第二冊(必修加選修)第十四章第4-7節(jié)超導及其應用;電功和電功率;閉合電路歐姆定律;電壓表和電流表

1、年 級高二學 科物理版 本人教版內容標題第十四章 第四節(jié)第七節(jié)編稿老師馬慧【本講教育信息】一. 教學內容：第十四章 穩(wěn)恒電流 第四節(jié) 超導及其應用 第五節(jié) 電功和電功率 第六節(jié) 閉合電路歐姆定律 第七節(jié) 電壓表和電流表 伏安法測電阻二. 知識要點：1. 電功和電熱電功是電場力做功W=UIt；由焦耳定律電熱Q=I2Rt。電流通過金屬導體時，自由電子在加速運動過程中頻繁與正離子相碰，使離子的熱運動加劇，而電子速率減小，可以認為自由電子只以某一速率定向移動，而電能只轉化為內能。（1）對純電阻而言，電功等于電熱：W=Q=UIt=I 2R t=（2）對非純電阻電路（如電動機和電解槽），由于電能除了轉化為

2、電熱以外還同時轉化為機械能或化學能等其它能，所以電功必然大于電熱：，這時電功只能用W=UIt計算，電熱只能用Q=I 2Rt計算，兩式不能通用。例1 某一電動機，當電壓U1=10V時帶不動負載，因此不轉動，這時電流為I1=2A。當電壓為U2=36V時能帶動負載正常運轉，這時電流為I2=1A。求這時電動機的機械功率是多大？解：電動機不轉時可視為為純電阻，由歐姆定律得，這個電阻可認為是不變的。電動機正常轉動時，輸入的電功率為P電=U2I2=36W，內部消耗的熱功率P熱=5W，所以機械功率P=31W由這道例題可知：電動機在啟動時電流較大，容易被燒壞；正常運轉時電流反而較小。例2 來自質子源的質子（初速

3、度為零），經一加速電壓為800kV的直線加速器加速，形成電流強度為1mA的細柱形質子流。已知質子電荷e=1.60×1019C。這束質子流每秒打到靶上的質子數為_。假定分布在質子源到靶之間的加速電場是均勻的，在質子束中與質子源相距L和4L的兩處，各取一段極短的相等長度的質子流，其中的質子數分別為n1和n2，則n1n2=_。分析：由于各處電流相同，設這段長度為l，其中的質子數為n個，則由而 2. 閉合電路歐姆定律（1）主要物理量研究閉合電路，主要物理量有E、r、R、I、U，前兩個是常量，后三個是變量。閉合電路歐姆定律的表達形式有： E=U外+U內 （I、R間關系） U=EIr（U、I間關

4、系） （U、R間關系） 從式看出：當外電路斷開時（I = 0），路端電壓等于電動勢。而這時用電壓表去測量時，讀數卻應該略小于電動勢（有微弱電流）。當外電路短路時（R = 0，因而U = 0）電流最大為Im=E/r（一般不允許出現(xiàn)這種情況，會把電源燒壞）。（2）電源的功率和效率。功率： 電源的功率（電源的總功率）PE=EI 電源的輸出功率P出=UI 電源內部消耗的功率Pr=I 2r 電源的效率：（最后一個等號只適用于純電阻電路）電源的輸出功率，可見電源輸出功率隨外電阻變化的圖線如圖所示，而當內外電阻相等時，電源的輸出功率最大為。例3 已知如圖，E =6V，r =4，R1=2，R2的阻值變化范圍是

5、010。求： 電源的最大輸出功率； R1上消耗的最大功率； R2上消耗的最大功率。解： R2=2時，外電阻等于內電阻，電源輸出功率最大為2.25W； R1是定植電阻，電流越大功率越大，所以R2=0時R1上消耗的功率最大為2W； 把R1也看成電源的一部分，等效電源的內阻為6，所以，當R2=6時，R2上消耗的功率最大為1.5W。（3）變化電路的討論。閉合電路中只要有一只電阻的阻值發(fā)生變化，就會影響整個電路，使總電路和每一部分的電流、電壓都發(fā)生變化。討論依據是：閉合電路歐姆定律、部分電路歐姆定律、串聯(lián)電路的電壓關系、并聯(lián)電路的電流關系。以右圖電路為例：設R1增大，總電阻一定增大；由，I一定減小；由U

