12.2闭合电路的欧姆定律（学案2）

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高中物理必修三素养提升学案
第12章 电能 能量守恒定律
第2节　闭合电路的欧姆定律
【学习目标】
1.了解外电路、内电路。知道电动势的概念。
2.能推导闭合电路的欧姆定律,理解闭合电路的欧姆定律的内容,掌握其表达式。
3.会分析路端电压与负载的关系。
4.通过从能量角度推导闭合电路欧姆定律,体验能量转化和守恒定律在电路中的具体应用。理解内、外电路的能量转化。
5.通过路端电压与负载的关系实验探究,利用“实验研究,得出结论”的探究物理规律的科学思路和方法。通过研究路端电压与电流的关系公式、图像及图像的物理意义,体会应用数学工具解决物理学问题的方法。感受感受物理之美。
【学习资源】
物理教材必修第三册
【学习方法】
自主学习、小组合作、实验探究、互动展示完成本节课的学习。
【研习探究】
[课前预习]
1.电动势
(1)电源是通过　　　　做功把其他形式的能转化为电能的装置。
(2)电动势在数值上等于　　　　把1 C的正电荷在电源内部从　　　　极移送到　　　　极所做的功;电动势E表示为E=　　　　;单位是　　　　,符号是　　　　;电动势由电源中　　　　　　决定,跟电源的体积无关,也跟外电阻无关。
2.闭合电路欧姆定律
(1)内电路、内阻、内电压
电源内部的电路叫　　　　　　　　。内电路的电阻叫　　　　　　　　。当电路中有电流通过时,内电路两端的电压叫　　　　　　　　。用U内表示。
(2)外电路、路端电压
电源外部的电路叫　　　　　　　　。外电路两端的电压习惯上叫　　　　　　　　。用U外表示。
3.电动势E、外电压U外与内电压U内三者之间的关系　　　　　　　　。
(1)电动势等于电源　　　　时两极间的电压。
(2)用电压表接在电源两极间测得的电压U外　　　　E。
4.闭合电路欧姆定律
(1)内容
(2)表达式　　　　　
(3)常用变形式U外=E-Ir
【答案】1.(1)非静电力
(2)非静电力　负　正　 　伏特　V　非静电力的性质
2.(1)内电路　内阻　内电压
(2)外电路　外电压
3.E=U内+U外
(1)断路
(2)=
4.(1)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)I=
[新课导入]
[问题情境]用电压表分别测量新干电池和旧干电池两极的电压(近似等于电动势),你有什么发现 若将新干电池和旧干电池分别对同一规格的小灯泡供电,灯泡的亮度有何不同 怎样解释这一现象
[新课教学]
一、电动势
1.闭合电路的结构:
用导线把电源、用电器连成闭合电路。
外电路:
内电路:
2.闭合电路中的电流:
在内、外电路中电流是怎样的
在外电路中,正电荷在静电力作用下由　　　　流向　　　　。
在内电路中,即在电源内部,通过　　　　做功使正电荷由　　　　移到　　　　。
3.电动势:
(1)定义:
(2)定义式:　　　　　　　　　
(3)单位:　　　　　　　　　
(4)物理意义:
(5)电动势由　　　　　　　　　　　决定,跟电源的体积无关,也跟外电路无关。
二、闭合电路欧姆定律及其能量分析
问题:部分电路欧姆定律的内容是什么



部分电路
内电路
闭合电路中的电流I与哪些因素有关呢
讨论:
1.设电源电动势为E,内阻为r,外电路电阻为R,闭合电路的电流为I,
(1)写出在t时间内,外电路中消耗的电能Q外的表达式:　　　　　　　
(2)写出在t时间内,内电路中消耗的电能Q内的表达式:　　　　　　　
(3)写出在t时间内,电源中非静电力做的功W的表达式:　　　　　　　
(4)根据能量守恒定律,W=　　　　　　　　
整理得:E=IR+Ir (1)
I= (2)
E=U外+U内=U外+Ir (3)
2.闭合电路欧姆定律
(1)内容:
(2)公式:　　　　　　或　
3.闭合电路欧姆定律(1)(2)(3)式适用范围是什么
三、路端电压U与负载R的关系
[问题情境]
大家几乎都注意过这种现象,傍晚是每一天的用电高峰时段,灯光较暗,而夜深人静时,若打开灯的话,灯光特别亮;在家用电器使用中,如夏季打开空调后,你会发现灯泡会变暗,而关掉空调后灯泡又会马上亮起来,这是为什么呢
　　1.什么是负载 什么是路端电压
2.演示实验分析:当外电阻R增大时,路端电压如何变化 电流表示数如何变化
