1、江威高考物理闭合电路欧姆定律及其应用例 1如图 1813 所示,电流表读数为 0.75A,电压表读数为 2V,R 3= 4,若某一电阻发生断路,则两电表的读数分别变为 0.8A 和 3.2V.(1)是哪个电阻发生断路?(2)电池的电动势和内电阻分别为多大?解析 (1)假设 R1 发生断路,那么电流表读数应变为零而不应该为 0.8A;假设 R3发生断路,那么电压表读数应变为零而不应该为 3.2V。所以,发生断路的是 R2。(2)R 2 断路前,R 2 与 R3 串联、然后与 R1 并联;R 2 断路后,电池只对 R1 供电,于是有4+2=0.75R123.2=0.8R1由此即可解得 R1= 4
2、R2=8再根据闭合电路的欧姆定律,得 =0.75rE321)( 321)(=0.8 可得出 E= 4V, r=1rR1规律总结 首先画出等效电路图,再根据电路的特点以及电路出现故障的现象进行分析,从而得出故障的种类和位置。一般的故障有两种:断路或局部短路。考点二 闭合电路的动态分析1、 总电流 I 和路端电压 U 随外电阻 R 的变化规律:当 R 增大时,I 变小,又据 U=E-Ir 知,U 变大.当 R 增大到时,I=0,U=E(断路). 当 R 减小时,I 变大,又据 U=E-Ir 知,U 变小.当 R 减小到零时,I=E r ,U=0(短路)2、 所谓动态就是电路中某些元件(如滑动变阻器
3、的阻值)的变化,会引起整个电路中各部分相关电学物理量的变化。解决这类问题必须根据欧姆定律及串、并联电路的性质进行分析,同时,还要掌握一定的思维方法,如程序法,直观法,极端法,理想化法和特殊值法等等。3、 基本思路是“部分整体部分” ,从阻值变化的部分入手,由欧姆定律和串、并联电路特点判断整个电路的总电阻,干路电流和路端电压的变化情况,然后再深入到部分电路中,确定各部分电路中物理量的变化情况。例 2在如图所示的电路中,R 1、R 2、R 3、R 4 皆为定值电阻,R 5 为可变电阻,电源的电12E3rVA特别提醒在电路的动态分析中,要注意闭合电路欧姆定律、部分电路欧姆定律及串联分压和并联分流的综
4、合应用。在分析电灯明暗变化时,可从电流、电压和功率三个量中的任何一个量分析都可确定。江威高考物理动势为E,内阻为 r,设电流表 A 的读数为 I,电压表 V 的读数为 U,当 R5 的滑动触头向 a端移动时,判定正确的是( )AI 变大,U 变小 BI 变大,U 变大CI 变小,U 变大 DI 变小,U 变小解析 当 R5 向 a 端移动时,其电阻变小,整个外电路的电阻也变小,总电阻也变小,根据闭合电路的欧姆定律 知道,回路的总电流 I 变大,内电压EIRrU 内 =Ir 变大,外电压 U 外 =E-U 内 变小,所以电压表的读数变小,外电阻 R1 及 R4 两端的电压 U=I( R1+R4)
5、 变大,R5 两端的电压,即 R2、R 3 两端的电压为 U=U 外 -U 变小,通过电流表的电流大小为 U/(R2+R3)变小,答案:D规律总结 在某一闭合电路中,如果只有一个电阻变化,这个电阻的变化会引起电路其它部分的电流、电压、电功率的变化,它们遵循的规则是:(1).凡与该可变电阻有并关系的用电器,通过它的电流、两端的电压、它所消耗的功率都是该可变电阻的阻值变化情况相同.阻值增大,它们也增大.(2).凡与该可变电阻有串关系的用电器,通过它的电流、两端的电压、它所消耗的功率都是该可变电阻的阻值变化情况相同.阻值增大,它们也增大.所谓串、并关系是指:该电阻与可变电阻存在着串联形式或并联形式用
6、这个方法可以很简单地判定出各种变化特点.简单记为:并同串反考点三 闭合电路的功率例 3 已知如图, E =6V,r =4,R 1=2,R 2 的变化范围是 010。求:电源的最大输出功率;R 1 上消耗的最大功率; R 2 上消耗的最大功率。解析 R 2=2 时,外电阻等于内电阻,电源输出功率最大为 2.25W; R1 是定植电阻,电流越大功率越大,所以 R2=0 时 R1 上消耗的功率最大为 2W;把 R1 也看成电源的一部分,等效电源的内阻为 6,所以,当 R2=6 时,R 2 上消耗的功率最大为 1.5W。规律总结 注意 R1 上消耗的最大功率与 R2 上消耗的最大功率的条件是不同的。例