6、=E-Ir，U一定增大；因此U4、I4一定增大；由I3= II4，I3、U3一定減??；由U2=UU3，U2、I2一定增大；由I1=I3 I2，I1一定減小?？偨Y規(guī)律如下： 總電路上R增大時總電流I減小，路端電壓U增大； 變化電阻本身和總電路變化規(guī)律相同； 和變化電阻有串聯(lián)關系（通過變化電阻的電流也通過該電阻）的看電流（即總電流減小時，該電阻的電流、電壓都減?。?； 和變化電阻有并聯(lián)關系的（通過變化電阻的電流不通過該電阻）看電壓（即路端電壓增大時，該電阻的電流、電壓都增大）。（4）閉合電路的UI圖象。下圖中a為電源的UI圖象；b為外電阻的U-I圖象；兩者的交點坐標表示該電阻接入電路時電路的總電流和

7、路端電壓；該點和原點之間的矩形的面積表示輸出功率；a的斜率的絕對值表示內阻大??； b的斜率的絕對值表示外電阻的大小；當兩個斜率相等時（即內、外電阻相等時圖中矩形面積最大，即輸出功率最大（可以看出當時路端電壓是電動勢的一半，電流是最大電流的一半）。3. 電流表、電壓表內部結構常用電流表和電壓表都是由小量程的電流表G（即表頭）改裝而成的。電流表頭G的電阻Rg叫表頭內阻。指針偏轉到最大刻度時對應的電流Ig叫滿偏電流；與之對應的電壓Ug叫滿偏電壓，Ug=IgRg。將電流表頭G改裝為電壓表，要串聯(lián)一只大電阻實現(xiàn)分壓；將電流表頭G改裝為電流表，要并聯(lián)一只小電阻實現(xiàn)分流。例：現(xiàn)有一只內阻為Rg=25，量程為

8、Ig=3.0mA的電流表。（1）若要把它改裝為量程為0.6A和3A的雙量程電流表，所需的并聯(lián)電阻阻值分別是多少？（2）現(xiàn)在只有兩只定值電阻R1=0.025和R2=0.10，試用它們完成改造。改裝電路圖已畫好，請標出接線柱上的標志（共用的+接線柱、0.6A和3A）。解：（1）改裝為0.6A量程時，需并聯(lián)Rg/199=0.126電阻；改裝為3A量程時，需并聯(lián)Rg/999=0.025電阻。從左向右，依次是+、3A、0.6A。4. 伏安法測電阻伏安法測電阻有a、b兩種接法，a叫（電流計）外接法，b叫（電流表）內接法。外接法的系統(tǒng)誤差是由電壓表的分流引起的，測量值總小于真實值，小電阻應采用外接法；內接法

9、的系統(tǒng)誤差是由電流表的分壓引起的，測量值總大于真實值，大電阻應采用內接法。如果被測電阻阻值為Rx，伏特表和安培表的內阻分別為RV、RA，若，則采用外接法。若，則采用內接法。如果無法估計被測電阻的阻值大小，可以利用試觸法：如圖將電壓表的左端接a點，而將右端第一次接b點，第二次接c點，觀察電流表和電壓表示數的變化。若電流表示數變化大，說明被測電阻是大電阻，應該用內接法測量；若電壓表讀數變化大，說明被測電阻是小電阻，應該用外接法測量。（這里所說的變化大，是指相對變化，即I/I和U/U）。5. 滑動變阻器的兩種接法滑動變阻器在實驗電路中常用的接法有兩種，分別用下面a、b兩圖表示：a叫限流接法，b叫分壓

10、接法。采用分壓接法時，被測電阻RX上的電壓調節(jié)范圍較大。當實驗中要求被測電阻上的電壓從零開始逐漸增大，或要求電壓調節(jié)范圍盡量大時，應該用分壓接法。為了便于調節(jié)，采用分壓接法時，應該選用總阻值較小的滑動變阻器；采用限流接法時，應該選用總阻值和被測電阻接近的滑動變阻器。 6. 實物圖連線方法（1）無論是分壓接法還是限流接法，都應該先把測量電路（伏安法部分）接好。（2）對限流電路，只需用筆畫線當作導線，從電源正極開始，把電源、電鍵、滑動變阻器、伏安法四部分依次串聯(lián)起來即可（注意電表的正負接線柱并選擇正確的量程，滑動變阻器的滑動觸頭應調到阻值最大處）。（3）對分壓電路，應該先把電源、電鍵和滑動變阻器的

