2018_2019学年高中物理第二章恒定电流专题整合.docx

第二章 恒定电流专题整合深化提升考点一含有电容器的直流电路的分析与计算1.电容器在直流电路中的特点：在直流电路中，当电容器充、放电时，电路里有充、放电电流，一旦电路达到稳定状态，电容器在电路中就相当于一个阻值无穷大(在电容器理想、不漏电的情况下)的元件，有电容器的电路可看作是断路，简化电路时可去掉它。简化后若要求电容器所带的电荷量时，可在相应的位置补上。2.静态分析与动态分析：(1)静态分析：稳定状态下，电容器在直流电路中起阻断电流的作用，电容器两极间存在电势差，电容器容纳一定的电荷量，并满足Q=CU。 (2)动态分析：当直流电路中的电流和电势分布发生变化影响到电容器支路两端时，电容器带的电荷量将随之改变(在耐压范围内)，即电容器发生充、放电现象，并满足Q=CU。3.含有电容器电路的解题步骤：在直流电路中，电容器相当于电阻为无穷大的电路元件，此电路是断路。解题步骤如下：(1)先将含电容器的支路去掉(包括与它串联在同一支路上的电阻)，计算各部分的电流、电压值。 (2)电容器两极板的电压等于它所在支路两端点间的电压。 (3)利用Q=CU、Q=CU可以求出电容器所带的电荷量或电荷量的变化量。 (4)通过电容器的电压和平行板间距离可以求出两板间电场强度，再分析电场中带电粒子的运动。【对点训练】如图所示的电路中，电源电动势E=6.0 V，其内阻可忽略不计。电阻的阻值分别为R1=2.4 k、R2=4.8 k，电容器的电容C=4.7 F。闭合开关S，待电流稳定后，用电压表测R1两端电压，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=+由串联电路的规律得：=联立得RV=代入数据得RV=4.8 k(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，则=又E = UC + 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)联立以上各式得Q=C(-U1)代入数据可得Q=2.3510-6 C答案：(1)4.8 k(2)2.3510-6 C【补偿训练】1.在如图所示电路中，开关S1、S2、S3、S4均闭合，C是水平放置的平行板电容器，板间悬浮着一油滴P，断开后P会向下运动的开关是()A.S1B.S2C.S3D.S4【解析】选C。油滴悬浮在极板之间，说明油滴受到的电场力与重力平衡。若要油滴P向下运动，则需要使平行板间的电场减小，也就是降低平行板间的电压。而平行板间的电压就是R3两端的电压，故只有断开S3，使电容器与电源脱离，同时使极板的电荷通过R1、R2与R3放电，这样就达到了降低电压的要求。因此应选C。2.如图所示的电路中，电源的电动势为E，内阻忽略不计。R1、R2、R3、R4均为定值电阻，C是电容器，开关S是断开的。现将开关S闭合，则在闭合S后的较长时间内，通过R4的电荷量是多少？【解析】S断开时，电源与R1、R2串联，R3、R4和电容器串联后与R2并联，由于电容器可看作断路，故R3、R4上电压为零，电容器上电压等于R2两端的电压，且上极板电势高，带正电。Q1=S闭合时，R1、R2串联后与R3并联，R4和电容器串联后并联在R1两端，电容器上的电压等于R1两端的电压，且上极板电势低，带负电。Q2=闭合S后的较长时间内，通过R4的电荷量为Q=Q1+Q2=+=CE。3.如图所示，E=10 V，电源内阻不计，R1=4 ，R2=6 ，C1=C2=30 F。先闭合开关S，待电路稳定后再断开S，求断开S后流过电阻R1的电量。【解析】当S闭合时，R1、R2串联，C2两端电压为零，C1接在R2两端，电压为=6 V所以Q1=3010-66 C=1.810-4 C，Q2=0断开S，C1、C2全部接在电源的两端，所以Q1=3010-610 C=310-4 C，Q2=3010-610 C=310-4 C，所以流过R1的电量为Q=Q1+Q2-Q1=4.210-4 C答案：4.210-4 C考点二电源U-I图线与电阻U-I图线两种图线的比较：图象上的特征物理意义电源U-I图象电阻U-I图象图形图象表述的物理量变化关系电源的路端电压随电路电流的变化关系电阻中的电流随电阻两端电压的变化关系图线与坐标轴交点与纵轴交点表示电源电动势E，与横轴交点表示电源短路电流Er过坐标轴原点，表示没有电压时电流为零图线上每一点坐标的乘积UI表示电源的输出功率表示电阻消耗的功率图线上每一点对应的U、I比值表示外电阻的大小，不同点对应的外电阻大小不同每一点对应的比值均等大，表示此电阻的大小图线的斜率的大小内电阻r电阻大小【对点训练】(多选)如图所示，直线A为电源的U-I图线，直线B和C分别为电阻R1和R2的U-I图线，用该电源分别与R1、R2组成闭合电路时，电源的输出功率分别为P1、P2，电源的效率分别为1、2，则()A.P1P2B.P1=P2C.12D.1R2，所以12，选项C对，D错。