2020-2021学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册第十二章第二节闭合电路的欧姆定律 课件52 张PPT

第十二章 电能　能量守恒定律
学　习　目　标
1.通过对电源内部结构的分析,了解其工作原理,理解电动势的概念和物理含义,知道电源电动势和内阻是标志电源性能的主要参数.
2.通过分析闭合电路中的能量转化,理解闭合电路欧姆定律,掌握电源电动势与路端电压和内电压的关系,并能用能量的观点解释,体会能量守恒定律在闭合电路的欧姆定律中的应用.
3.能用闭合电路的欧姆定律解释负载对路端电压和电源输出功率的影响等实际问题,体会图像法在研究物理问题中的作用,知道欧姆表测量电阻的原理.
2　闭合电路的欧姆定律
知识点一　电动势
答案:当干电池充当电源时,在电源外部,负电荷从电源的负极流到电源的正极;在电源内部,负电荷从电源的正极流向负极.
1.一干电池如图所示,当这节干电池充当电源时,负电荷是从电源的正极流到负极,还是从电源的负极流到正极?
2.电动势.
(1)概念:在物理学中,我们用 所做的功与所移动的电荷量之比来表示电源的特性,叫作电动势.
(2)定义式: .
(3)单位:伏特(V).
(4)物理意义:电动势在数值上等于 把 1 C 的正电荷在电源内从 移送到 所做的功,即电动势是反映电源中非静电力做功本领的物理量.
非静电力
E=????????
?
非静电力
负极
正极
(5)不同型号的电池如图所示,能否依据电池体积的大小判断电池电动势的大小?为什么?
答案:不能.因为电动势由电源中非静电力的特性决定,对于常用的干电池来说,电动势跟电池的体积无关.
知识点二　闭合电路欧姆定律及其能量分析
1.将一节电压为1.5 V的新电池接在如图所示的电路中,且电路中有一阻值为R的电阻.当开关断开时,用电压表测量出的电压为1.5 V.当开关闭合后,电压表的读数变小.如何解释这种现象?
答案:因为电源内有电阻,当开关闭合后,电源内的电阻分得了一部分电压,所以电压表读数小于1.5 V.
2.部分电路欧姆定律:I=???????.
?
????????
?
3.在下图所示的电路中标出内电路和外电路,并分析外电路中电势的变化规律.
答案:内电路和外电路如图所示.在外电路中,沿电流的方向,电势逐渐降低.
4.闭合电路的能量分析.
闭合电路如图所示,设电源电动势为E,电源内阻为r,外电路电阻为R,电路中电流为I.试分析通电时间t内,非静电力做功与电能转化成其他形式能的关系.
答案:通电时间t内,非静电力做的功W=EIt,
外电路中电能转化成的内能Q外=I2Rt,
内电路中电能转化成的内能Q内=I2rt,
根据能量守恒定律可得W=Q外+Q内,
所以EIt=I2Rt+I2rt.
5.闭合电路的欧姆定律.
(1)内容:闭合电路的电流跟电源的成正比,跟
成反比.
(2)表达式:I=????????+????,也可写成.
?
电动势
内、外电路的电阻之和
E=U外+U内
知识点三　路端电压与负载的关系
路端电压的U-I图像如下图所示,外电路的电阻为R.
(1)根据闭合电路欧姆定律,路端电压与电流的关系为U=.
(2)当外电路断开时,电路中电流I=0,路端电压U=,即断路时的路端电压等于.
(3)当电源两端短路时,外电路的电阻R=0,此时电流I=??????.
?
E-Ir
E
电源的电动势
????????
?
小试身手
判断下列说法的正误并和同学交流(正确的打“√”,错误的打“×”).
1.电源是通过静电力做功把其他形式的能转化为电能的装置.
(　　)
2.把同一电源接在不同的电路中,电源的电动势也将变化.
(　　)
3.E=U+Ir适用于任何电路.(　　)
4.在电源一定的闭合电路中,外电路的电阻越大,路端电压越大.
(　　)
5.外电路短路时,电路中的电流无穷大.(　　)
×
×
√
√
×
探究一　电动势
问题情境
如图所示,电源在电路中的作用是不断地将流到负极的正电荷经过电源内部搬运到正极,从而保持正、负极有稳定的电势差,电路中有持续的电流.
1.在图示电源内部,正电荷在运动过程中静电力对其做什么功?非静电力对正电荷做什么功?能量如何转化?