11、全部電阻絲三部分用導線連接起來，然后在滑動變阻器電阻絲兩端之中任選一個接頭，根據“外電路沿電流方向電勢降低”比較該接頭和滑動觸頭兩點的電勢高低，根據伏安法部分電表正負接線柱的分布，將伏安法部分接入該兩點間。 實物連接圖如下。三. 疑難辨析：1. 閉合電路歐姆定律本質上是能的轉化與守恒定律在閉合電路中的反映。（1）電壓形式：E=I（R+r）或E=U外+Ir等.它表明電源電動勢在最值上等于電路中內、外電壓之和.它反映出移送單位電量電荷的過程中，非靜電力做功與電場力做功量值相等，即其他形式的能量轉化為電能，再由電能轉化為電阻上內能的轉化過程中，能量守恒。（2）能量形式：qE=qU外+qU內，使能量轉

12、化的本質更顯現(xiàn)出來。（3）功率形式：IE=IU外+IU內，或IE=IU+I2r。若電路為純電阻電路，則電源的功率P=I2（R+r）=；表明電源的功率隨外電阻的增大而減小，電源的輸出功率（外電路消耗的功率）為P出=UI=EII2r；若外電路為純電阻電路，則P出=I2R=R；不難推出當R=r時，P出最大為。當Rr時，輸出功率隨外電阻的增大而增大；當Rr時，輸出功率隨外電阻的增大而減小.電源的輸出功率最大時，電源的工作效率n=×100%=×100%=50%。2. 處理動態(tài)直流電路時，往往需要注意以下兩點：（1）在變化的電路中，電源的電動勢和內電阻是不變的，路端電壓將隨外電路的電阻

13、增大而增大的變化規(guī)律是進行電路變化分析的依據。（2）在變化的電路中，要注意到將部分的電路和全電路合起來，做到從局部到整體再到局部進行分析，探究電路中電流和電壓的動態(tài)變化過程。3. 將電容器兩端的電勢分別與電路中某一基準點的電勢作比較，然后再確定電容器兩端電壓，這是處理含有電容器的電路的常用方法；在計算電容器電量變化時，有時除了要考慮電容器電壓值的變化，還必須注意分析電容器兩極板上電荷極性的變化。4. 通過對電路的變化和電路故障的綜合分析，不僅可以加深對閉合電路歐姆定律的理解，而且對電路中電阻串、并聯(lián)的作用也會有進一步的認識。從電流角度來講，若是兩個電阻中的電流有一部分是共同的，則它們就是串聯(lián)關

14、系；若是兩個電阻的電流沒有共同部分，則它們就是并聯(lián)關系。當某個電阻變大時，其分壓作用變大，與它并聯(lián)的電阻兩端的電壓變大，電流也隨之變大，由于電源電動勢不變，與它串聯(lián)的電阻兩端的電壓變小，電流也隨之變小；相反，當一個電阻變小時，其分壓作用變小，與它并聯(lián)的電阻兩端電壓變小，電流也隨之變小，與它串聯(lián)的電阻兩端電壓變大，電流也隨之變大。5. 理想電流表和電壓表不影響原電路工作狀態(tài)（1）為了測量通過某段電路的電流，應將電流表與這段電路串聯(lián)。由于電流表本身是一個導體，具有電阻，串入電路后，增大了被測電路的電阻，造成測量誤差。所以，理想的電流表的內電阻應等于零.這樣，在電路中某兩點間接入一個理想電流表,就相

15、當于接入一根導線，電流表將它連接的兩點短路，使這兩點等電勢，也就是說，電流表接入電路后，可能改變原電路的結構，而電流表測量的是通過它這根“導線”的電流。（2）為了測量某段電路兩端的電壓，應將電壓表并聯(lián)在這段電路兩端。由于電壓表本身有電阻，并入電路后減小了被測電路的電阻，造成測量誤差.所以，理想的電壓表的內電阻應該看作無限大。這樣，在電路某兩點之間接入一個理想電壓表后，它只是測量這兩點間的電勢差（電壓），而沒有電流從電壓表中通過，也就是說，理想電壓表接入電路后，不會改變被測電路的結構，我們只需考查它測量的電壓究竟是什么就可以了。6. 非理想電流表和電壓表對原電路工作狀態(tài)的影響非理想電表對電路的影

