高二物理电路工作状态的分析；电池组北师大版知识精讲

用心 爱心 专心 高二物理高二物理电路工作状态的分析 电池组电路工作状态的分析 电池组北师大版北师大版 本讲教育信息本讲教育信息 一 教学内容 电路工作状态的分析 电池组 1 闭合电路中的能量转化 1 电源的总功率 P总 单位时间由电源提供的电能 P总 EI 2 电源的输出功率 P出 电源向外电路输送的功率 P出 UI 3 电源损耗的功率 P内 电源内阻上消耗的热功率 P 内 I2r 4 闭合电路中能的转化与守恒 PPPWWW 总内出总内出 或 5 电源的效率 对纯电阻电路 出 总 P P R Rr 6 电源的输出功率与外电阻的关系 出 PI R E Rr R 22 图像如图所示 显然当时 电源输 出 P E R Rr E R RrRr E Rr R r Rr 2 2 2 2 2 2 4 4 出的功率最大 P E r m 2 4 当电源输出功率为时 外电路电阻为或 则P PPRR m 12 RRr 12 2 2 串联电池组的特点 1 电动势等于各个电池电动势之和 2 内阻等于各个电池的内阻之和 用心 爱心 专心 3 电容器在电路中的作用 在稳恒电流的电路中 当电路稳定时电容器的作用相当于断路 此时电容器的两极板 电势差与它所跨接处的电势差相等 因此在分析电路结构时 可认为不存在电容器 当电 路的结构发生变化 电容器两端的电势差也随之变化时 电容器要充电或者放电 此时电 容器所在的支路有变化的电流流过 直到电路重新稳定 电容器两端的电势差再次与对应 跨接点的电势差相等为止 这一过程中 通过电容器所在支路的电量 数值上等于电容器 极板上电荷的变化量 典型例题典型例题 例 1 如图所示的电路中 电源电动势 E 6 0V 内电阻 r 1 0 电阻 R 0 50 R0 的最大值为 4 5 求 1 当变阻器的阻值 R0 4 5 时 电源释放的电功率和输出的电功率 2 变阻器的阻值 R0多大时 电源的输出功率是 8W 3 变阻器的阻值 R0多大时 电源的输出功率最大 最大的输出功率是多少 4 可变电阻 R0上消耗热功率最大的条件和最大热功率 5 电池的内电阻 r 和固定电阻 R 上消耗的最小热功率之和 分析 分析 这是一道考查闭合电路欧姆定律及电功率计算 运用数学求功率极值问题 对 于 4 5 两问 首先应写出其功率表达式 然后再用数学方法求极值 解 解 1 当 R 4 5 时 回路电流 I E RRr A 1 0 1 电源释放的电功率PI EW 11 6 电源输出功率PIRRW 21 2 0 5 2 2 0 0 2 0 电源输出功率 PIRR E RRr RR 将数据代入得 8 6 051 05 0 2 0 R R 解得 R015 或 R00 注 注 也可先求出电流再求 R0更方便 电源输出功率 用心 爱心 专心 PIEI rII 22 861即 解得或IAIA 24 又解得 当时 I E RRr IAR 0 0 215 或当时 IAR 40 0 305 00 当 即时 电源输出功率最大RRrRrR P E r W 2 4 9 4 可变电阻 R0消耗热功率 PI R E R RrR E RrR R R0 2 0 2 0 0 2 2 0 2 0 E Rr R RrR 2 2 0 0 2 Rr R R Rr R RRr 2 0 0 2 0 0 22 当时 即时 Rr R RRrR 2 0 00 P E RrRr E Rr R0 22 224 max 时 RPW R0 156 0 max 注 这一过程也可把 R r 等效为电路内阻 r 将 R0看做外电阻 利用当内 外电 阻相等时 即时 电源输出功率最大 来分RrRrP E r E Rr 0 22 44 max 析 5 2 2 0 2 PIRr ERr RRr r R 当时 有最小值RPr R 0 45 用心 爱心 专心 PW r R 9 例 2 如图所示 直线 OAC 为某一直流电源的总功率 P总随电流 I 变化的图线 抛物线 OBC 为同一直流电源内部热功率 Pr 随电流 I 变化的图线 若 A B 对应的横坐标为 2A 那么线段 AB 表示的功率及 I 2A 对应的外电阻是 A 2W 2 B 4W 2 C 2W 1 D 6W 2 分析 分析 这是电学的一道图象题 注意图象和函数表达式应该是一致的 对电源总 功率 P总 E I 故斜率为电动势 E 对电源内部热功率 P内 I2r 函数图象为抛物线 解 解 由 C 点代入可得到 P总 E I E 3V IAPWPI rr 391 2 内 对一个电源而言 I