7、 4 如图示的 U-I 图,其中 A 是路端电压随电流的变化规律,B 是某一电阻的伏安特性曲线,用该电源与该电阻组成闭合电路时,电源的输出功率是( ),电源的效率是( )解析 由图中 A 知:E=3V , r=0.5 由图中 B 知:R=1 电源的输出功率是 2()4EPRWr出因为是纯电阻电路,电源的效率是:江威高考物理267%()PIRr出总规律总结 电路端电压随电流变化的特性图,以下几个特点必须记住:(1)线与 U 轴的交点就是电源的电动势(2)曲线与 I 轴的交点就是电源短路电流(3)曲线的斜率大小是电源内电阻的大小(4)曲线上某一点坐标之积是输出功率,如左图中 OUIB 所围面积;而
8、图中 ECIO 则是该电流下电源的总功率.考点 4 含容电路的分析与计算1、电容器的电量:Q=CU2、在直流电路中,电容器对电流起到阻止作用,相当于断路.同时电容器又可被充电,电荷量的大小取决于电容和它两端对应的电路的电压.例题 5 如下图所示,U=10V,电阻 R1=3,R 2=2,R 3=5,电容器的电容 C1=4F,C 2=1F,求:(1)若电路稳定后,C 1、C 2 的带电量?(2)S 断开以后通过 R2 的电量及 R2 中电流的方向?解析:(1)电路稳定后,R 1、R 2 是串联,R 3 上没有电流,C 1 两端的电压等于 R2 的电压,C 2 的电压等于 R1+R2 的电压,即:U
9、 1= U R2 =4V 21RU 2=U=10VC1 的电量 Q1=C1U1=1.610-5C C2 的电量 Q2=C2U2=1.010-5C(2)S 断开后 C1 要通过 R2、R 3 放电,C 2 要通过 R3、R 2、R 1 放电,通过 R2 的电量是:Q=Q1+Q2=2.610-5C,由电路分析知道,C 1 下极板带正电, C2 右极板带正电,断开 S 后瞬间,其 R2 上的放电电流方向为从右向左.高考重点热点题型探究特别提醒1、含电容器的电路的分析和计算,要抓住电路稳定时电容器相当于断路.分析稳定状态的含容电路时可先把含有电容器的支路拆除,画出剩下电路等效电路图,之后把电容器接在相
10、应位置。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的差;如果变化前后极板带电的电性改变,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。江威高考物理闭合电路欧姆定律的综合应用例 1 (2008 广东卷)7电动势为 E、内阻为 r 的电源与定值电阻 R1、 R2及滑动变阻器 R 连接成如图所示的电路,当滑动变阻器的触头由中点滑向 b 端时,下列说法正确的是A电压表和电流表读数都增大B电压表和电流表读数都减小C电压表读数增大,电流表读数减小D电压表读数减小,电流表读数增大【答案】A【解析】设滑动变阻器的触头上部分电阻为 x,则电路的总电阻为,滑动变阻
11、器的触头由中点滑向 b 端时,并联支路电阻 x 增大,故路21xRRr总 端电压变大,同时并联部分的电压变大,故通过电流表的电流增大,故选项 A 正确。例 2 (2004江苏)如图所示的电路中,电源电动势 E6.00 V,其内阻可忽略不计.电阻的阻值分别为 R12.4 k、 R24.8 k,电容器的电容 C4.7F.闭合开关 S,待电流稳定后,用电压表测 R1两端的电压,其稳定值为 1.50 V. (1)该电压表的内阻为多大? (2)由于电压表的接入,电容器的带电量变化了多少?解析(1)设电压表的内阻为 RV,测得 R1两端的电压为 U1,R1与 RV并联后的总电阻为 R,则有 由串联电路的规
