恒定电流---电功.doc

专题七 恒定电流（电功）恒定电流主要考查以电路为核心的三部分内容:一是以部分电路的欧姆定律为中心,考查直流电路的基本概念、伏安法测电阻、电功和电热等问题;二是以闭合电路的欧姆定律为中心,考查电源的作用、闭合电路的功率分配和能量转化的关系、电路的路端电压与电源电动势和内阴天的关系;三是以电路中的电工仪表的使用为中心,考查电学实验中仪器的选取、电表的读数、实物连接、数据处理和误差分析等问题.尤其是电学知识联系实际的问题和探究实验问题是近几年高考考查的热点. 欧姆定律、焦耳定律往往与电磁感应现象相交叉渗透；电功率、焦耳热计算往往与现实生活联系较密切，是应用型、能力型题目的重要内容之一，也是高考命题热点内容之一。【知识整合】一、直流电路1电功和电热电功WqUUIt；电热QI2Rt.(1)对纯电阻电路，电功等于电热，即电流流经纯电阻电路，消耗的电能全部转化为内能，所以WQUItI 2Rtt.(2)对非纯电阻电路(如电动机和电解槽)，电能一部分转化为内能，另一部分转化为其他形式的能(如机械能或化学能等)，所以电功必然大于电热，即WQ，这时电功只能用WUIt计算，电热只能用QI 2Rt计算，两式不能通用2闭合电路欧姆定律表达形式：EU外U内；I (I、R间关系)；UEIr(U、I间关系)；UE(U、R间关系)注意：当外电路断开时(I0)，路端电压U等于电动势E.若用理想电压表测量，则读数等于电动势，在进行断路故障分析时，常用此结论进行判断，即何处断路，何处两端电压等于电动势但用电压表直接测量时，读数却略小于电动势(因为有微弱电流流过电源而产生内压降)当外电路短路时(R0，因而U外0)，电流最大，为Im(不允许出现这种情况，因为这会把电源烧坏)3电源的功率与效率(1)电源的功率P：也称电源的总功率，是电源将其他形式的能转化为电能的功率，计算式为：PIE(普遍适用)；PI2(Rr)(只适用于外电路为纯电阻的电路)(2)电源内阻消耗功率P内：是电源内阻的热功率，也称电源的损耗功率，计算式为：P内I2r.(3)电源的输出功率P外：是外电路上消耗的功率，计算式为：P外IU外(普遍适用)；P外I2R(只适用于外电路为纯电阻的电路)(4)电源的效率：.(5)电源的输出功率(P外)与外电阻R的关系：P外.P外与R的关系图象如图4111所示由图可以看出：图4111当Rr时，电源的输出功率最大，Pm，此时电源效率50%.当Rr时，随着R的增大输出功率越来越小当Rr时，随着R的增大输出功率越来越大当R由小于r增大到大于r时，随着R的增大输出功率先增大后减小(非单调变化)4含容电路的分析技巧电容器两极板间的电压等于与电容器并联的电阻两端的电压，与电容器串联的电阻两端的电压一定为零(有阻无流，则无电压)【考点突破】考点1 、欧姆定律 电阻定律【例1】AB两地间铺有通讯电缆，长为L，它是由两条并在一起彼此绝缘的均匀导线组成的，通常称为双线电缆，在一次事故中经检查断定是电缆上某处的绝缘保护层损坏，导致两导线之间漏电，相当于该处电缆的两导线之间接了一个电阻，检查人员经过下面的测量可以确定损坏处的位置：令B端的双线断开，在A处测出双线两端间的电阻RA；令 A端的双线断开，在B处测出双线两端的电阻RB；在 A端的双线间加一已知电压UA，在B端用内阻很大的电压表测出两线间的电压UB.试由以上测量结果确定损坏处的位置，图A-10-43-3考点2 、 电功 电功率 电热【例2】不考虑温度对电阻的影响，对一个220 v，40 w”的灯泡，下列说法正确的是A接在110 V的电路上时的功率为20 wB接在110 V的电路上时的功率为10 wC接在440 v的电路上时的功率为160 wD. 接在220 v的电路上时的功率为40 w【解析】 解法l：由得灯泡的电阻电压为ll0 V时，.