过，所以在此支路中的电阻上无电压降低，因此电容器两极板间的电压就等于该支路两端的电压。
导练
3.(2023·福建莆田市高二期中)如图所示的电路中，电源电动势恒为E＝10 V，内阻忽略不计，R1＝4 Ω，R2＝6 Ω，电容C＝30 μF。求：
(1)闭合开关S，稳定后通过电阻R1的电流；
答案　1 A
(2)将开关S断开，再次稳定后，求通过R2的电荷量。
答案　1.8×10－4 C
闭合S稳定后R2两端的电压为U2＝IR2＝1×6 V＝6 V
电容器两端电压与R2两端电压相等；S断开后电容通过R2放电，通过R2的电荷量为Q＝CU2＝30×10－6×6 C＝1.8×10－4 C。
4.如图所示，电源电动势E＝6 V，内阻不计，电阻R1＝2 Ω，R2＝4 Ω，R3＝6 Ω，电容器电容C＝4 μF，下列说法正确的是
A.S断开时电容器两端的电压为2 V
B.S断开时电容器a极板带负电
C.S闭合，电路稳定后，电容器b极板带负电
D.S闭合，电路稳定后，电容器所带电荷量为8×10－6 C
√
S闭合且电路稳定后，R1和R2先串联再与R3并联，电容器b极板的电势比a极板电势高，b极板带正电，电容器两端电压即R1两端电压，为U1＝2 V，电容器所带电荷量为Q＝CU1＝8×10－6 C，故C错误，D正确。
拓展　S闭合，电路稳定后，流过电流表的电荷量为多少？
答案　S闭合，电路稳定后，电容器上电荷量的增加量ΔQ＝CU2＋CU1＝2.4×10－5 C，故流过电流表的电荷量为2.4×10－5 C。
1.电容器的充、放电过程结束后，通过对电路的分析与计算得出电容器两极板的电势，电势高的极板带正电。
2.如果变化前后极板带电的电性相同，那么通过每根引线的电荷量等于始末状态电容器电荷量之差；如果变化前后极板带电的电性相反，那么通过每根引线的电荷量等于始末状态电容器电荷量之和。
总结提升
直流电路的故障分析
观察与思考
1.常见故障：断路、短路。
2.常用方法：假设法
假设某电阻发生断路(或短路)，根据闭合电路动态分析方法判断实际现象与题中情景是否相符，进而找出电路故障。
导练
5.(2023·福建莆田华侨中学高二阶段练习)如图所示电路，闭合开关S，两个灯泡都不亮，电流表指针几乎不动，而电压表指针有明显偏转，该电路的故障可能是
A.电流表坏了或未接好
B.从点a经过灯L1到点b的电路中有断路
C.灯L2的灯丝断了或灯座未接通
D.电流表和灯L1、L2都坏了
√
电流表坏了或未接好，或者灯L2的灯丝断了或灯座未接通，电路中没有电流，电压表就没有示数，与题意不符，A、C错误；
若电流表和灯L1、L2都坏了，电路没有电流，电压表没有示数，与题意不符，D错误；
若从点a经过灯L1到点b的电路中有断路，电压表与电流表、灯L2串联，由于电阻较大，电流很小，电流表几乎没有示数，电压表示数几乎等于电源电动势，与题意相符，B正确。