(共20张PPT)
主题提升课(二) 电路及其应用
第十二章 电能 能量守恒定律
主题一 物理观念的生成——概念及规律的应用
观察并能识别常见的电路元器件，了解它们在电路中的作用。理解电功、电功率及焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。会用闭合电路欧姆定律等分析电路各部分之间电学量的相互关系，能用电势能和焦耳定律等分析电学中的能量转化问题，在实践中能做到安全用电和节约用电，具有可持续发展与环境保护的意识。
【典例1】 小明在一根细橡胶管中灌满食盐水，两端用粗铜丝塞住管口，形成一段封闭的盐水柱。他将此盐水柱接到电源两端，电源电动势和内阻恒定。握住盐水柱两端将它水平均匀拉伸到原长的1.2倍，若忽略温度对电阻率的影响，则此盐水柱( )
A．通过的电流增大
B．两端的电压增大
C．阻值增大为原来的1.2倍
D．电功率增大为原来的1.44倍
√
【典例2】 太阳能汽车是一种环保型的“绿色汽车”，人们正致力研究着。有一辆玩具汽车靠太阳能电池供电，该电池的太阳能集光板面积为600 cm2，太阳能电池电动势为30 V，内阻为3 Ω。现使玩具汽车在水平路面上匀速行驶，其太阳能集光板正对太阳，测得电流强度为
2 A。已知电动机的直流电阻为2 Ω，太阳光垂直照射到地面上单位面积的辐射功率为1.6× 103 W/m2。
(1)求玩具汽车匀速行驶时，太阳能集光板把太阳能转化为电能的效率；
(2)这辆玩具汽车的总重为80 N，在水平路面上行驶的阻力是车重的0.2，这辆玩具车在水平路面上的最大速度是多大？
[答案] (1)62.5% (2)2.5 m/s
主题二 科学思维的培养——数形结合思想的应用
闭合电路中各物理量间的变化关系大都可以用有关图像表示，只要明确各种图像中点、线、面积、斜率及截距等各物理量的含义并正确使用图像，闭合电路问题的求解就会既快捷正确又方便灵活。
【典例3】 (多选)在如图甲所示的电路中，电源的U-I图像如图乙中的图线a所示，定值电阻R0的U-I图像如图乙中的图线b所示，滑动变阻器Rx的总电阻为1 Ω，下列说法正确的是( )
A．定值电阻R0的阻值为4 Ω
B．电源的内阻为0.5 Ω
C．当Rx＝0时电源输出的功率
最大
D．当Rx＝0.25 Ω时电源输出的功率最大
√
√
【典例4】 某同学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变化的图线画在了同一坐标系上，如图中的a、b、c所示，根据图线知( )
A．反映Pr变化的图线是b
B．电源电动势为8 V
C．电源内阻为1 Ω
D．当电流为0.5 A时，外电路的电阻为6 Ω
√
主题三 科学探究的培养——实验的设计及处理
让学生通过实验体会科学实验在物理学发展中的重要作用，在实验探究金属导体的电阻与材料长度和横截面积的定量关系，测金属丝电阻率、多用电表的使用、测量电源的电动势和内阻等实验中，努力创设激发学生探究欲望的问题情境，引导学生进行科学探究，培养学生实验设计、分析论证、反思评估等能力。能在教师指导下制订实验方案，能选用实验器材进行实验，获取实验数据；会用图像处理实验数据，能根据图像获得结论；能分析实验中存在的误差，并能提出减小误差的方法。能运用学过的物理术语撰写实验报告。
【典例5】 (2023·辽宁卷)导电漆是将金属粉末添加于特定树脂原料中制作而成的能导电的喷涂油漆。现有一根用导电漆制成的截面为正方形的细长样品(固态)，某同学欲测量其电阻率，设计了如图(a)所示的电路图，实验步骤如下：
a．测得样品截面的边长a＝ 0.20 cm；
b．将平行排列的四根金属探针甲、乙、丙、丁与样品接触，其中甲、乙、丁位置固定，丙可在乙、丁间左右移动；
c．将丙调节至某位置，测量丙和某探针之间的距离L；
d．闭合开关S，调节电阻箱R的阻值，使电流表示数I＝ 0.40 A，读出相应的电压表示数U，断开开关S；
e．改变丙的位置，重复步骤c、d，测量多组L和U，作出U-L图像如图(b)所示，得到直线的斜率k。