16、響不能忽略，解題時應把它們看作是能顯示出本身電壓或電流的電阻器。（1）用電壓表測得的電壓實際上是被測電路與電壓表并聯(lián)后兩端的電壓，由于電壓表內阻不可能無限大，因此測得的電壓總比被測電路兩端的實際電壓小，表的內阻越大，表的示數越接近于實際電壓值。（2）用電流表測得的電流，實質上是被測量的支路（或干路）串聯(lián)一個電阻（即電流表內阻）后的電流。因此，電流表內阻越小，表的示數越接近于真實值?！镜湫屠}分析】1. 如圖1所示的電路中，電源的電動勢恒定，要想使燈泡的亮度變暗，可以（ ） 增大R1 減小R1 增大R2 減小R2 A. B. C. D. 解題思路：要使燈泡亮度變暗，則應使加在燈泡兩端的電壓減小。

17、在直流電路中，當電路狀態(tài)達穩(wěn)定時，電容器可視為斷路，因此本題外電路可視為燈R與電阻R2并聯(lián)后再跟電阻R1串聯(lián)的電路。R1R總I總UR，燈變暗；R2R總I總UR，燈變亮；同理分析，可知R2減小時，燈變暗；R1增加時，燈變亮。答案：C2. 一電壓表由“表頭”G 與電阻R串聯(lián)而成，如圖2所示，若在使用中發(fā)現(xiàn)電壓表讀數總比準確值稍小一些，采用下列哪些措施可能加以改進（ ）A. 在R上串聯(lián)一個比R小得多的電阻B. 在R上串聯(lián)一個比R大得多的電阻C. 在R上并聯(lián)一個比R小得多的電阻D. 在R上并聯(lián)一個比R大得多的電阻圖2解題思路：此電壓表在使用中讀數總比準確值稍小一些是因串聯(lián)的分壓電阻稍大一些，使通過電流

18、表的電流強度稍小一些，它的指針偏轉比準確表的指針偏轉稍小一些而引起的，所以在R中不能再串聯(lián)電阻。把兩個電阻并聯(lián)時，R并=中和都小于1，所以R并R1,R并R2，即兩個電阻并聯(lián)后，并聯(lián)電阻一定小于其中任意一個電阻。則R上需并聯(lián)一個電阻，但并聯(lián)電阻比R要稍小一些，不能并聯(lián)比R小得很多的電阻，因為此情況下并聯(lián)電阻比R小得多的電阻還小。故在R上并聯(lián)一個比R大得多的電阻，使并聯(lián)電阻比R稍小一些。答案：D3. 將兩個相同的電流表，分別改裝成一只電流表和一只電壓表，一個同學在做實驗時誤將這兩個表串聯(lián)起來，則（ ）A. 兩表指針都不偏轉 B. 兩表指針偏角相同C. 電流表指針有偏轉，電壓表指針幾乎不偏轉D. 電

19、壓表指針有偏轉，電流表指針幾乎不偏轉解題思路：把完全相同的電流表，分別改制成一只電流表和一只電壓表，串聯(lián)接入電路中時，電流表中均有電流通過，兩表指針都偏轉，只是電壓表中的電流表處在干路中通過的電流大，偏轉角也大。答案：D4. 兩只電壓表V1和V2是由完全相同的兩只電流表改裝而成的，V1的量程是5 V，V2的量程是15 V.為了測量15 V20 V的電壓，我們把V1和V2串聯(lián)起來用，在這種情況下（ ）A. V1和V2的讀數相等 B. V1和V2指針偏轉角度相等C. V1和V2讀數之比等于兩只電壓表的內阻之比D. V1和V2指針偏轉角度之比等于兩只電壓表的內阻之比解題思路：當把V1和V2串聯(lián)使用時

20、，組成電壓表的電流表和分壓電阻都是串聯(lián)關系，通過完全相同的兩只電流表的電流強度也相等，指針偏轉角度相等。兩只電壓表是串聯(lián)使用，根據串聯(lián)電路的電壓分配關系，分配在V1和V2兩端電壓，即V1和V2讀數之比等于兩只電壓表的內阻之比。答案：BC5. 如圖3甲所示的電路，不計電表內阻的影響，改變滑動變阻器的滑片位置，測得電壓表V1和V2隨電流表A的示數變化的兩條實驗圖象，如圖3乙所示.關于這兩條實驗圖象，有： 圖線b的延長線一定過坐標的原點O 圖線a的延長線與縱軸交點的縱坐標值等于電源的電動勢 圖線a、b交點的橫坐標和縱坐標值的乘積等于電源輸出功率 圖線a、b交點的橫坐標和縱坐標值的乘積等于電阻R0消耗