【补偿训练】1.如图所示，直线A为电源a的路端电压与电流的关系图象；直线B为电源b的路端电压与电流的关系图象；直线C为一个电阻R的两端电压与电流的关系图象。如果将这个电阻R分别接到a、b两电源上，那么有()A.R接到a电源上，电源的效率较高B.R接到b电源上，电源的输出功率较大C.R接到a电源上，电源的输出功率较大，但电源效率较低D.R接到b电源上，电阻的发热功率和电源的效率都较高【解析】选C。由题图判断电源a的内阻大，在纯电阻电路中电源效率=100%，内阻越大，效率越低；电源的输出功率P=UI对应图线交点坐标的乘积，只有C正确。2.如图甲所示的电路中，R1、R2均为定值电阻，且R1=100 ，R2阻值未知，R3为一滑动变阻器。当其滑片P从左端滑至右端时，测得电源的路端电压随电源中流过的电流变化图象如图乙所示，其中A、B两点是滑片P在滑动变阻器的两个不同端点得到的。求：(1)电源的电动势和内阻。(2)定值电阻R2的阻值。(3)滑动变阻器的最大阻值。【解析】(1)将题图乙中AB线延长，交U轴于20 V处，交I轴于1.0 A处，所以电源的电动势为E=20 V，内阻r=20 。(2)当P滑到R3的右端时，电路参数对应题图乙中的B点，即U2=4 V，I2=0.8 A，得R2=5 。(3)当P滑到R3的左端时，由题图乙知此时U外=16 V，I总=0.2 A，所以R外=80 。因为R外=+R2，所以滑动变阻器的最大阻值为R3=300 。答案：(1)20 V20 (2)5 (3)300 考点三仪器的选择、电表的读数以及实物图的连接1.电学实验器材的选择依据：(1)安全性：各电表的读数不能超过量程，电阻类元件的电流不能超过其最大允许电流等。 (2)精确性：选用电表量程应考虑尽可能减小测量值的相对误差，电压表、电流表在使用时，要尽可能使指针偏转到满刻度的到。 (3)操作性：选用滑动变阻器时，应考虑使供电电压的变化范围既能满足实验要求，还应便于调节，滑动变阻器调节时应用到大部分电阻线，否则不便于操作。(4)灵活性：实验时没有量程合适的电表则可变通。已知内阻的电流表可作电压表使用，已知内阻的电压表可作电流表使用。2.实物图连接的方法：(1)画出实验电路图并分析各元件的连接方式，明确电表量程。 (2)画线连接各元件时，一般先从电源正极开始，到开关，再到滑动变阻器等，按顺序以单线连接方式将主电路中要串联的元件依次串联起来，然后再将要并联的元件并联到电路中。 (3)电压表应并联，电流表应串联，且电流应从电表正极流入、负极流出。 (4)滑动变阻器滑片的初位置应保证电路中用电器安全，即保证加在用电器两端的电压应尽量小。(5)连线过程中不要交叉，而且所有连线必须连接到接线柱上。【对点训练】(2018全国卷)某同学利用如图甲所示的电路测量一微安表(量程为100 A，内阻大约为2 500 )的内阻。可使用的器材有：两个滑动变阻器R1、R2(其中一个阻值为20 ，另一个阻值为2 000 )；电阻箱Rz(最大阻值为99 999.9)；电源E(电动势约为1.5 V)；单刀开关S1和S2。C、D分别为两个滑动变阻器的滑片。世纪金榜导学号05136152(1)按原理图甲将图乙中的实物连线。(2)完成下列填空：R1的阻值为_(选填“20”或“2 000”)。为了保护微安表，开始时将R1的滑片C滑到接近图甲中滑动变阻器的_ (选填“左”或“右”) 端对应的位置；将R2的滑片D置于中间位置附近。将电阻箱Rz的阻值置于2 500.0 ，接通S1。将R1的滑片置于适当位置，再反复调节R2的滑片D的位置，最终使得接通S2前后，微安表的示数保持不变，这说明S2接通前B与D所在位置的电势_(选填“相等”或“不相等”)。