R外可以变化 E r 是不变的 故时 IAPEIWPI rW AB 264 2 PPPW ABAB 2 I E Rr A R R 外外 外 2 6 1 2 本题选 A 例 3 如图所示电路中 电池的电动势是 30V 内阻是 1 灯泡 L 的额定值是 6V 12W 电动机线圈的电阻 RM 2 灯泡恰能正常发光 求电动机的输出功率 分析 分析 这是一个非纯电阻电路的问题 要弄清电路中能量转化关系 用心 爱心 专心 电源的总功率 电源内耗功率 电源输出功率 灯泡的热耗功率 电动机的电功率 电动机热耗功率 电动机输出功率 解 解 PPPP 源内灯电机 灯机输出 IEI rPI RP M 22 II P U A L 额 额 2 PIEPIRrW M机输出灯 2 36 例 4 如图所示 E 10V R 4 R2 6 C 30 F 电源内阻可忽略 求 1 闭合开关 S 稳定后通过 R1的电流 2 将开关 S 断开 求这以后过 R1的总电量 分析 分析 当 S 闭合达到稳定后 电容器隔直相当于断路 即电路结构为 R1和 R2串联 同时在这种状态下电容器两端的电压即为电阻 R2两端的电路 当 S 断开后 待电路再次达 到稳定时 R1上没有电流通过 此时相当于电容器 C 直接与电池两端相连 由于电容器在先后两次达到稳定状态时所带电荷量不同 但极板带电极性不变 因此 要通过 R1进行充电 而新补充的电荷量将是 这以后流过 R1的总电荷量 解 解 110 12 I E RR A 2 S 闭合 电容器上电压为 IR2 储存的电量 q1 CIR2 断开 S 待稳定后 电容 器上的电压为 E 储存的电量 q2 CE 故流过 R1的总电量 q C E IR2 1 2 10 4C 小结 小结 在解本题时有的学生认为 将开关 S 断开 电路稳定后 电阻 R1 R2中均无电 流 都可认为是断路 错误地把电容器两端电压当作零 由此得出 q 0 CIR2 1 8 10 4C 的错误结果 造成错误的主要原因是 对电容器充放电过程 缺乏清晰的认识 因为断开 S 前 电容器处于充电状态 电容器两端电压为 IR2 6V 断 开 S 瞬间 R2已断路 不存在放电回路 由于电源电压高于电容器原来的电压 电源继续 对电容器充电 充电过程瞬间完成 故电路稳定后 不论视 R1为短路或视其为断路 电 容器 C 的电压只能为 E 而不为零 模拟试题模拟试题 1 下列说法中正确的是 用心 爱心 专心 A 闭合电路中 外电阻越大 电源的输出功率越大 B 闭合电路中 电流越大 电源的输出功率越大 C 闭合电路中 电源的输出功率越大 电源效率越高 D 闭合电路中 外电阻越大 电源的效率越高 2 电动势为 6V 的电池在电路上输出的电流为 1A 可以断定 A 外电阻是 6 B 内 外电阻之和是 6 C 电源提供的功率是 6W D 电源输出的功率为 6W 3 如图 1 所示 电源电动势为 30V 内阻为 1 一只 6V 12W 的白炽灯与一个绕 线电阻为 2 的电动机串联 已知电路中电灯正常发光 则电动机输出功率为 图 1 A 36WB 44WC 48WD 60W 4 一平行板电容器的极板水平放置 它和三个可变电阻及电源连成如图 2 所示电路 质 量为 m 的带电液滴悬浮在两板间静止 要使液滴上升 可行的是 图 2 A 仅增大 R1B 仅增大 R2 C 仅减小 R2D 仅增大 R3 5 随身听对耳机来说可以看成是一个有一定内阻的电源 而耳机则是该电源的负载电阻 其阻值大约在 8 32 之间 随品牌和型号不同而不同 为了达到输出最大功率 则各品牌 产品的随身听与耳机是搭配好的 若换了另一副耳机发现声音变轻 其原因可能是 A 换上的耳机其电阻偏小 B 换上的耳机其电阻偏大 C 换上的耳机的电阻与原配耳机一样 但有可能转为声能的效率较低 D 以上答案都正确 6 如图 3 所示的电路中 电源的电动势恒定 要想使灯泡变暗 可以 图 3 A 增大 R1B 减小 R1C 增大 R2D 减小 R2 用心 爱心 专心 7 如图 4 所示电路 电容器 C 的上极板带正电 为了使该极板仍带正电且电量增多 下 列办法中可采用的是 图 4 A 增大 R1 其它不变 B 增大 R2 其它不变 C 增大 R3 其它不变 D 增大 R4 其它不变 8 如图 5 所示的电路中 电源的电动势为 E 内阻不计 电容器电容为 C 电阻 开关 S 断开 今将 S 闭合 由 S 闭合到电路稳定的RRRR 1234 3211 过程中通过 R3的电量是 图 5 A EC 5B 2EC 5C 3EC 5D EC 9 如图 