12、律 联立,得 RV 代入数据,得 RV4.8 k江威高考物理(2)电压表接入前,电容器上的电压 UC等于电阻 R2上的电压, R1两端的电压为 UR1,则 又 E UCU R1接入电压表后,电容器上的电压为 UC E U1由于电压表的接入,电容器带电量增加了 Q C( UC UC)由以上各式解得 Q C 代入数据,可得 Q2.3510 6 C 答案 见解析 例 3 (2006上海)在如图所示电路中,闭合电键 S,当滑动变阻器的滑动触头 P 向下滑 动时,四个理想电表的示数都发生变化,电表的示数分别用 I、 U1、U 2 和 U3 表示,电表示数变化量的大小分别用 I、U 1、U 2 和 U 3
13、 表示下列比值正确的是( ) (A)U 1/I 不变,U 1/I 不变 (B)U 2/I 变大, U 2/I 变大 (C)U 2/I 变大,U 2/I 不变 (D)U 3/I 变大,U 3/I 不变 答案 ACD名师指引 本题求解的关键是确定 U 1、U 2、U 内的关系,由于 E=U1+U2+U 内,其中 U1 变小、U 2 变大、U 内变小,故有 U 2=U 1+U 内。很多同学由于无法确定这个关系,而得出 ABD 的错误结论。 例 4 (2006天津) 如图所示的电路中,电池的电动势为 E,内阻为 r,电路中的电阻 R1、R 2 和 R3 的阻值都相同。在电键 S 处于闭合状态下,若将电
14、键 S1 由位置 1 切换到位置 2,则A 电压表的示数变大B 电池内部消耗的功率变大C 电阻 R2 两端的电压变大D 电池的效率变大江威高考物理解析:设电阻 R1=R2=R3=R,当电键 S1 接 1 时,电路中总电阻为 ,当电键 S1 接2 时,电路中总电阻为 ,总电阻变小,由 , 变小, 变大,路端电压 ,电源的 不变,则路端电压减小,即伏特表读数减小,选项 A 错误,电源内部消耗的功率 , 变大, 增大,B 选项正确,当电键 S1 接 1 时,两端电压 ,当电键 S1 接 2 时, 两端电压 ,两端电压变小,C 选项错误,电池的效率,则当电键 S1 由接 1 改为接 2 时,总电阻变小
15、,电池的效率减小,D 选项错误,所以 B 选项正确。答案 B例 5 (2007北京)环保汽车将为 2008 年奥运会场馆服务。某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车,总质量 310kgm。当它在水平路面上以 v=36km/h 的速度匀速行驶时,驱动电机的输入电流 I=50A,电压 U=300V。在此行驶状态下(1)求驱动电机的输入功率 P电 ;(2)若驱动电机能够将输入功率的 90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率 P 机 ,求汽车所受阻力与车重的比值(g 取 10m/s2) ;(3)设想改用太阳能电池给该车供电,其他条件不变,求所需的太阳能电池板的最小面积。结合计算结果,简述你对该设想的思考。已知
16、太阳辐射的总功率 26041WP,太阳到地球的距离 1.50mr,太阳光传播到达地面的过程中大约有 30%的能量损耗,该车所用太阳能电池的能量转化效率约为15%。解析(1)驱动电机的输入功率: W。3105IU电(2)在匀速行驶时,P 机 =0.9P 电 ,P 机 =Fv=fv 所以:f= 0.9P 电 /v汽车所受阻力与车重之比: 。04.mgf(3)当阳光垂直电池板入射时,所需板面积最小,设其为 S,距太阳中心为 r 的球面积:,若没有能量损耗,太阳能电池板接收到的太阳能功率为 ,则 。204rS P0S江威高考物理设太阳能电池板实际接收到的太阳能功率为 P,则有 ,所以 ,P%30100