电压为440 V时，超过灯泡的额定电压一倍，故灯泡烧坏，P= 0解法2：由可知R一定时，当时，考点3 、 闭合电路欧姆定律【例3】 在如图A-10-45-4所示电路中，电池电动势 E=5 V，内阻r=10 ，固定电阻R=90 ，R0是可变电阳在R0由零增加到400的过程中求：图A-10-45-4可变电阻R0上消耗热功率最大的条件和最大热功率电池的内电阻r和固定电阻R上消耗的最小热功率之和【难点探究】难点一直流电路动态分析1引起电路特征发生变化的主要原因有：滑动变阻器滑片滑动，使电路的电阻发生变化；开关的闭合、断开或换向(双掷开关)使电路结构发生变化；电路发生短路和断路(电路故障)2电路动态变化问题的分析思路-并同串反当电路中某处的电阻发生变化时，先由局部电阻的变化推出外电路电阻R外的变化，再由闭合电路的欧姆定律I总和U端EI总r讨论干路电流I总的变化和路端电压U端的变化，最后分析对其他部分电路产生的影响，从而分别确定各元件上其他量的变化情况(使用的公式是部分电路欧姆定律、电路中各元件上的电压关系和电流关系等)注意：电路的总电阻总是随其中任一电阻的增大而增大，随任一电阻的减小而减小；电阻并联的数目越多，总阻值越小；从电路分析角度看，断路可认为是电路中某处电阻增大到无穷大，短路可认为是电路某处电阻减小到零，因此电路故障问题可以视为特殊的动态分析问题；对电路进行简化时，电压表和电容器视为断路，电流表视为短路；电容器是一个储存电能的元件，在直流电路中，当电容器充、放电时，其所在电路中有充、放电电流，电路达到稳定状态时，电容器就相当于一个阻值无穷大的电阻，则电容器所在电路处可视为断路分析计算含有电容器的直流电路时应注意：电路稳定后，由于电容器所在支路无电流通过，在此支路的电阻没有电压降，因此电容器两极间的电压就等于该支路两端的电压电路中的电流、电压变化时，将会引起电容器充(放)电例1、如图4112所示电路，电源内阻不可忽略开关S闭合后，在变阻器R0的滑动端向下滑动的过程中()A电压表与电流表的示数都减小B电压表与电流表的示数都增大C电压表的示数增大，电流表的示数减小D电压表的示数减小，电流表的示数增大【答案】A【解析】变阻器R0的滑动端向下滑动时，接入电路中的电阻变小，电路中总电阻变小，由I可得，电路中总电流变大，内阻上分到的电压变大，路瑞电压变小，电压表的示数变小总电流变大，电阻R1分到的电压变大，由于U端UR1UR2，路端电压变小，R1分到的电压变大，所以R2分到的电压变小，电流表的示数变小综上所述，A项正确，B、C、D项错误【点评】本题的分析思路是：变阻器接入电路的电阻变小，导致电路总电阻变小，再由闭合电路欧姆定律确定干路电流变大，最后再根据各部分的串并联情况，利用串并联电路特点和部分电路欧姆定律分别确定各量的变化情况本题是滑动变阻器滑片移动引起的电路动态变化，下面的变式题则是因开关断开引起的电路变化 【变式探究】如图4113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，V与A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() AV的读数变大，A的读数变小 BV的读数变大，A的读数变大 CV的读数变小，A的读数变小 DV的读数变小，A的读数变大 【答案】B【解析】 当 S断开时，电路的总电阻R总变大，总电流I变小，内电压U内Ir变小，路端电压UEIr变大，电压表测量路端电压，读数变大；R1两端电压U1IR1变小，R3两端电压U3UU1变大，通过R3的电流I3变大，电流表读数变大，B选项正确难点二 与电功、电功率、电热相关问题的综合分析明晰电功、电功率、电热的概念与相互关系电功W 电热Q 电功率P 物理意义 电流通过电路做的功，即使电荷定向移动时电场力做的功 电流通过导体所做的功，电阻上所产生的热量 表征电流做功快慢的物理量，用电流所做的功与所用时间的比值来表示 能量转化消耗的电能转化为其他形式的能量(内能、机械能、化学能等) 消耗的电能转化为内能 说明：纯电阻电路中，电功率等于热功率；非纯电阻电路中，电功率只有一部分转化成热功率纯电阻电路中只有电阻元件，如电熨斗、电炉、白炽灯等；非纯电阻电路中常含有电动机、电解槽等例2、如图所示，已知电源电动势E20 V，内阻r1 ，当接入固定电阻R4 时，电路中标有“3 V,6 W”的灯泡L和内阻RD0.5 的小型直流电动机D都恰能正常工作试求： (1)电路中的电流大小；(2)电动机的额定电压；(3)电动机的输出功率解析：(1)灯泡L正常发光,所以电路中的电流为I=2 A.