沪教版高中物理选修3-1 4.3典型案例分析_学案1

典型案例分析

【学习目标】
1．了解欧姆表内部结构，会用闭合电路欧姆定律分析欧姆表的工作原理。
2．会运用闭合电路欧姆定律分析动态电路问题。
【学习重难点】
会运用闭合电路欧姆定律分析动态电路问题。
【学习过程】
一、知识储备
多用电表电阻挡测电阻原理

图1
如图1所示，当红、黑表笔Rx时，通过表头的电流I＝。改变Rx，电流I随着改变，每个Rx值都对应一个电流值，在刻度盘上直接标出与I值对应的 值，就可以从刻度盘上直接读出被测电阻的阻值。
二、合作探究
（一）多用电表电阻挡测电阻的原理
[问题设计]
1．电压表、大量程电流表都是由电流表改装的，试画出把电流表改装成测量电阻的欧姆表的原理图。
答案

2．当黑、红表笔短接时(如图2甲所示)，调节RP的阻值，使指针指到满刻度，则Ig＝，此时表示的黑、红表笔间电阻为多大？

图2
答案 为零。
3．当黑、红表笔不接触时(如图乙所示)，电路中无电流，指针不偏转，即指向电流表的零点。此时，黑、红表笔之间电阻为多大？
答案 无穷大。
4．当将电阻Rx接在黑、红表笔间时(如图丙所示)，则通过电流表的电流I与Rx的关系是怎样的？
答案 I＝。
[延伸思考] 1．欧姆表的刻度均匀吗？为什么？
答案 不均匀。因Rx与I是非线性关系，所以欧姆表的刻度是不均匀的，零刻度在刻度盘最右端，越向左刻度越密集。
2．当I＝Ig，即指针半偏时，待测电阻Rx与欧姆表内阻有什么关系？
答案 当I＝Ig(指针半偏)时，Rx＝r＋Rg＋RP，即欧姆表表盘的中值电阻等于欧姆表内阻。
[要点提炼]
1．欧姆表内部结构： 、 、 。
2．欧姆表原理： 所示，由I＝知，每个Rx值都对应一个电流值，在刻度盘上直接标出与I值对应的Rx值，就可以从刻度盘上直接读出被测电阻的阻值。
3．I与Rx不成比例，欧姆表的刻度 。
欧姆表的电阻零刻度是电流 刻度处，而欧姆表电阻“∞”刻度是电流 处，所以欧姆表偏角越大，表明被测电阻越 。
4．当欧姆表指针指向表盘中央时，有Ig＝，解得Rx＝ ＝R内，即当指针半偏时，表盘的中值电阻R中＝
（二）闭合电路的动态问题分析
[问题设计]
如图3所示电路，电源内阻不可忽略。开关S闭合后，在滑动变阻器R0的滑动端向下滑动的过程中。

图3
（1）电路中的总电阻如何变化？
（2）通过电源的电流如何变化？
（3）内电压如何变化？外电压(即电压表的示数)如何变化？
（4）R1两端电压(即电压表示数)如何变化？
（5）R2和R0并联部分电压(即电压表的示数)如何变化？
（6）R2上的电流(即的示数)如何变化？
答案 （1）R0滑动端向下滑动，使R0减小，电路中的总电阻R总减小
（2）由I＝知，R总减小，I增大
（3）由U内＝Ir，知U内增大
由U外＝E－Ir知，U外减小，示数减小。
（4）R1两端电压U1＝IR1，U1增大，示数增大。
（5）R2和R0并联电压U并＝U外－U1，所以U并减小，示数减小。
（6）R2上的电流I2＝，因U并减小，故I2减小，示数减小。
[要点提炼]
闭合电路动态问题分析的具体步骤：
（1）由题目给出的条件判断动态的变化，进而判断闭合电路总电阻的变化情况；
（2）依据I＝，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、分流原理判断电路其他部分电流、电压的变化情况。
三、典例分析
（一）欧姆表的原理
例1 如图4所示为一简单欧姆表原理示意图，其中电流表的满偏电流Ig＝300 μA，内阻Rg＝100 Ω，可变电阻R的最大阻值为10 kΩ，电池的电动势E＝1．5 V，内阻r＝0.5 Ω，图中与接线柱A相连的表笔颜色应是________色。按正确使用方法测量电阻Rx阻值时，指针指在刻度盘的正中央，则Rx＝________kΩ，若该欧姆表使用一段时间后，电池电动势变小、内阻变大，但此表仍能调零，按正确使用方法再测上述Rx，其测量结果与原结果相比将________(填“变大”、“变小”或“不变”)。