17、%31SP由于 P 电 =15%P,所以电池板的最小面积为: m2。7.547.020rS电分析可行性并提出合理的改进建议。答案 见解析名师指引 此题结合力学、电学与光学三部分内容,要求考生熟练电功率与机械功率的计算,理解太阳辐射能量的球形模型。抢分频道限时基础训练(20 分钟)班级 姓名 成绩 1 (2007深圳市最后冲刺模拟试题) 如图所示电路中,电源电动势 恒定,内阻 r=1,定值电阻 R3=5。当电键 K 断开与闭合时,ab 段电路消耗的电功率相等。则以下说法中正确的是( )A.电阻 R1、R 2可能分别为 4、5B.电阻 R1、R 2可能分别为 3、6C.电键 K 断开时电压表的示数
18、一定大于 K 闭合时的示数D.电键 K 断开与闭合时,电压表的示数变化量大小与电流表的示数变化量大小之比一定等于 61.答案:ACD 解析:根据闭合电路欧姆定律与部分电路欧姆定律可得到答案。2 (2007深圳市南头中学)如图,电源的内阻不可忽略已知定值电阻R1=10,R 2=8当电键 S 接位置 1 时,电流表的示数为 0.20A那么当电键 S 接位置 2时,电流表的示数可能是下列的哪些值A.0.28A B.0.25AC.0.22A D.0.19A2答案:C 解析:电键接 2 后,电路的总电阻减小,总电流一定增大,所以不可能是 0.19A电源的路端电压一定减小,原来路端电压为 2V,所以电键接
19、 2 后路端电压低于 2V,因此电流一定小于 0.25A所以只能选 C。3 (2008深圳市南头中学)某居民家中的电路如图 6 所示,开始时各部分工作正常,将电饭煲的插头插入三孔插座后,正在烧水的电热壶突然不能工作,但电灯仍正常发光拔出电饭煲的插头,把试电笔分别插入插座的左、右插孔,氖管均能发光,则: A仅电热壶所在的 C、D 两点间发生了断路故障B仅电热壶所在的 C、D 两点间发生了短路故障第 1 题2AR1R21S江威高考物理C仅导线 AB 间断路D因为插座用导线接地,所以发生了上述故障3答案:C 解析:由于电灯仍正常发光,说明电源是好的,电热壶所在的 C、D 两点间没有发生短路故障。把试
20、电笔分别插入插座的左、右插孔,氖管均能发光,说明插座的左、右插孔都与火线相通,说明电热壶所在的 C、D 两点间没有发生断路故障。综合分析可知,故障为导线 AB 间断路,即 C 选项正确。4 (2008广州市六校联考)如图所示的电路中,闭合电键 S 后,灯 L1 和 L2 都正常发光,后来由于某种故障使灯 L2 突然变亮,电压表读数增加,由此推断,这故障可能是A.L1 灯灯丝烧断 B.电阻 R2 断路C.电阻 R2 短路 D.电容器被击穿短路4答案:B 解析:由动态电路的分析规律:串反并同.可以知道 L2 突然变亮只能是电阻 R2 断路,即相当于 R2增大到无穷大。5 (2008汕头)如图所示,
21、电源 E 的电动势为 3.2 V,电阻 R 的阻值为 30 ,小灯泡 L 的额定电压为 3.0 V,额定功率为 4.5 W,当电键 S 接位置 1 时,电压表的读数为 3 V,那么当电键 S 接到位置 2 时,小灯泡 L 的发光情况是A.很暗,甚至不亮 B.正常发光 C.比正常发光略亮 D.有可能被烧坏5 答案:A 解析:S 接 1 时,由 E=U+Ir 得 r=2 .R L=U 额 2/P 额 =2 ,故 S 接 2 时,U L= rRERL= 1.6 V3.0 V,故灯很暗,此时电路中电流 I=0.8 A,有可能超过电源的额定电流,使电源烧毁导致灯不亮。基础提升训练1如图 4 所示,已知电
22、源电动势 E=6.3v,内阻 r=0.5,固定电阻 R1=2,R 2=3,R 3 是阻值为 5 的滑动变阻器。按下开关 S,调节滑动变阻器的触头,求通过电源的电流范围。1 答案:2.13A 解析:本题首先要画出等效电路图,滑动变阻器触头将 R3 分成 Rx和 R3-Rx 两部分,R x 可在 05 之间变化,等效电路如图 4 所示。 R2R1RxR3-RxsrE图 4江威高考物理选择从外电路入手的途径,外电阻为 R= =3213)(Rxx,当 Rx=2 时 ,R 有极大值 2.5;当 Rx=5 时,R 有极小值 1.6,分10)2(5x别代入 I= 可得 I 的极小值为 2.1A, 极大值为