将电阻箱Rz和微安表位置对调，其他条件保持不变，发现将Rz的阻值置于2 601.0 时，在接通S2前后，微安表的示数也保持不变。待测微安表的内阻为_(结果保留到个位)。(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议： _。【解析】(1)电路连接如图所示(2)R1主要作用是分压，应选择阻值较小的20 的滑动变阻器。为了保护微安表，开始时将R1的滑片C滑到接近图甲中的滑动变阻器的左端，使测量电路电压接近零。微安表的示数保持不变，这说明S2接通前后在BD中无电流流过，可知B与D所在位置的电势相等。设滑片D两侧电阻分别为R21和R22，因B与D所在位置的电势相等，可知： =；同理当Rz和微安表对调时，仍有： =；联立两式解得： RA=2 550 。(3)为了提高测量精度，调节R1上的分压，尽可能使微安表接近满量程。答案：(1)见解析图(2)20左相等2 550(3)见解析【补偿训练】(2018天津高考)某探究性学习小组利用如图所示的电路测量电池的电动势和内阻。其中电流表A1的内阻r1=1.0 k，电阻R1=9.0 k，为了方便读数和作图，给电池串联一个R0=3.0 的电阻。(1)按图示电路进行连接后，发现aa、bb和cc三条导线中，混进了一条内部断开的导线。为了确定哪一条导线内部是断开的，将开关S闭合，用多用电表的电压挡先测量a、b间电压，读数不为零，再测量a、a间电压，若读数不为零，则一定是_导线断开；若读数为零，则一定是_导线断开。(2)排除故障后，该小组顺利完成实验。通过多次改变滑动变阻器触头位置，得到电流表A1和A2的多组I1、I2数据，作出图象如图所示。由I1-I2图象得到电池的电动势E=_ V，内阻r=_。【解析】(1)用电压挡检测电路故障，电压表的表头是电流计，原电路有断路，回路中无电流，将电压表接在a、b间后有示数，说明电路被接通，即a、b间有断路故障，再测量a、a间电压，电压表读数不为零，说明断路故障的范围被缩小到a、a间，则一定是aa导线断开；若读数为零，则说明电路仍未被接通，断路故障的范围被确定在b、b间，即bb导线断开。(2)将纵轴数值都乘以(R1+r1)，将I1-I2图象转化成U1-I2图象，并延长图线与纵轴相交，则纵轴截距为1.41 V，即电源电动势为1.41 V，斜率k=3.5 =R0+r，可得r=0.5 。答案：(1)aabb(2)1.41(1.361.44均可)0.5(0.40.6均可)【强化训练】1.(多选)一平行板电容器C，极板是水平放置的，它和三个可变电阻及电源连接成如图所示的电路。今有一质量为m的带电油滴悬浮在两极板之间静止不动。要使油滴上升，可采用的办法是()A.增大R1B.增大R2C.增大R3D.减小R2【解析】选C、D。由题图分析可知，电容器两端的电压就是R3两端的电压，要使油滴上升，必须增大电容器两端的电压，即增大R3两端的电压，从电路分析得，增大R3和减小R2的电阻都可以实现。2.(多选)如图所示，电源的电动势E=2 V，内阻r=2 ，两个定值电阻均为8 ，平行板电容器的电容C=310-6 F，则()A.开关断开时两极板间的电压 VB.开关断开时电容器的带电量410-6 CC.开关接通时两极板间的电压 VD.开关接通时电容器的带电量410-6 C【解析】选C、D。电容器两极板间的电压等于R2两端的电压，开关断开时，电路中的总电流I= A=0.2 A，电容器的两极板间的电压U=IR2=0.28 V =1.6 V，此时电容器的带电量Q=CU=310-61.6 C=4.810-6 C，故选项A、B错误；开关接通时两定值电阻并联，电容器两极板间的电压等于路端电压，电路中的总电流I= A= A，电容器的两极板间的电压U=IR外=4 V= V，此时电容器的带电量Q=CU=310-6 C=410-6 C，故选项C、D正确。3.(多选)在如图所示的U-I图象中，直线为某一电源的路端电压与电流的关系图线，直线为某一电阻R的U-I图线。用该电源直接与电阻R相连组成闭合电路，由图象可知()A.电源的电动势为3 V，内阻为2 B.电阻R的阻值为1 C.电源的输出功率为4 WD.电源的效率为50%【解析】选B、C。由图线知，E=3 V，r=0.5 ，A错。由图线知，R=1 ，B对。由图线、可得，P=I2R=4 W，C对。电源的效率=66.7%，D错。