图4
解析 由I＝及Ig＝知，指针指中央，I＝Ig＝150 μA，Rx＝5 kΩ；因欧姆表的内阻变大，同样的电阻值，电流变小，读数变大。
答案 红 5 变大
（二）闭合电路的路端电压
例2 如图5所示，电源的电动势为3 V，内阻为1 Ω，两个相同的小灯泡H1和H2的额定电压均为2．5 V，额定电流均为0.3 A．

图5
（1）当开关S1闭合，S2断开时，试计算H1中的电流和加在H1上的电压；
（2）当开关S1．S2都闭合时，试计算H2中的电流和加在H2上的电压。
有同学做了如下解答：
（1）小灯泡H1和H2的电阻均为R＝ Ω＝8．3 Ω
干路中电流I＝＝ A＝0.32 A
小灯泡H1上的电压即为路端电压
U＝E－Ir＝(3－0.32×1) V＝2．68 V
（2）因小灯泡H2与小灯泡H1并联，小灯泡H2上的电压
U＝2．68 V，小灯泡H2中的电流I2＝＝ A＝0.32 A．
你认为这位同学的解答正确吗？为什么？
请把你的想法说出来，并与同学进行交流。再把你的解答过程写出来。
解析 问题（1）的解答正确，对于问题（2），这位同学的解答不正确。
当开关S1．S2都闭合时，H1和H2并联的总电阻R总＝4．15 Ω，路端电压发生变化，不再是2．68 V。
电路中的总电流I＝＝ A＝0.58 A
H2中的电流I2＝I＝0.29 A
H2两端的电压U2＝I2R＝2．4 V。
答案 见解析
（三）闭合电路的动态问题分析
例3 在如图6所示电路中，当滑动变阻器滑片P向下移动时，则( )

图6
A．A灯变亮、B灯变亮、C灯变亮
B．A灯变亮、B灯变亮、C灯变暗
C．A灯变亮、B灯变暗、C灯变暗
D．A灯变亮、B灯变暗、C灯变亮
解析 滑片P向下移动，，外电路总电阻减小，根据I＝知，电路电流增大，灯A两端电压UA增大而变亮，根据U＝E－Ir，路端电压变小，U＝UA＋UB，所以UB减小，灯B电阻不变，所以灯B电流IB减小，灯B变暗。干路电流I＝IB＋IC，因为I增大、IB减小，所以IC增大，灯C应变亮，选项D是正确的。
答案 D
四、课堂小结

五、课堂检测
1．(欧姆表测电阻的多用电表电阻挡的原理示意图，其中电流表的满偏电流为300 μA，内阻Rg＝100 Ω，调零电阻最大阻值R＝50 kΩ，串联的固定电阻R0＝50 Ω，电池电动势E＝1．5 V，内阻不计，用它测量电阻Rx，能准确测量的阻值范围是( )

图7
A．30 kΩ～80 kΩ
B．3 kΩ～8 kΩ
C．300 kΩ～800 kΩ
D．3 000 kΩ～8 000 kΩ
答案 B
解析 当红、黑表笔短接调零时，Ig＝，R＋Rg＋R0＝＝ Ω＝5 000 Ω
使用欧姆表读数时在中值电阻5 kΩ左右读数最为准确，所以能准确测量的阻值范围为3 kΩ～8 kΩ。
2．(闭合电路的动态问题分析)如图8所示的电路中，当变阻器R3的滑动触头P向a端移动时( )