回答下列问题：
(1)L是丙到________(选填“甲”“乙”或“丁”)的距离；
(2)写出电阻率的表达式ρ＝ ________(用k、a、I表示)；
(3)根据图像计算出该样品的电阻率ρ＝ ______________Ω·m(保留两位有效数字)。
乙
【典例6】 在利用电流表和电阻箱测定电源电动势和内阻的实验中，电流表的内阻很小，可视为理想电表，电路如图甲所示，连接好电路并进行如下操作：闭合开关S，调节电阻箱的阻值，并记录下每次电阻箱的阻值R及对应的电流表A的示数I。
主题一 物理观念的生成——概念及规律的应用
观察并能识别常见的电路元器件，了解它们在电路中的作用。理解电功、电功率及焦耳定律，能用焦耳定律解释生产生活中的电热现象。会用闭合电路欧姆定律等分析电路各部分之间电学量的相互关系，能用电势能和焦耳定律等分析电学中的能量转化问题，在实践中能做到安全用电和节约用电，具有可持续发展与环境保护的意识。
【典例1】 小明在一根细橡胶管中灌满食盐水，两端用粗铜丝塞住管口，形成一段封闭的盐水柱。他将此盐水柱接到电源两端，电源电动势和内阻恒定。握住盐水柱两端将它水平均匀拉伸到原长的1.2倍，若忽略温度对电阻率的影响，则此盐水柱( )
A．通过的电流增大
B．两端的电压增大
C．阻值增大为原来的1.2倍
D．电功率增大为原来的1.44倍
B [根据电阻定律R＝ρ可知，长度变为原来的1.2倍，横截面积变为原来的，所以电阻变为原来的1.44倍；根据闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir，可知总电阻增大，干路电流I减小，路端电压即盐水柱两端电压U增大，故A、C错误，B正确；电功率的表达式P＝I2R，电流变化倍数无法计算，所以电功率变化倍数无法计算，故D错误。]
【典例2】 太阳能汽车是一种环保型的“绿色汽车” ，人们正致力研究着。有一辆玩具汽车靠太阳能电池供电，该电池的太阳能集光板面积为600 cm2，太阳能电池电动势为30 V，内阻为3 Ω。现使玩具汽车在水平路面上匀速行驶，其太阳能集光板正对太阳，测得电流强度为2 A。已知电动机的直流电阻为2 Ω，太阳光垂直照射到地面上单位面积的辐射功率为1.6× 103 W/m2。
(1)求玩具汽车匀速行驶时，太阳能集光板把太阳能转化为电能的效率；
(2)这辆玩具汽车的总重为80 N，在水平路面上行驶的阻力是车重的0.2，这辆玩具车在水平路面上的最大速度是多大？
[解析] (1)玩具汽车匀速行驶时太阳能电池的总功率为P1＝EI
太阳能集光板的接收功率为
P2＝600× 10-4× 1.6× 103 W＝96 W
太阳能集光板把太阳能转化为电能的效率为η＝
联立并代入数据得η＝62.5%。
(2)玩具汽车以最大速度匀速行驶时有f＝0.2G
电动机的输出功率为
P出＝EI－I2(r＋R)＝fv
联立解得v＝2.5 m/s。
[答案] (1)62.5% (2)2.5 m/s
主题二 科学思维的培养——数形结合思想的应用
闭合电路中各物理量间的变化关系大都可以用有关图像表示，只要明确各种图像中点、线、面积、斜率及截距等各物理量的含义并正确使用图像，闭合电路问题的求解就会既快捷正确又方便灵活。
【典例3】 (多选)在如图甲所示的电路中，电源的U-I图像如图乙中的图线a所示，定值电阻R0的U-I图像如图乙中的图线b所示，滑动变阻器Rx的总电阻为1 Ω，下列说法正确的是( )
A．定值电阻R0的阻值为4 Ω
B．电源的内阻为0.5 Ω
C．当Rx＝0时电源输出的功率最大
D．当Rx＝0.25 Ω时电源输出的功率最大
BD [由定值电阻R0的U-I图像知其阻值R0＝＝0.25 Ω，故A错误；由电源的U-I图像知电源的电动势 E＝3 V，内阻r＝＝0.5 Ω，故B正确；当Rx＋R0＝r，即Rx＝0.25 Ω时，电源输出的功率最大，故C错误，D正确。]
【典例4】 某同学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变化的图线画在了同一坐标系上，如图中的a、b、c所示，根据图线知( )