3.路端电压U与外电阻R的关系式:
两个特例:
①外电路断路时,电流,外电压,内电压为多大
R→∞时,I=　　　　,Ir=　　　　,U外=　　　　
②外电路短路时,电流,外电压,内电压为多大
R=0,I=　　　　(称为短路电流),U外=　　　　
4.路端电压U随电流I变化的图像
(1)图像的函数表达U=E-Ir
(2)图像的物理意义
①在纵轴上的截距表示　　　　　　　　
②在横轴上的截距表示电源的短路电流I短=　　
③图像斜率的绝对值表示电源的内阻,内阻越大,图线倾斜得越厉害。
|tan θ|=||=r
四、闭合电路的动态分析
闭合电路欧姆定律之中的动态分析的具体步骤:
(1)判断动态源及动态源总电阻的变化,判断全电路总电阻的变化情况。
(2)判断闭合电路干路电流的变化情况。
(3)依据U=E-Ir,判断外电路电压(路端电压)的变化情况。
(4)依据分压、分流原理判断动态部分的物理量的变化。
【答案】[新课导入]
电压表示数不一样,新电池两端电压大,旧电池两端电压小。小灯泡亮度不同。小灯泡的实际功率不同,与新电池连接的实际功率大,亮一些,与旧电池连接的实际功率小,暗一些。
[新课教学]
一、1.电源外部的电路叫外电路。电源内部的电路叫内电路。
2.正极　负极　非静电力　负极　正极
3.(1)定义: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。
(2)定义式:E=
(3)单位:V　1 V=1 J/C
(4)物理意义:反映电源把其他形式的能转化为电能本领的大小。
(5)非静电力的性质
二、问题:导体中的电流,跟导体两端的电压成正比,跟导体的电阻成反比。
讨论:
1.(1)Q外=I2Rt
(2)Q内=I2rt
(3)W=Eq=EIt
(4)W=Q外+Q内
2.(1)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)I= 　E=U内+U外
3.(1)(2)适用于纯电阻电路,(3)适用于任何电路。
三、[问题情境]开空调后负载增加,电流减小,灯泡实际功率减小,灯泡变暗。反之变亮。
1.外电路中的用电器。外电路的电势降落。
2.电流表示数减小,电压表示数增加。
3.U外=E-Ir
①0,0,E
②　0
4.(2)①电动势　②
五、例题与练习
【典例解析】
[例题1]关于电源的电动势,下面叙述正确的是(　　)
A.电源的电动势就是接在电源两极间的电压表测得的电压
B.同一电源接入不同电路,电动势就会发生变化
C.电源的电动势是表示电源把其他形式的能转化为电能的本领大小的物理量
D.在闭合电路中,当外电阻变大时,路端电压变大,电源的电动势也变大
【解析】:电源是把其他形式的能转化为电能的装置。电源的电动势越大,说明电源把其他形式的能转化为电能的本领越强。电动势由电源本身的非静电力特性决定,跟电源的体积无关,也跟外电路无关，C正确ABD错误。
【答案】:C
[例题2]如图所示,直线A为电源的路端电压U与电流I的关系图线,直线B是电阻R的两端电压U与电流I的关系图线,用该电源与电阻R组成闭合电路,电源的输出功率和电阻R分别是(　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
A.4 W;1 Ω B.4 W;2 Ω
C.2 W;1 Ω D.2 W;2 Ω
【解析】:本题考查路端电压与负载的关系图像和闭合电路欧姆定律的应用和功率的计算。
:直线A为电源的路端电压U与电流I的关系图线。所以由图像A线的纵坐标截距可得E=3 V,由A线斜率可得r=0.5 Ω。直线B是电阻R的两端电压U与电流I的关系图线。所以由B线斜率可得电阻R=1 Ω。用该电源与电阻R组成闭合电路,则根据闭合电路欧姆定律I=可得I=2 A。所以电源的输出功率P=I2R=4 W。所以答案选A。
[例题3]如图所示,当滑动变阻器R3的滑片向B方向移动时,电路中各电表示数如何变化 (电表内阻对电路的影响不计)
【思路分析】:闭合电路欧姆定律之中的动态分析的具体步骤:
(1)判断动态源及动态源总电阻的变化,判断全电路总电阻的变化情况。
(2)判断闭合电路干路电流的变化情况。
(3)依据U=E-Ir,判断外电路电压(路端电压)的变化情况。
(4)依据分压、分流原理判断动态部分的物理量的变化。
