高中物理 2.3《研究闭合电路》学案 粤教版选修3-1.doc

研究闭合电路 1非纯电阻电路问题例1如图1所示电路，电动机的线圈电阻是1，电动机工作时电压表的示数是12V，电池组的电动势是22V，内电阻是0.5，电阻R上消耗的电功率是18W。求：（1）电阻R的大小；（2）电动机输出的功率。教师：同学们用两分钟的时间思考，然后请两个同学到黑板上来做这道题。学生可能出现的错解是：解1：因为电动机的电压是12V，电动机线圈的电阻是1，所以电路中的电流I=UR线=121=1A，电阻R=PI2=18I2=18。解2：I=ER总=22（1R0.5） （1）电阻R上消耗的电功率是18W，P=18W=I2R（2）（1）、（2）式联立，解出I和R的值。教师：以上两种错解主要表现为不能正确的理解欧姆定律，在含有电动机的非纯电阻电路中，乱套公式，不考虑公式的物理意义。本题是非纯电阻电路，应从能量的分配和转化的角度去思考和解答。在电路中，电源的作用是把其他形式的能量转化为电能，是电路中的总能量。用电器在电路中的作用是把电能转化为其他形式的能，本题中，电阻R是把电能转化为内能，是纯电阻；电动机是把电能转化为机械能。根据能量守恒定律，电源转化来的总电能=电源内部电阻消耗的能量+外电路用电器消耗的能量，即IE=I（U内U外）=I（URrU动），所以，E=UR+rU动，URr=22-12=10（V）又因为URr=I（Rr）=10V=I（R0.5） （1）P=18W=I2R （2）故R=4.5，I=2A。电动机输出的机械能=电路输入电动机的电能IU动-电动机线圈电阻消耗的能量I2R动，故P=IU动-I2R动=20（W）2动态电路问题教师：电路中某个电阻发生变化会对整个电路产生影响，而整体的变化又制约着局部。对变化电路的一般分析步骤是：从局部某一电阻的变化，确定总电阻的变化，进一步利用闭合电路的欧姆定律确定总电流、路端电压的变化，再逐步分析局部电流、电压及电功率的变化。简单地说，就是从局部到整体再到局部。例2：如图2所示电路，已知电源的电动势E和内电阻r恒定，R1、R2是定值电阻，R3是滑动变阻器。当滑动头从a移到b，各个电表的示数如何变化？学生思考后，请一个同学来分析。学生：在滑动头从a移到b的过程中，电阻R3从小变到大，外电路的总电阻变大，根据闭合电路的欧姆定律，总电流I将变小，所以电流表A1的示数变小。又因U=E-Ir，所以路端电压变大，电压表V1的示数变大。又因为UR1=IR1，则UR1减小，U2=U-UR1，所以U2变大，电压表V2变大。I3的变化不会分析。教师：因为R3变大，电压表V2也变大，所以R3支路中的电流I3的变化无法直接用欧姆定律求出。可以用并联电路电流分配的特点求解，I3=I1-I2，I1减小，I2增大，所以I3减小。对变化电路的讨论，一般情况下认为电源的E和r在短时间内是不变的，电路中的I和U是状态量，将随外电阻的变化而变化。交替使用欧姆定律和串、并联的特点及规律来分析电路中的一些量的变化，能够较快地得到变化的规律。例3：如图3所示的电路，已知电源的电动势E和内电阻r恒定，R0是定值电阻，R是滑动变阻器，当滑动头从a移到b的过程中，电流表的示数如何变化？教师：由本题的电路结构可知，当滑动变阻器的滑动头放在a、b两端时，电路中的总电阻最小，R总=R0+r，根据闭合电路的欧姆定律I=E（Rr），可知电流有最大值。当滑动变阻器的滑动头放在中点时，电路中的总电阻最大，R总=R0+r+R4，电流有最小值。所以，当滑动变阻器的滑动头从a端滑到b端时，电流表的示数是先减小后增大。教师：思考1若本题电路中的a、c之间接入一个定值电阻R1，b、c之间接入一个定值电阻R2，则滑动变阻器的滑动头从a移到b的过程中，电流表的示数如何变化？思考2如果电路如图4所示，滑动变阻器的滑动头从a移到b的过程中，电流表的示数如何变化？例4如图所示电路，电源的内阻r=0.4，电阻R1=R2=R3=4，开关S合上时，电流表A的示数为1.5A，电压表V的示数为2V，求开关S断开后电压表V的示数。