23、3A,故通过电源的电流范围为 2.13ArE之间。2.图为一电路板的示意图, a、 b、 c、 d 为接线柱, a、 d 与 220V 的交流电源连接, ab间、 bc 间、 cd 间分别连接一个电阻.现发现电路中没有电流,为检查电路故障,用一交流电压表分别测得 b、 d 两点间以及 a、 c 两点间的电压均为 220V.由此可知A.ab 间电路通, cd 间电路不通 B.ab 间电路不通, bc 间电路通C.ab 间电路通, bc 间电路不通 D.bc 间电路不通, cd 间电路通2答案: CD 解析:由于用交流电压表测得 b、d 两点间为 220V,这说明 ab 间电路是通的,bc 间电路
24、不通或 cd 间电路不通;由于用交流电压表测得 a、c 两点间为 220V,这说明 cd 间电路是通的,ab 间电路不通或 bc 间电路不通;综合分析可知 bc 间电路不通,ab 间电路通和cd 间电路通,即选项 C、D 正确。3如图 4 所示,电源电动势为 E,内电阻为 r.当滑动变阻器的触片P 从右端滑到左端时,发现电压表 V1、V 2示数变化的绝对值分别为 U 1和 U 2.下列说法中正确的是( )A.小灯泡 L1、L 3变暗,L 2变亮 B.小灯泡 L3变暗,L 1、L 2变亮C.U 1r2,再根据 P=U2/r 知,D 正确2如图示,直线 OAC 为某一直流电源的总功率随总电流变化的
25、图线,抛物线 OBC 为同一电源内部消耗功率 Pr 随总电流的变化图线,若 A、B 对应的横坐标为 2,则下面判断正确的是( )A电源的电动势为 3V,内电阻为 1江威高考物理B线段 AB 表示的功率为 2WC电流为 2A 时,外电路电阻为 0.5D电流为 3A 时,外电路电阻为 22答案:ABC 解析:由电源消耗功率和电源内部消耗功率表达式 PE=EI,Pr=I 2r,可知,直线是电源消耗的电功率,抛物线是电源内电阻上消耗的功率,当电源内电阻上消耗的功率等于电源的电功率时,说明了外电路短路,此时由电流为 3A 可知,电源的电动势为 E=3V,那么内电阻为 r=1,由图象可知,当电路中的电流为
26、 2A 时,外电阻为 0.5,电源消耗的电功率为6W,内电阻上消耗的功率为 4W,外电路上消耗的电功率为 2W,所以 BC 段表示 2W。3如图所示的电路中,闭合电键,灯 L1、L 2 正常发光,由于电路出现故障,突然发现灯L1 变亮,灯 L2 变暗,电流表的读数变小,根据分析,发生的故障可能是( )AR 1 断路 B R 2 断路CR 3 短路 D R 4 短路答案: 解析:灯 L1 变亮,可以看做是通过 L1 的电功率增大,根据并同串反的规律,可能出现的情况是:与 L1 有并关系的 R1 断路(认为电阻变为无穷大) ,与 L1 有串关系的 R2、R 3、R 4及 L2 都应电阻变小,即短路
27、;灯 L2 变暗,则与 L2 有并关系的是:R 2、R 3,应变小,即短路;与 L2 有串关系的是:R 1、R 4,应变大,即断路,综上所述,正确答案是 A。4如图示的电路中,已知电容 C1=C2,电阻 R1=R2,外接电压不变,当开关 S 由闭合状态断开时,下述说法正确的是( )A、电容器 C1 上的电量增多,电容器 C2 上的电量减少B、电容器 C1 上的电量减少,电容器 C2 上的电量增多C、电容器 C1、C 2 上的电量都增多D、电容器 C1、C 2 上的电量都减少答案: 解析:开关原来闭合,电阻 R1、R 2 是串联,C 1、C 2 两板间电压分别等于 R1、R 2 两端电压;开头断