图8
A．电压表示数变大，电流表示数变小
B．电压表示数变小，电流表示数变大
C．电压表示数变大，电流表示数变大
D．电压表示数变小，电流表示数变小
答案 B
3．(闭合电路)如图9所示，R1＝14 Ω，R2＝9 Ω，当S扳到位置1时，电压表示数为2．8 V，当开关S扳到位置2时，电压表示数为2．7 V，求电源的电动势和内阻。(电压表为理想电表)

图9
答案 3 V 1 Ω
解析 扳到1时：
I1＝U1/R1＝0.2 A
由闭合电路欧姆定律
U1＝E－I1r
得：2．8＝E－0.2r①
扳到2时： I2＝U2/R2＝0.3 A
由闭合电路欧姆定律得： 2．7＝E－0.3r②
由①②解得：E＝3 V，r＝1 Ω
【达标检测】
题组一 欧姆表的原理
1．下列关于欧姆表的说法中正确的是( )
A．表盘刻度是非均匀的，从零刻度开始，刻度值越大处，刻度越密
B．红表笔是与表内电源的正极相连的
C．为了减小误差，应尽量使指针指向中间左右的刻度处
D．用电阻挡测电阻时，被测电阻的阻值越大，指针向右转过的角度就越大
答案 AC
2．关于欧姆表，下列说法正确的是( )
A．欧姆表是根据闭合电路欧姆定律制成的
B．由于电流和电阻成反比，所以刻度盘上的刻度是均匀的
C．使用欧姆表时，选择好一定量程的电阻挡后首先应该将两表笔短接，进行电阻调零
D．当换用不同量程的电阻挡去测量电阻时，可不必重新进行电阻调零
答案 AC
解析 欧姆表是根据制成的。因为Ix＝，所以Ix与Rx并不成比例关系，所以刻度盘上的刻度不均匀；使用欧姆表时，每换一次挡位都需进行一次电阻调零
3．如图所示为欧姆表时指针指A，两表笔短接时指针指B．若欧姆表的总内阻为24 Ω，C是A．B的中点，D是A．C的中点，则D点的刻度值为________Ω。

答案 72
解析 由欧姆表原理知：Ig＝，当指针指D点时，电流为满偏电流的，则由＝得：Rx＝3R内＝72 Ω。
4．如图所示是把量程为改装成欧姆表的结构示意图，其中电池电动势E＝1．5 V，改装后，原来电流表3 mA刻度处的刻度值定为零位置，则2 mA刻度处应标为________，1 mA刻度处应标为________。
答案 250 Ω 1 000 Ω
解析 因为R内＝＝，I1＝，2 mA＝，所以Rx1＝250 Ω。因为I2＝，1 mA＝，所以Rx2＝1 000 Ω。
题组二 闭合电路的动态问题分析
5．如图所示的电路中，为E，内阻为r，当可变电阻的滑片P向b点移动时，电压表V1的读数U1与电压表V2的读数U2的变化情况是( )
A．U1变大，U2变小
B．U1变大，U2变大
C．U1变小，U2变小
D．U1变小，U2变大
答案 A
6．在如图所示的电路．R3为固定电阻，R4为可变电阻，电流表和电压表都是理想的，电源的电动势为E，内阻为r。当R4的滑动触片向a点移动时( )
A．电压表的示数变大
B．电压表的示数变小
C．电流表的示数变大
D．电流表的示数变小
答案 BD
解析 闭合电路的总电阻变小，总电流变大，内电压变大，则电压表的示数变小，而电路的总电流变大，所以R2分得的电压变小，故电流表的示数也变小，选项B．D正确。
7．如图所示，E为内阻不能忽略的电池，R1．R2．R3为定值电阻，S0、S为开关，与分别为电压表与电流表。初始时S0与S均闭合，现将S断开，则( )