（电压表和电流表内阻的影响不计）分析：此电路中共有四个电阻，一个电源及电压表和电流表。因为题目中已说到两表的影响不计，所以可当成理想表。电压表处视为断路，电流表处视为短路。要想计算，首先要将电路改画成一般熟悉即所谓的将表从电路中“拆掉”的形式，再看看表放在哪里合适，引导学生改画电路图，并请同学将结果画在黑板上。给出几分钟思考的时间，再请一位同学说一下自己的思路。在学生回答的基础上归纳：要求的是S断开后电压表的示数，即测的是R2两端电压，从题目给的已知量来看要求U2，必须知道E，R4；S闭合时，电压表测的是R2两端电压U2，电流表测的是过电阻R1和R3的电流，根据电阻的串、并联情况可以解出R4及E；利用闭合电路欧姆定律，解出。解答：闭合时：U3I3R314=4（V）U4=U3-U2=4-2=2（V）I4=I1I2=1（A）例2：电源由6个电动势E=1.5V，内电阻r0=0.1的电池串联而成，R1=4.4，R2=6，R2的额定功率为3.84W，变阻器R3开始放在阻值12处，求：（1）通过电阻R2的电流和此时电源的输出功率；（2）若要使R2消耗的实际功率不超过它的额定功率，R3的阻值应取什么范围？分析：此题中电阻的关系很清楚。（请同学做出第一问）解答：（1）E=61.5=9（V） r=60.1=0.6（）P出=IE-I2r=I2R=128.4=8.4（W）提问：第2问不超过额定功率如何理解？归纳：有一个特定的R3阻值，可以使R2此时所消耗的功率正好为额定功率，达到额定功率也就意味着电流、电压也均达到额定值。根据电路的情况可分析出，如果R3超出特定值，那么R2、R3并联部分所占的电压就会提高，会使R2实际功率超过额定值，反之，则符合题意。如何解出该特定值，应从给定的R2的额定功率求出。设R2消耗为额定功率时，R3实用阻值为x故 R3应小于等于120。小结：该题要求同学对额定功率的概念要理解，要会正确使用动态变化中的定性分析。E=U3（I3I4）r=4（11）0.4=4.8（V）S断开时：小结：做这一类型的题目，我们可以按以下的步骤：简化电路，由所求入手（缺什么，找什么），根据规律求解。例5：电源由6个电动势E=1.5V，内电阻r0=0.1的电池串联而成，R1=4.4，R2=6，R2的额定功率为3.84W，变阻器R3开始放在阻值12处，求：（1）通过电阻R2的电流和此时电源的输出功率；（2）若要使R2消耗的实际功率不超过它的额定功率，R3的阻值应取什么范围？分析：此题中电阻的关系很清楚。（请同学做出第一问）解答：（1）E=61.5=9（V） r=60.1=0.6（）P出=IE-I2r=I2R=128.4=8.4（W）提问：第2问不超过额定功率如何理解？归纳：有一个特定的R3阻值，可以使R2此时所消耗的功率正好为额定功率，达到额定功率也就意味着电流、电压也均达到额定值。根据电路的情况可分析出，如果R3超出特定值，那么R2、R3并联部分所占的电压就会提高，会使R2实际功率超过额定值，反之，则符合题意。如何解出该特定值，应从给定的R2的额定功率求出。设R2消耗为额定功率时，R3实用阻值为x例2：电源由6个电动势E=1.5V，内电阻r0=0.1的电池串联而成，R1=4.4，R2=6，R2的额定功率为3.84W，变阻器R3开始放在阻值12处，求：（1）通过电阻R2的电流和此时电源的输出功率；（2）若要使R2消耗的实际功率不超过它的额定功率，R3的阻值应取什么范围？分析：此题中电阻的关系很清楚。（请同学做出第一问）解答：（1）E=61.5=9（V） r=60.1=0.6（）P出=IE-I2r=I2R=128.4=8.4（W）提问：第2问不超过额定功率如何理解？归纳：有一个特定的R3阻值，可以使R2此时所消耗的功率正好为额定功率，达到额定功率也就意味着电流、电压也均达到额定值。根据电路的情况可分析出，如果R3超出特定值，那么R2、R3并联部分所占的电压