A．反映Pr变化的图线是b
B．电源电动势为8 V
C．电源内阻为1 Ω
D．当电流为0.5 A时，外电路的电阻为6 Ω
D [电源发热功率Pr＝I2r，故图线是关于I的二次函数，所以反映Pr变化的图线是c，A错误；根据公式PE＝EI可得PE是关于电流的一次增函数，所以图线a是描述电源的总功率随电流变化的图线，图线的斜率k＝E＝4 V，B错误；从c图线中可得r＝ Ω＝2 Ω，C错误；当电流为0.5 A时，根据闭合电路欧姆定律I＝，代入解得R＝6 Ω，D正确。]
主题三 科学探究的培养——实验的设计及处理
让学生通过实验体会科学实验在物理学发展中的重要作用，在实验探究金属导体的电阻与材料长度和横截面积的定量关系，测金属丝电阻率、多用电表的使用、测量电源的电动势和内阻等实验中，努力创设激发学生探究欲望的问题情境，引导学生进行科学探究，培养学生实验设计、分析论证、反思评估等能力。能在教师指导下制订实验方案，能选用实验器材进行实验，获取实验数据；会用图像处理实验数据，能根据图像获得结论；能分析实验中存在的误差，并能提出减小误差的方法。能运用学过的物理术语撰写实验报告。
【典例5】 (2023·辽宁卷)导电漆是将金属粉末添加于特定树脂原料中制作而成的能导电的喷涂油漆。现有一根用导电漆制成的截面为正方形的细长样品(固态)，某同学欲测量其电阻率，设计了如图(a)所示的电路图，实验步骤如下：
a．测得样品截面的边长a＝ 0.20 cm；
b．将平行排列的四根金属探针甲、乙、丙、丁与样品接触，其中甲、乙、丁位置固定，丙可在乙、丁间左右移动；
c．将丙调节至某位置，测量丙和某探针之间的距离L；
d．闭合开关S，调节电阻箱R的阻值，使电流表示数I＝ 0.40 A，读出相应的电压表示数U，断开开关S；
e．改变丙的位置，重复步骤c、d，测量多组L和U，作出U-L图像如图(b)所示，得到直线的斜率k。
回答下列问题：
(1)L是丙到________(选填“甲”“乙”或“丁”)的距离；
(2)写出电阻率的表达式ρ＝ ________(用k、a、I表示)；
(3)根据图像计算出该样品的电阻率ρ＝ ______Ω·m(保留两位有效数字)。
[解析] (1)由于电压表测量的是乙、丙之间的电压，则L是丙到乙的距离。
(2)根据电阻定律有R＝ρ ，再根据欧姆定律有R＝，联立有U＝L则ρ＝。
(3)根据题中图像可知k＝ 6.5 V/m
则根据(2)代入数据有ρ＝ 6.5 × 10-5 Ω·m。
[答案] (1)乙 (2) (3)6.5 × 10-5
【典例6】 在利用电流表和电阻箱测定电源电动势和内阻的实验中，电流表的内阻很小，可视为理想电表，电路如图甲所示，连接好电路并进行如下操作：闭合开关S，调节电阻箱的阻值，并记录下每次电阻箱的阻值R及对应的电流表A的示数I。
(1)实验中，若某同学通过测量获得两组数据：当电流表读数为I1时，电阻箱读数为R1；当电流表读数为I2时，电阻箱读数为R2。利用所测得的I1、I2、R1、R2可求出：电源电动势E＝________，内阻r＝________。
(2)若另一同学测得10组I、R的数据，并作出了如图乙中a所示的图像。则根据图像可求出：电源电动势E＝________V，内阻r＝________ Ω。
(3)已知某电阻元件R′的-R图像如图乙中b所示，若用实验的电源给此元件供电，此元件的热功率为________ W。
[解析] (1)由闭合电路欧姆定律，得
E＝I1(R1＋r)，E＝I2(R2＋r)
由以上两式得E＝
r＝。
(2)由闭合电路欧姆定律，有E＝IR＋Ir，则＝R＋r
由此可知＝k，而图线a的斜率k＝ V-1，故E＝2.0 V，图线a的纵截距＝1.0 A-1，故r＝2.0 Ω。
(3)由-R图像可知，R′与该电源连接时，两图线交点处为R′＝6 Ω，＝4.0 A-1，因此R′消耗的功率P′＝I′2R′＝×6 W＝0.375 W。
[答案] (1) (2)2.0 2.0 (3)0.375