28、开,C 1、C 2 直接与电源相连,电压都升高,因而电荷量都增多5如图示,调节可变电阻 R 的阻值,使电压表 V 的示数增大 U,在这个过程中, ( )江威高考物理A通过电阻 R1 两端的电流增加,增加量一定大于 U/R 1B电阻 R2 两端的电压减小,减小量一定等于 UC通过 R2 的电流减小,但减小量一定小于 U/R 2D路端电压一定增加,增加量一定等于 U答案: 解析:电压表测的是 R1 两端的电压,当读数增大 U 时,则流过 R1 两端的电流增量为I=U/R 1,所以 A 不正确;由于电源的电动势不变,R 1 与 R 并联后总电压变大,所以R2 与 r,电压之和减少,则 R2 上的电压
29、减少量小于 U,故 B、D 不正确而 C 正确6一个电源,及两个电阻 R1、R 2,当 R1、R 2 单独接在电源上时,电源的输出功率均为P0,现把 R1 和 R2 串联后接到该电源上,电源的输出功率为 P1,再把 R1、R 2 并联后接到电源上,电源的输出功率为 P2,则( )P 0P 1 P 0P 2P 0P 1 P 0P 26答案: 解析:输出功率 ,当分别接 R1、R 2 时,它们功率相等,则一定存在关系2()ERr式 r2=R1R2,根据功率与外电阻的关系图可知,由于 R1、R 2 不相等,并联后,总电阻比其中一个电阻小,功率变小了;串联后总电阻比其中一个大,因此它们的总功率也变小了
30、第卷(共 60 分)7 (10 分) 如图所示,电阻 R18,电动机绕组电阻 R02 ,当电键K 断开时,电阻 R1消耗的电功率是 2.88W;当电键闭合时,电阻 R1 消耗的电功率是 2W,若电源的电动势为 6V.求:电键闭合时,电动机输出的机械功率. 7解:K 断开时,电流 0.6A 电源内阻 rIR21RpIK 闭合时,路端电压 PU4V 电流 1UR0.5A 总电流 (I ) r1A 通过电动机的电流 12I0.5A 电动机的机械功率 1.5WDRI22机8 (10 分)如图所示的电路中,在 A、B 两点间接一电动势为 4V,内电阻为 1 的直流江威高考物理电源,电阻 R1=R2=R=
31、4,电容器 C 的电容为 30F,电流表的内阻不计,求:(1)电流表的读数;(2)电容器所带的电量(3)断开电源后,通 R2的电量8I= (A) 电容带的电量为 Q=CUR3=9.6105 (c)54rE断开电源后通过 R2 的电量为 4.8105 (C)9 (16)可以用电学方法来测水流的速度如图所示,将小铅球 P 系在细金属丝下,悬挂在 O 点,开始时小铅球 P 沿竖直方向处于静止状态,当将小铅球 P 放入水平流动的水中时,球向左摆起一定的角度 为了测定水流的速度 V,在水平方向固定一根电阻丝 BC,使 C端位于 O 点的正下方,它与金属丝接触良好,不计摩擦,还有一个电动势为 电源(内阻不
32、计)和一只电压表(1)设计一个电路,使水流速度增大时,电压表的示数也增大,在题图上画出原理图(2)已知水流对小球的作用力 F 与水流速度 V 的关系为 F=kDV( k 为比例系数, D 为小铅球的直径) , OC=h, BC 长为 L,小铅球质量为 m,当小铅球平衡时电压表示数为 U,请推导出 V 与 U 的关系式 (水对小铅球的浮力忽略不计)9解:(1)略 (2)平衡得 =tg 由串联电路电压关系可得 = 又 = tg Fmg U xL xhF=kDV- 解得 U= V V= U hkDLmg mgl hkD10.(16)如图示的电路中,虚线框内的各元件的数值未知,但根据电工学知识,可以将
33、它等效成一个恒定的电动势的为 E 与内阻为某一值的 r 的电压源当它的输出端 a、b 分别边接不同的阻值电阻时,电流表的读数有不同的值,(1)请通过计算完成下表格电流表示数()1 0.6 0.4连接的电阻()10 18 118江威高考物理(2)a、b 连接电阻多大时,电阻上的电功率最大?最大功率是多少?10答案:(1)28,0.1A(2)18W解析:将虚框中的电源及电阻等效成一个等效电源与等效内阻,设为 E,r,则有:,1()EIRr2()EIRr代入表格中的两组完整的数据可得:E=12V,r=2,再根据已知的电源电动势与内电阻求出当或已知时的值:28,0.1A,再根据外电阻等于内电阻时,输出功率最大求,Pmax=18W)