6 所示电路中 电阻 C 为电容 当四个电阻RRRR 1423 24 中有一个发生断路时 发现 P 点有自上而下的电流通过 则这只断路的电阻可能是 图 6 A RB RC RD R 1234 10 直流电源的电动势为 E 内电阻为 r 用它给直流电动机供电使之工作 电动机的线 圈电阻是 R 电动机两端的电压为 U 通过电动机的电流强度为 I 导线电阻不计 若经过 时间 t 则 A 电流在整个电路中做的功等于IRr t 2 用心 爱心 专心 B 电流在整个电路中做的功等于 UIr It C 电动机输出的机械能等于 EIr It D 电动机输出的机械能等于 EI Rr It 11 如图 7 所示 用两节干电池点亮几个小灯泡 当逐一闭合开关 接入灯泡增多时 以下说法正确的是 图 7 A 灯少时各灯较亮 灯多时各灯较暗 B 各灯两端电压灯多时较低 C 通过电池的电流灯多时较大 D 电池输出功率灯多时较大 12 如图 8 所示 直线 A 为电源的路端电压 U 与电流 I 关系的图像 直线 B 是电阻 R 的 两端电压 U 与电流 I 的关系图像 用该电源与电阻 R 组成闭合电路 电阻 R 电源内阻 r 电源的输出功率为 图 8 13 将电动势为 30V 内阻为 1 的电源与一盏额定电压为 6V 额定功率为 12W 的小 灯泡及一台线圈电阻为 2 的电动机串联成闭合电路 小灯泡刚好正常发光 则工作时 1 通过电动机的电流强度为多少 2 电动机消耗的总功率及输出功率为多少 14 利用电动机通过如图 9 所示的电路提升重物 已知电源电动势 E 6V 电源内阻 r 1 电阻 R 3 重物质量 m 0 10kg 当将重物固定时 电压表的示数为 5V 当重物 不固定 且电动机最后以稳定的速度匀速提升重物时 电压表的示数为 5 5V 求重物匀速 上升时的速度大小 不计摩擦 g 取 10m s2 图 9 用心 爱心 专心 15 如图 10 所示 电源电动势 E 10V 内阻 r 2 电阻 R1 28 R2 30 R3 60 电容 C 求 410 8 F 图 10 1 开关 S 断开和闭合时电容器所带电量之比 2 开关 S 闭合后通过 R3的电量 16 在如图 11 所示的电路中 可变电阻 R2的阻值调至 2 处 电阻 R1 6 电源的内 阻 r 1 当开关 S 闭合时 电源消耗的总功率 P0 16W 电源输出的功率 P1 12W 这时 灯 L 正常发光 则灯 L 的额定功率 P2 W 当开关 S 断开时 为使灯仍能正常发 光 R2的阻值应调至 设 S 断开时 灯 L 不会损坏 图 11 17 如图 12 所示 两个电池的电动势均为 E 内阻为 r 平行板电容器为 C 两板水平 放置 电阻 r 电容器两板间有一个液滴质量为 m 电量为 q 开关 S 闭合时 RR 12 1 2 液滴恰处于静止 求 图 12 1 S 闭合后电容器极板上所带电量 哪极板带正电荷 2 S 断开 电路达稳定后带电液滴的加速度多大 18 如图 13 所示的电路 电源电动势 E 6V 内阻RR 14 2 RR 23 4 不计 电容器的电容 现电路处于稳定状态 求 R2突然断路 到电路重新达到CF 2 稳定状态的过程中通过 R1的电荷量 若同时断路到电路重新达到稳定状态的过程RR 14 和 中 求通过 R3的电荷量 用心 爱心 专心 图 13 试题答案试题答案 1 D2 BC3 A4 CD 5 D6 AD7 BC 8 D 提示 k 断开时 C 与 R2并联 上正下负 k 闭合 C 与并联 UE 2 5 R1U 3 5 上负下正 UEQC UCE 9 BC 提示 在电阻未断开时 产生的电势降落分别是上的两倍 电容器RR 32 RR 14 两端的电压可视为两端的电压 且上极板的电势高于下极板的电势 当某一电阻RR 14 或 断路时 P 点有自上而下的电流通过 即电容器在继续充电 则两端电压必增大 只有电 阻断路时才有可能 RR 23 或 10 BD 11 ABC 当逐一闭合开关 接入灯泡增多时 外电阻减小 总电阻减小 由知 总I E Rr 总 电流 I 增大 故 C 项正确 由知 灯多时灯两端的电压变小 各灯较暗 故选UEIr A B 都正确 对 D 选项 电源的输出功率的大小关键要看电阻和内电阻的大小 当它们 相等时 电源的输出功率最大 所以灯多时电源的输出功率较灯少时可能大也可能小 因 此 D 选项不对 12 3V 4W05 13 1 2A 2 44W 36W 提示 1 灯泡正常发光时 额定电流为 I P U A 2 即此时通过电动机的电流为 2A 2 由全