21、的電功率以上敘述正確的是（ ）A. 只有 B. 只有 C. 只有D. 全對解題思路：圖線b表示隨電流的增大電壓增大，描述的必為定值電阻R0。兩端電壓與流過R0的電流的伏安特性曲線，因U2=IR0.故圖線b必過原點。圖線a表示隨電流的增大電壓反而減小，由閉合電路歐姆定律知U1E-Ir，顯然與圖線a相符，圖線與縱軸的交點為電路中的電流為零時，即外電路斷路時電源兩極間的電壓，即電源的電動勢。圖線a、b交點的物理意義是路端電壓U1與R0兩端的電壓此刻相同，必有變阻器R短路，因此電源的輸出功率IU1與電阻R0消耗的電功率IU2相同。答案：D【模擬試題】（答題時間：60分鐘）1. 在閉合電路中，下列敘述正

22、確的是（ ）A. 閉合電路中的電流跟電源電動勢成正比，跟整個電路的電阻成反比B. 當外電路斷開時，路端電壓等于零C. 當外電路短路時，電路中的電流趨近于D. 當外電阻增大時，路端電壓也增大2. 關于電源電動勢的說法，正確的是（ ）A. 在某電池的電路中每通過2C的電荷量，電池提供的電能是4J，那么這個電池的電動勢是0.5VB. 電源的路端電壓增大時，其電源電動勢一定也增大C. 無論內電壓和外電壓如何變化，其電源電動勢一定不變D. 電源的電動勢越大，電源所能提供的電能就越多3. 有一電動勢為3V，內阻不能忽略的電池兩端接一電阻R，1C電荷通過R時，在R上產生的熱量（ ）A. 大于3JB. 小于3

23、J C. 等于3JD. 電源內阻未知，無法確定4. 在燈泡旁并聯(lián)一只大功率的電爐，發(fā)現(xiàn)電燈變暗，這是因為（ ）A. 電爐從電燈上分出了一部分電流 B. 輸電線上電壓增大，電燈上電壓下降C. 電爐的額定電壓大于電燈的額定電壓 D. 原來電燈上的電壓有一部分分給了電爐5. 如圖所示電路中，電源的內電阻不能忽略。已知定值電阻R1=10，R2=8，當開關S接到位置1時，電壓表V的示數為2V；當開關S接到位置2時，電壓表V的示數可能為（ ）A. 2.2VB. 1.9V C. 1.6VD. 1.3V6. 一電源（電動勢為E，內阻為r），當它和一標有“6V 3W”的小燈泡構成閉合回路時，小燈泡恰好正常發(fā)光，

24、如果該電源與一標有“6V 6W”的小燈泡構成一閉合回路，該燈泡（ ）A. 正常發(fā)光B. 比正常發(fā)光暗C. 比正常發(fā)光亮D. 因不知電源內阻的大小，故無法確定7. 如圖所示電路中。A、B兩燈均正常發(fā)光，R為一滑動變阻器，P為滑動片，若將滑動片向下滑動，則（ ）A. A燈變亮B. B燈變亮C. R1上消耗功率變太D. 總電流變小8. 如圖所示，電源電動勢為E，內阻為r，R1是定值電阻，R2是可變電阻，下述結論正確的是（ ）A. R2越大，R2上消耗功率越大B. R2越大，R1上消耗功率越大C. 當R1=R2+r時，R1上消耗的電功率最大D. 當R2=R1+r時，R2上消耗的電功率最大9. 如圖所示

25、電路中，電動勢為E，內阻為r的電源與一滑動變阻器構成閉合電路，當滑動觸片移動時，滑動變阻器兩端電壓和電路中電流的關系圖象如下圖中的（ ）10. 如圖所示的電路中，E、r、R1已知，可變電阻R2的最大值。（1）當R2=_時，R1的電功率P1有最大值，最大值為_；（2）當R2=_時，R2的電功率P2有最大值，最大值為_；（3）當R2=_時，電源功率PE有最大值，最大值為_；(4)當R2=_時，電源內部消耗的功率P有最小值，最小值為_。11. 如圖所示，由電池E、電壓表V、電阻R、電容器C和電鍵S組成的電路中，電池的電動勢為E，內阻為r.當電鍵S接通穩(wěn)定后（ ）A. 電壓表的讀數為EB. 電壓表的讀數為0C. 電容器的電壓為0D. 電容器的電壓為E12. 在圖所示的電路中，A、B、C分別表示理想電流表或電壓表，它們的示數以安或伏為單位