答案:在电源内部,正电荷所受静电力的方向与正电荷运动的方向相反,故静电力对正电荷做负功;在电源内部,正电荷所受非静电力的方向与正电荷运动的方向相同,故非静电力对正电荷做正功;其他形式的能转化为正电荷的电势能.
2.日常生活中我们经常接触到各种各样的电池,如标有
“1.5 V”字样的普通干电池,标有“3.7 V”字样的锂离子电池.如果把1 C的正电荷从一节1.5 V的干电池的负极移到正极,非静电力做多少功?电荷的电势能增加多少?如果把
1 C的正电荷从3.7 V的锂电池的负极移到正极呢?哪个电池做功本领大?
答案:把1 C的正电荷从1.5 V的干电池的负极移到正极,非静电力做功1.5 J,电荷的电势能增加1.5 J;把1 C的正电荷从
3.7 V的锂电池的负极移到正极,非静电力做功3.7 J,电荷的电势能增加3.7 J.3.7 V的锂电池做功本领大.
3.是不是非静电力做功越多,电源把其他形式的能转化为电势能的本领就越大?如何描述电源把其他形式的能转化为电势能的本领?
答案:不是.若把相同数量的电荷从电源的一极搬运到另一极,做功越多,电荷获得的电势能越多,表明电源把其他形式的能转化为电势能的本领越大.可以用非静电力做的功与电荷量的比值即E=????????来反映非静电力做功的本领.
?
过程建构
1.对非静电力的理解.
(1)非静电力:电源内使正、负电荷分离,并使正电荷聚积到电源正极、负电荷聚积到电源负极的非静电性质的作用力,是对除静电力外能对电荷流动起作用的其他力的统称.
(2)来源: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,它把机械能转化为电势能.
2.电势差与电源电动势的区别.
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}比较项
电势差
电动势
意义
表示静电力做功将电势能转化为其他形式的能的本领大小
表示非静电力做功将其他形式的能转化为电势能的本领大小
概念
UAB=????????????????,数值上等于将1 C正电荷从导体一端移到另一端静电力所做的功
E=????????,数值上等于将1 C正电荷从电源负极移到正极非静电力所做的功
单位
伏特(V)
伏特(V)
正、负
含义
正、负表示相对零电势点的高低,电流流过电阻,电势降低
一般地,在中学E取正值,不讨论负电动势问题
决定
因素
由电源及导体的电阻和连接方式决定
仅由电源本身决定
【典例1】(多选)一组铅蓄电池的电动势为6 V,内阻不为0,下列说法正确的是 (　　)
A.电路中每通过1 C的电荷,铅蓄电池能把6 J的化学能转化为电势能
B.体积大的铅蓄电池比体积小的铅蓄电池的电动势大
C.电路中每通过1 C的电荷,铅蓄电池内部非静电力做功为
6 J
D.该铅蓄电池把其他形式的能转化为电势能的本领比一节干电池(电动势为1.5 V)的强
解析:由W=Eq可知,电路中每通过1 C的电荷时,铅蓄电池将6 J的化学能转化为电势能,故选项A正确;电源的电动势只与电源的性质有关,与体积无关,故选项B错误;电路中每通过1 C的电荷,铅蓄电池内部非静电力做功为
W=Eq=6 J,故选项C正确;电动势反映电源将其他形式的能转化为电势能的本领,故选项D正确.
答案:ACD
探究二　闭合电路欧姆定律及其能量分析
问题情境
下图为闭合电路的组成示意图.
1.若电源电动势为E,闭合开关,电路中的电流为I,在时间t内非静电力做功多少?内、外电路中产生的热量分别为多少?它们之间有怎样的关系?
2.闭合电路的电流I与电动势E、外电路的电阻R和内阻r有什么关系?
答案:根据EIt=I2Rt+I2rt,可得E=IR+Ir或I=????????+????.
?
答案:非静电力做功W=EIt,内、外电路产生的热量分别为Q内=I2rt,Q外=I2Rt,根据能量守恒定律有 W=Q外+Q内,即EIt=I2Rt+I2rt.
3.图示电路中,电源的输出功率与外电路的电阻R有什么关系?电源的效率与外电路的电阻R有什么关系?
答案:电源的输出功率为
P出=UI=????????????(????+????)????=????????(?????????)????????+????????.由上式可以看出
(1)当R=r时,电源的输出功率最大,P出=????????????????.