(2)根据闭合电路欧姆定律可求得,电动机的额定电压为UD=E-I(r+R)-UL=20-2(1+4)-3 V=7 V.(3)电动机的总功率为P总=UDI=72 W=14 W. 电动机的热功率为P热=I2RD=220.5 W=2 W. 所以电动机的输出功率为P出=P总-P热=(14-2) W=12 W.点评：处理该类题目首先应当注意接入电动机的电路是非纯电阻电路.电动机的输入功率(即消耗的总功率UI)=转化为机械能的功率+转化为内能的功率.其中电动机的输出功率就是转化为机械能的功率,电解槽的输出功率就是转化为化学能的功率.【变式训练】 有一个直流电动机,把它接入0.2 V电压的电路时,电动机不转,测得流过电动机的电流是0.4 A;若把电动机接入2.0 V电压的电路中,电动机正常工作,工作电流是1.0 A.求电动机正常工作时的输出功率多大?如果在电动机正常工作时,转子突然被卡住,电动机的发热功率是多大? 难点三 含容电路问题的综合分析电容器是一个储存电能的元件.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限大的元件,电容器所处电路看做是断路,简化电路时可去掉它.简化后若要求电容器所带电荷量时,可在相应的位置补上.在具体方法上要注意以下几点:(1)根据Q=CUQ=CU可知,要求电容器所带电荷量以及充放电时所带电荷量的变化,关键是求电容器两端的电压.(2)在电路分析时要注意电容器所在支路的连接情况.电路稳定后,由于电容器所在支路无电流通过,所以此支路中的电阻上无电压降,可以把与电容器串联的电阻看成导线,电容器两极板间的电压就等于该支路两端的电压. (3)对于较复杂的电路,经常需要将电容器两端的电势与基准点的电势进行比较后才能确定电容器两端的电压. 例3、如图所示的电路中,已知R1=30 ,R2=15 ,R3=20 ,C=2 F,AB间电压U=6 V,且A端为正.为使电容器所带电荷量达到Q=210-6 C且电容器上极板带负电,应将电阻箱R4的阻值调节到多大?若电容器上极板带正电,R4的阻值又应调节到多大?难点四 U-I图像的意义复习时注意电源的伏安特性曲线反映的是电源自身的性质,具有丰富的内涵(如图所示):1.图线与纵轴的截距表示电源的电动势;2.与横轴的截距表示短路电流;3.斜率的绝对值表示电源内阻;4.图线上任意一点所对应的电压和电流的比值(或者说任意一点与坐标原点O连线的斜率)表示接在外电路的电阻;5.阴影部分面积表示电流为I时,外电路电阻两端的输出功率,四边形AEOI的面积表示电源的总功率。导体的伏安特性曲线反映导体的性质.如果是遵循欧姆定律的线性元件,这是一条直线,电阻恒定不变(如图中直线b所示);如果是不遵循欧姆定律的非线性元件,如气体半导体等,就是一条曲线.电阻不断变化,其曲线上每一点对应的电压与电流的比值就是此时导体的电阻(或说成此点与坐标原点连线的斜率表示此时导体的电阻).例4、为探究小灯泡L的伏安特性,连好图示的电路后闭合开关,通过移动变阻器的滑片,使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大,直到小灯泡正常发光,由电流表和电压表得到的多组读数描绘出的U-I图像应是( )【解析】由于小灯泡灯丝电阻随温度的升高而增大,随着灯泡两端电压逐渐增大,灯丝温度逐渐升高,其电阻逐渐增大,在图像上某点到原点连线的斜率应越来越大,C正确.