【解析】:当滑动变阻器的滑片向B方向移动时R3↑→R外↑→R总↑→I1↓→U内↓U外↑所以电流表A1示数减小,电压表V示数增加;I1↓→U1↓所以电压表V1示数减小;因为U外↑,U外=U1+U2,所以U2↑电压表V2示数增加;U2↑R2不变,所以A2增加;I1↓I2↑(I1=I2+I3)→I3↓,所以电流表A3读数减小。
【课堂练习】
1.(多选)铅蓄电池的电动势为2 V,这表示(　　)
A.电路中每通过1 C的电量,电源把2 J的化学能转变为电能
B.蓄电池两极间的电压为2 V
C.蓄电池在1 s内将2 J的化学能转变成电能
D.蓄电池将化学能转变为电能的本领比一节干电池(电动势为1.5 V)强
【答案】ABD
2.图中电源电动势E=12 V,内电阻r=0.5 Ω。将一盏额定电压为8 V,额定功率为16 W的灯泡与一只线圈电阻为0.5 Ω的直流电动机并联后和电源相连,灯泡刚好正常发光,通电1 min问:
(1)电源提供的能量是多少
(2)电流对灯泡和电动机所做的功各是多少
(3)灯丝和电动机线圈产生的热量各是多少
(4)电动机的效率为多少
【解析】2.(1)灯泡刚好正常发光,灯泡两端电压与电动机两端电压相等,且均为外电压U=8 V。所以内电压U内=E-U外=4 V,干路电流I==8 A。所以电源提供的能量W=IEt=5 760 J。　
(2)电流对灯泡做功W1=Pt=960 J。
流过灯泡电流I1=P/U=2 A
所以流过电动机电流I2=I-I1=6 A
电流对电动机做功W2=I2Ut=1 440 J
(3)灯丝产生的热量Q1=W1=960 J
电动机产生的热量Q2=Rt=1 080 J
(4)电动机的效率η==25%
3.如图所示,电源的电动势和内阻都保持不变,当滑动变阻器的滑动触点向上端移动时(　　)
A.电压表的读数增大,电流表的读数减小
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
【解析】:当滑动变阻器的滑动触点向上端移动时R3↑→R外↑→R总↑→I总↓→U内↓U外↑→电压表读数增加;I总↓→U1↓(U外↑,U外=U1+U2)→U2↑→I2↑(I总=I2+I3)→I3↓→电流表读数减小。选A。
【答案】:A
【课后练习】
1.如图是某电源的路端电压U随干路电流I的变化图像,由图像可知,该电源的电动势　　　　 V,内阻为　　　　。
【答案】.3 V　 Ω
【解析】电源的路端电压U随干路电流I的变化图像在纵轴的截距等于电源电动势E=3V；斜率的绝对值等于电源内阻，r= Ω。
2.如图所示的电路中,电源的电动势E和内电阻r恒定不变,电灯L恰能正常发光,如果变阻器的滑片向b端滑动,则(　　)
A.电灯L更亮,电流表的示数减小
B.电灯L更亮,电流表的示数减大
C.电灯L更暗,电流表的示数减小
D.电灯L更暗,电流表的示数减大
【答案】.A　
【解析】滑片向b滑动R1增大,总电阻变大,总电流减小,电流表示数减小。总电流减小,内电压减小,外电压增大,灯泡变亮。选A。
3.在如图所示的电路中,当开关K闭合时,灯L1、L2均不亮。某同学用一根导线去查找电路的故障。他将导线先并接在灯L1两端时发现灯L2亮,灯L1不亮,然后并接在灯L2两端时发现两灯均不亮。由此可以判断(　　)
A.灯L1断路 B.灯L1短路
C.灯L2断路 D.灯L2短路
【答案】.A　
【解析】当开关K闭合时,灯L1、L2均不亮。说明电路中存在断路或是两灯均短路。将导线先并联在灯L1两端时发现灯L2亮,灯L1不亮,说明电路通路,两灯泡不可能短路,L2不可能断路;同时因导线与灯L2并联时两灯均不亮,说明灯L2不可能短路,故只能为灯L1发生断路，A正确。
4.如图所示R1=14 Ω,R2=9 Ω,当开关S切换到位置1时,电流表的示数为I1=0.2 A;当开关S切换到位置2时I2=0.3 A,求电源的电动势和内阻。如果没有电流表,只有电压表,如何设计实验测量电源的内阻和电动势
【解析】:E=I1(R1+r)
E=I2(R2+r)
代入数据得:
E=0.2(14+r)
E=0.3(9+r)
解得E=3.0 V,r=1.0 Ω
如果没有电流表,只有电压表,可将电压表与外电阻并联,分别测得闭合开关时,电压表与R1、R2并联时的示数。根据E=U+r,测得电源的内阻和电动势。
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