(2)当R>r时,随着R的增大输出功率越来越小.
(3)当R(4)P出与R的关系如图所示.
?
电源的效率为η=????出????总=????????=????????????(????+????)=????????+????=????????+????????,故外电路电阻越大,电源效率越高.
?
过程建构
1.闭合电路欧姆定律的几种表达形式:
(1)I=????????+????、E=IR+Ir只适用于外电路为纯电阻电路的闭合电路.
(2)E=U外+Ir、E=U外+U内适用于任何闭合电路.
?
2.电源的功率.
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}项目
物理意义
表达形式
电源的总
功率P总
电源向整个电路提供的总功率,表示将其他形式的能转化为电势能的功率
任何电路都有P总=EI,若
外电路为纯电阻电路,可
表示为P总=I2(R+r)=????????????+????
电源内阻的
热功率P内
电源内阻消耗的功率
P内=I2r
电源的输出
功率P出
外电路消耗的功率
任何电路都有P出=U外·I,
若外电路为纯电阻电路,
P出=I2R=????????????(????+????)????=????外????????
三者关系:P总=P内+P出
【典例2】如图所示,电源电动势为E,内阻为r.闭合开关,当滑动变阻器的滑片P向B点移动时,电压表V1的读数U1与电压表V2的示数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
[学会审题]
解析:滑动变阻器的滑片P向B点移动时,电路总电阻变大,根据闭合电路欧姆定律知干路中的电流I=????????+????变小.因为路端电压U=E-Ir,所以U增大,即电压表V1示数U1变大.由部分电路欧姆定律I=????????知电压表V2示数U2变小,所以选项A正确.
?
答案:A
【典例3】如图所示,E=8 V,r=2 Ω,R1=8 Ω,R2为滑动变阻器.
(1)要使滑动变阻器获得的电功率最大,则R2的取值应是多少?这时R2的功率是多少?
(2)要使R1得到的电功率最大,则R2的取值应是多少?R1的最大功率是多少?这时电源的效率是多少?
(3)调节R2的阻值,能否使电源以最大的功率????????????????输出?为什么?
?
解析:(1)将R1和电源(E,r)等效为一新电源,则新电源的电动势E'=E=8 V,内阻r'=r+R1=10 Ω,且为定值.利用电源的输出功率随外电阻变化的结论知,当R2=r'=10 Ω时,R2有最大功率,即P2max=????′????????????′=1.6 W.
(2)因为R1是定值电阻,所以流过R1的电流越大,R1的功率就越大.当R2=0时,电路中有最大电流,即Imax=????????????+????=0.8 A,
R1的最大功率P1max=????????????????????R1=5.12 W,这时电源的效率
η=????????????????+????=80%.
?
(3)不能,因为即使R2=0,外电阻R1也大于r,不可能有????????????????的最大输出功率.本题中,当R2=0时,外电路得到的功率最大.
?
答案:(1)10 Ω　1.6 W　(2)0　5.12 W　80% (3)不能,理由见解析.
电路中最大功率的计算技巧
(1)电源最大输出功率的计算.在闭合电路中E和r不变,电源的输出功率P出随R外的变化而变化,且当R外=r,电源的输出功率P出最大.
(2)电路中可变电阻最大功率的计算.当电路中有一个电阻变化而其他电阻恒定时,可以把这个电阻看作外电路,把其他的定值电阻当作电源内阻的一部分,当R变=R定+r时,P变有最大值.
(3)电路中定值电阻最大功率的计算.定值电阻的阻值不变,根据P=I2R,当电路中电流最大时,其功率最大.
探究三　路端电压与电流、负载的关系
问题情境
1.在如图所示的电路中,电源的电动势E=10 V,内阻r=1 Ω,试求当外电路的电阻分别是3 Ω、4 Ω、9 Ω时所对应的路端电压.通过计算,你发现了怎样的规律?
答案:根据闭合电路欧姆定律得U=E-Ir=E-????????+????r,代入数据可得外电压分别为7.5 V、8 V、9 V.由数据可知,随着外电路电阻的增大,路端电压逐渐增大.
?
2.依据部分电路的欧姆定律和闭合电路的欧姆定律,推导出路端电压和负载电阻的关系,并分析用电压表直接测电源电动势的依据.