【答案】C 【2012高考】（2012上海）13当电阻两端加上某一稳定电压时，通过该电阻的电荷量为0.3C，消耗的电能为0.9J。为在相同时间内使0.6C的电荷量通过该电阻，在其两端需加的电压和消耗的电能分别是 （ ）（A）3V，1.8J （B）3V，3.6J （C）6V，l.8J （D）6V，3.6J【答案】D【解析】根据E=Uq，可知通过该电阻的电荷量为0.3C，消耗的电能为0.9J时电阻两端所加电压U=3V，在相同时间内通过0.6C的电荷量，则电流强度为原来的2倍，而根据I=U/R，电压也为原来的2倍，即为6V，这样消耗的电能E=Uq=3.6J【考点定位】电场、恒定电流和电路（2012上海）17直流电路如图所示，在滑动变阻器的滑片P向右移动时，电源的（ ）（A）总功率一定减小 （B）效率一定增大（C）内部损耗功率一定减小（D）输出功率一定先增大后减小【考点定位】恒定电流和电路9. （2012海南）将平行板电容器两极板之间的距离、电压、电场强度大小和极板所带的电荷量分别用d、U、E和Q表示。下列说法正确的是A保持U不变，将d变为原来的两倍，则E变为原来的一半B保持E不变，将d变为原来的一半，则U变为原来的两倍C保持d不变，将Q变为原来的两倍，则U变为原来的一半D保持d不变，将Q变为原来的一半，则E变为原来的一半【答案】AD【解析】保持U不变，由U=Ed可知，将d变为原来的两倍，则E变为原来的一半，选项A正确；保持E不变，由U=Ed可知，将d变为原来的一半，则U变为原来的一半，选项B错误；保持d不变，电容器的电容量C不变。将Q变为原来的两倍，由C=Q/U可知，则U变为原来的两倍，选项C错误；保持d不变，电容器的电容量C不变。将Q变为原来的一半，由C=Q/U可知，则E变为原来的一半【考点定位】此题考查平行板电容器及其相关知识。（2012浙江）17、功率为10W的发光二极管（LED灯）的亮度与功率60W的白炽灯相当。根据国家节能战略，2016年前普通白炽灯应被淘汰。假设每户家庭有二只60W的白炽灯，均用10w的LED灯替代，估算出全国一年节省的电能最接近A.8108kWh B. 81010kWh C. 81011kWh D. 81013kWh【答案】B【解析】每户家庭功率节省100W，中国人口约为13亿，大概4亿户家庭，每天开灯5小时，则一年全国节省的电能为，所以B正确。【考点定位】功能、估算【2010高考】1. 2010新课标19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电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、.由图可知、的值分别为A、 B、 C、 D、答案：D解析：电源效率，E为电源的总电压（即电动势），根据图象可知Ua=, Ub=，所以选项D正确。二、非选择题13（09年北京卷23）单位时间内流过管道横截面的液体体积叫做液体的体积流量（以下简称流量）。由一种利用电磁原理测量非磁性导电液体（如自来水、啤酒等）流量的装置，称为电磁流量计。它主要由将流量转换为电压信号的传感器和显示仪表两部分组成。传感器的结构如图所示，圆筒形测量管内壁绝缘，其上装有一对电极和c,a,c间的距离等于测量管内径D，测量管的轴线与a、c的连接放像以及通过电线圈产生的磁场方向三者相互垂直。当导电液体流过测量管时，在电极a、c的间出现感应电动势E，并通过与电极连接的仪表显示出液体流量Q。设磁场均匀恒定，磁感应强度为B。（1）已知，设液体在测量管内各处流速相同，试求E的大小（去3.0）（2）一新建供水站安装了电磁流量计，在向外供水时流量本应显示为正值。但实际显示却为负值。经检查，原因是误将测量管接反了，既液体由测量管出水口流入，从如水口流出。因为已加压充满管道。不便再将测量管拆下重装，请你提出使显示仪表的流量指示变为正直的简便方法；（3）显示仪表相当