【总结提升】伏安特性曲线与路端电压和电流的U-I图线(1)如图所示，图甲为导体的伏安特性曲线。纵坐标和横坐标分别代表了某一电阻两端的电压和流过该电阻的电流，U和I的比值表示该电阻的阻值。图乙是路端电压和回路电流的U-I图线。纵坐标和横坐标分别代表了路端电压和流过电源的电流，图线斜率的绝对值表示电源的内阻r。(2)从图线的意义上来看，图甲表示导体的性质；图乙表示电源的性质。由图甲可以求出电阻的阻值，由图乙可以求出电源的电动势和电源的内阻。 (3)图线甲对应的函数表达式为U=IR；图线乙对应的函数表达式为U=E-Ir。4.(多选)用如图甲所示的电路测定电池的电动势和内阻，根据测得的数据作出了如图乙所示的U-I图象，由图象可知()A.电池电动势为1.40 VB.电池内阻值为3.50 C.外电路短路时的电流为0.40 AD.电压表的示数为1.20 V时，电流表的示数I约为0.20 A【解析】选A、C、D。图线与纵坐标的交点为电池的电动势E=1.40 V；电池内阻r= =1 ；由图象乙知短路电流为0.40 A；根据E=U+Ir，代入数据得I= A=0.20 A。故A、C、D正确，B错误。5.电源的效率定义为外电路电阻消耗的功率与电源的总功率之比。在测电源电动势和内阻的实验中得到的实验图线如图所示，图中U为路端电压，I为干路电流，a、b为图线上的两点，相应状态下电源的效率分别为a、b。由图可知a、b的值分别为()A.、B.、C.、D.、【解析】选D。电源的效率=UE。a点对应的路端电压为4个格，而电动势E为6个格。因此a=，b点对应的路端电压为2个格，因此b=。故D正确。6.(多选)如图所示，R是光敏电阻，当它受到的光照强度增大时(光敏电阻值减小)()A.灯泡L变暗B.光敏电阻R上的电压增大C.电压表 V的读数减小D.电容器C的带电量增大【解析】选C、D。当光照强度增大时，光敏电阻阻值减小，外电路总电阻减小，根据欧姆定律得知，总电流I增大，灯泡变亮，A错误；电源内阻所占电压变大，路端电压U减小，电压表的示数减小，C正确。而灯泡两端电压增大，所以光敏电阻R上的电压减小，B错误。电容器两端电压增大，根据Q=UC可知电容器C的带电量增大，故D正确。7.用实验测一电池的内阻r和一待测电阻的阻值Rx。已知电池的电动势约6 V，电池内阻和待测电阻阻值都为数十欧。可选用的实验器材有：电流表A1(量程030 mA)；电流表A2(量程0100 mA)；电压表 V(量程06 V)；滑动变阻器R1(阻值05 )；滑动变阻器R2(阻值0300 )；开关S一个，导线若干条。某同学的实验过程如下：.设计如图甲所示的电路图，正确连接电路。.将R的阻值调到最大，闭合开关，逐次调小R的阻值，测出多组U和I的值，并记录。以U为纵轴，I为横轴，得到如图乙所示的图线。.断开开关，将Rx改接在B、C之间，A与B直接相连，其他部分保持不变。重复的步骤，得到另一条U-I图线，图线与横轴I的交点坐标为(I0，0)，与纵轴U的交点坐标为(0，U0)。回答下列问题：(1)电流表应选用_，滑动变阻器应选用_。(2)由图乙的图线，得电源内阻r=_。(3)用I0、U0和r表示待测电阻的关系式Rx=_，代入数值可得Rx。(4)若电表为理想电表，Rx接在B、C之间与接在A、B之间，滑动变阻器滑片都从最大阻值位置调到某同一位置，两种情况相比，电流表示数变化范围_，电压表示数变化范围_。(均选填“相同”或“不同”)【解析】(1)因为电源电动势约为6 V，待测电阻和电池内阻都是数十欧，可估算出电路中的电流为数百毫安，因此电流表应选A2；为了电路正常工作以及方便调节，多测量几组数据，滑动变阻器应选R2。(2)根据图甲电路结构可知，电压表测量了电路的路端电压，电流表测量了电路的总电流，因此图乙中，图线斜率绝对值即为电池的内阻，有：r=|k|=|=25 。(3)当改接电路后，将待测电阻与电源视为整体，即为一“等效电源”，此时图线的斜率绝对值为等效电源的内阻，因此有：r=r+Rx=|k|=，解得：Rx=-r。(4)若电表为理想电表，Rx接在B、C之间与接在A、B之间，电路的总电阻可变范围不变，因此电流表的示数变化范围相同，Rx接在B、C之间时，电压表测量的是滑动变阻器两端的电压，而Rx接在A、B之间时，电压表测量的是滑动变阻器与Rx两端电压的和，由于对应某一滑动变阻器阻值时，电路的电流相同，因此电压表的读数不同，所以电压