A．的读数变大，的读数变小
B．的读数变大，的读数变大
C．的读数变小，的读数变小
D．的读数变小，的读数变大
答案 B
解析 S断开，相当于电阻变大，总电流减小，故路端电压增大，的读数变大，把R1归为内阻，则R3两端的电压也增大，流过R3的电流也增大，的读数变大，选项B正确。
8．某实物投影的强光灯L1～L10(24 V/220 W)和10个相同的指示灯X1～X10(220 V/2 W)，将其连接在220 V的交流电源上，电路如图所示，若工作一段时间后L2灯丝烧断，则( )

A．X1的功率减小，L1的功率增大
B．X1的功率增大，L1的功率增大
C．X2的功率增大，其他指示灯的功率减小
D．X2的功率减小，其他指示灯的功率增大
答案 C
解析 由串、并联电路的知识知，若L2灯丝烧断，电路的电阻值变大，电流变小，除X2两端电压变大外，其他电压变小，故选C．
题组三 综合题组
9．如图所示为小，若将该小灯泡与一节电动势E＝1．5 V、内阻r＝0.75 Ω的干电池组成闭合电路时，电源的总功率和小灯泡的实际电功率分别接近以下哪一组数据( )

A．1．5 W 1．0 W B．0.75 W 0.5 W
C．0.75 W 0.75 W D．1．5 W 0.75 W
答案 D
解析 在题图中作出的关系图像，即U＝1．5－0.75I的图像，两图像的交点就是电源和小灯泡构成闭合回路时的路端电压和电流。图像交点坐标是(1．0，0.75)，电源的总功率P总＝IE＝1．0×1．5 W＝1．5 W，灯泡的实际功率P灯＝UI＝0.75 W。
10．如图所示的电路中E＝36 V，内阻r＝2 Ω，R1＝20 Ω，每盏灯的额定功率都是2 W，额定电压也相同。当S闭合，R2调到14 Ω时，两灯都正常发光；当S断开，要使L2仍正常发光，则R2应调到何值？

答案 50 Ω
解析 设所求阻值为R2′，当灯L1和L2都正常发光时，加在灯两端电压为额定电压UL。
当S闭合时，E1＝UL＋I1(R1＋r＋R2)，
当S断开时，E2＝UL＋I2(R1＋r＋R2′)，
又因为E1＝E2＝＝2IL(IL为额定电流)，得IL(R1＋r＋2R2－R2′)＝0，但IL≠0，所以
即R2′＝20 Ω＋2 Ω＋2×14 Ω＝50 Ω。
11．在如图所示的电路中E＝1．5 V，内阻r＝0.5 Ω，电流表满偏电流Ig＝10 mA，电流表电阻Rg＝7．5 Ω，A．B为接线柱。

（1）用一根导线把A．B直接连起来，此时，应把可变电阻R1调节为多少才能使电流表恰好达到满偏电流？
（2）调至满偏后保持R1的值不变，在A．B间接入一个150 Ω的定值电阻R2，电流表指针指着多少刻度的位置？
（3）如果把任意电阻R接在A．B之间，电流表读数I与R的值有什么关系？
答案 （1）142 Ω （2）5 mA （3）R＝－150 Ω
解析 （1）因电流表电阻Rg的值不能忽略，此时可以把电流表视为一个电阻来计算。由闭合电路欧姆定律，有Ig＝
从中解出可变电阻R1＝－Rg－r＝(－7．5－0.5)Ω＝142 Ω
这表示，当两个接线柱直接连到一起，且表头指针恰好满偏时，可变电阻R1的值需调节到142 Ω。
（2）保持可变电阻R1的值不变，把R2＝150 Ω接在A．B之间，设这时电流表读数为I2，由闭合电路欧姆定律得：
I2＝＝A＝0.005 A＝5 mA
这表示，接入R2后，电流表指针指在“5 mA”刻度的位置。
（3）把任意电阻R接到A．B之间、设电流表读数为I，则I＝
代入数值后，得I＝
解出R＝－150 Ω