答案:由I=????????+????和U=IR得路端电压U=????????+????????,由此式可知路端电压随外电路电阻的增大而增大.当外电路断路(外电路电阻无穷大)时,路端电压U=E,这也提供了一种粗测电动势的方法,即把电压表直接连在电源两端测电源电动势.
?
3.根据闭合电路欧姆定律写出路端电压U与干路电流I之间的关系式,并画出U-I图像,说明图线与纵轴的交点、与横轴交点(纵坐标从0开始)、斜率的绝对值的物理意义各是什么?
答案:由E=U+U内及U内=Ir得U=E-Ir,U-I图像如图所示.
图线在纵轴的截距表示电源的电动势E;图线在横轴的截距(纵坐标从0开始)表示电源的短路电流I0;图线斜率的绝对值表示电源的内阻,即r=????????????.
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两类U-I图像的比较.
过程建构
{5C22544A-7EE6-4342-B048-85BDC9FD1C3A}比较项
路端电压的U-I图像
定值电阻的U-I图像
图像
物理意义
电源的路端电压随电路电流的变化关系
定值电阻两端的电压与通过电阻的电流之间的关系
与坐标
轴的交点
与纵轴交点的纵坐标表示电源电动势E,与横轴交点的横坐标表示电源的短路电流????????
过坐标轴原点,表示没有电压时电流为0
坐标U、I
的乘积
表示电源的输出功率
表示电阻消耗的功率
坐标U、I
的比值
(纯电阻电路中)表示外电路的电阻,不同点对应的电阻不同
表示此定值电阻的阻值,每一点对应的比值相等
斜率的
绝对值
电源内阻r
定值电阻的阻值
【典例4】(多选)在如图所示的U-I图像中,直线Ⅰ为某一电源的路端电压与电流的关系图像,直线Ⅱ为某一电阻R两端的电压与电流的关系图像.用该电源直接与电阻R串联组成闭合电路,由图像可知(　　)
A.电源的电动势为3 V,内阻为0.5 Ω
B.电阻R的阻值为1 Ω
C.电源的输出功率为4 W
D.电源的效率为50%
解析:由题图直线Ⅰ可得,纵轴截距为电源电动势,E=3 V,横轴截距为电源的短路电流,I0=6 A,电源内阻r=????????????=0.5 Ω,故选项A正确;由直线Ⅱ可得,当U=2 V时,I=2 A,根据部分电路欧姆定律可得R=????????=1 Ω,故选项B正确;两条直线的交点坐标表示该电源与该电阻组成闭合电路时,电阻两端的电压和电流,交点处U=2 V,I=2 A,电源的输出功率P=UI=4 W,故选项C正确;电源的效率η=????????总=????????????????=????????=66.7%,故选项D错误.
?
答案:ABC
探究四　欧姆表的原理及应用
问题情境
欧姆表是在电流表的基础上改装而成的.为了使测量电阻时电流表指针能够偏转,表内应有电源.下图是一个简单欧姆表的内部电路和刻度盘.
1.为什么欧姆表的零刻度在刻度盘的右端?如何计算欧姆表的内阻?
答案:当红、黑表笔直接接触时,相当于被测电阻Rx=0,表头的指针指到电流最大值处,由闭合电路欧姆定律得Ig=
????????????+????+????????=????????????,所以刻度盘上电流最大值处对应欧姆表刻度的零刻度.如果已知E和Ig的值,就可以求得欧姆表的内阻RΩ.
?
2.欧姆表刻度盘上的刻度为什么是不均匀的?
答案:当测量电阻时,由闭合电路欧姆定律得Ix=????????????+????+????????+????????
=????????????+????????,所以Rx=????????????-RΩ,电阻Rx与电流存在一一对应的关系.因此,只要将原来的电流刻度转换成对应的电阻刻度,指针就能够指示出被测电阻的阻值,Rx与Ix之间是不是线性关系,所以刻度盘上电阻值的刻度不均匀.
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3.欧姆表刻度盘的中间刻度值有什么重要意义?
答案:待测电阻的阻值为Rx=????????????-RΩ,当两表笔直接接触时Rx=0,Ix=Ig;当两表笔断开时Rx=∞,Ix=0;当待测电阻Rx=RΩ时,Ix=????????????,此时指针指在刻度盘的中央,指针所指电阻值叫中值电阻.
?
1.欧姆表的内部结构:欧姆表由表头、电源和可变电阻三部分组成.如图所示.
过程建构
2.原理:依据闭合电路欧姆定律,由电流表改装而成.
3.测量:如图所示,当红、黑表笔间接入被测电阻Rx时,通过表头的电流I=????????????+????+????????+????,改变被测电阻Rx的阻值,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Rx值,就可以从刻度盘上直接读出被测电阻的阻值.
?
【典例5】把一量程为0~6 mA、内阻为100 Ω的电流表改装成欧姆表,电路如图所示.现备有如下器材:
A.电源(E=3 V,内阻不计)
B.滑动变阻器0~100 Ω
C.滑动变阻器0~500 Ω
D.红表笔
E.黑表笔
(1)滑动变阻器选用　　　　(填字母).?
(2)红表笔接　　　　端,黑表笔接　　　　端.(均选填“M”或“N”)?
(3)把电流表改装成欧姆表后,电流表2 mA刻度处应标为　　　　Ω,电流表3 mA刻度处应标为　　　　Ω,在如图所示的刻度盘上标注对应的电阻值.?
(4)若该欧姆表使用一段时间后,电源电动势变小,内阻变大,但此表仍能调零,按正确使用方法接入同样待测电阻Rx,其测量结果与真实值相比将　　　　(选填“偏大”
“偏小”或“不变”).?
解析:(1)两表笔直接接触时,调节滑动变阻器接入电路的阻值使电流达到满偏,根据闭合电路欧姆定律得Ig=????????????,而RΩ=Rg+R0,解得滑动变阻器接入电路的阻值为R0=400 Ω,故滑动变阻器应选C.
(2)红表笔接内部电源的负极,黑表笔接内部电源的正极,所以红表笔接N端,黑表笔接M端.
?
(3)根据闭合电路欧姆定律得I=????????????+????????,解得Rx=????????-RΩ.当I=2 mA时,解得Rx=
1 000 Ω;当I=3 mA 时,解得Rx=500 Ω.在刻度盘上标注对应的电阻值如图所示.
?
(4)当电源电动势变小,内阻变大时,欧姆表需重新调零,由于满偏电流Ig不变,由公式Ig=????????????,可知欧姆表内阻RΩ得调小,待测电阻的阻值通过电流表的示数体现,由公式I=
????????????+????????=????????????????????????+????????=????????????????????????+????,可知当RΩ变小时,接入同样的被测电阻,通过的电流变小,欧姆表读数变大.
?
答案:(1)C　(2)N　M　(3)1 000　500　见解析图.　
(4)偏大
课堂评价
答案:B
1.将一个电源与一电阻箱连接构成闭合回路,测得电阻箱所消耗的功率P与电阻箱的读数R的关系如图所示.下列说法正确的是 (　　)
A.电源最大输出功率可能大于45 W
B.电源的内阻为5 Ω
C.电源的电动势为45 V
D.电阻箱消耗的功率为最大值时,电源的效率大于50%
答案:AD
2.(多选)某电源的路端电压与电流的关系图像如图所示,下列结论正确的是 (　　)
A.电源的电动势为6.0 V
B.电源的内阻为12 Ω
C.电源的短路电流为0.5 A
D.电流为0.3 A时的外电阻是18 Ω
3.如图所示,电源电动势为E,电源内阻为r=1 Ω,定值电阻R1=4 Ω,滑动变阻器R2变化范围是0~10 Ω.下列说法正确的是(　　)
答案:D
A.当R2=3 Ω时,电源的输出功率最大
B.当R2=3 Ω时,R1获得的功率最大
C.当R2=0时,电源的效率最大
D.当R2=0时,R1获得的功率最大
4.如图所示,电源电动势和内阻都保持不变,当滑动变阻器滑片向上移动时 (　　)
答案:A
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
5.欧姆表的内部构造是由可调电阻、表头、电源串联而成的.一同学在利用欧姆表测量阻值为R=100 Ω 的电阻时,发现指针偏转角度为表盘的????????;若测量另一阻值为Rx的电阻时,指针偏转角度为表盘的????????,则Rx为 (　　)
A.1 000 Ω　　B.400 Ω C.25 Ω D.1 600 Ω
?
解析:设欧姆表的内阻为R内,由闭合电路的欧姆定律可知,
????????+????内=????????????????,????????????+????内=????????????,????????内=Ig,解得Rx=16R,代入数据得Rx=
1 600 Ω,选项D正确.
?
答案:D