高中物理人教版 (2019)必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律综合与测试导学案

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律综合与测试导学案，共6页。

主题1 直流电路的电路故障分析与判断
1．电路常见故障
(1)断路；(2)短路。
2．电路故障特点
(1)断路特点：某电路中发生断路时，其电流为零；如果断路出现在干路中，则发生断路的地方其两端电压等于电源电压。
(2)短路特点：电路中的某部分发生短路时，表现为有电流通过电路而该部分电路两端电压为零。
3．电路故障部位的检测和判断
(1)断路故障的检测和判断(假设只有一个断点)：用电压表与电源并联检测电路中是否有电压，若有电压时，再逐段与电路并联，若电压表指针偏转，则该段电路中有断点。
(2)短路故障的检测和判断：用电压表与电源并联，再逐段与电路并联，若电压表示数为零，则该段电路被短路；若电压表示数不为零，则该段电路没被短路。
【典例1】 如图所示，电灯L的规格为“4 V 1 W”，滑动变阻器R的总电阻为50 Ω。当滑片P滑至某位置时，L恰好正常发光，此时电流表示数为0.45 A。由于外电路发生故障，电灯L突然熄灭，此时电流表示数变为0.5 A，电压表示数为10 V。若导线连接完好，电路中各处接触良好。试问：
(1)发生的故障是短路还是断路？发生在何处？
(2)发生故障前，滑动变阻器接入电路的阻值为多大？
(3)电源的电动势和内电阻为多大？
[思路点拨] 如果某用电器被短路，则它两端的电压为零；如果电路中某处断路(且只有一处)，则断路处电压不为零，这是解决电路故障问题的主要依据。
[解析] (1)电路发生故障后，电流表读数增大，路端电压U端＝U2＝I2R2也增大，因此外电路总电压增大，在外电路某处一定发生了断路。由于电流表有读数，R2不可能断路，电压表也有读数，滑动变阻器R也不可能断路，因此，只可能是电灯L发生断路。
(2)L断路后，外电路只有R2，因无电流流过R，所以电压表示数即路端电压，有U2＝U端＝10 V，R2＝eq \f(U2,I2)＝eq \f(10,0.5) Ω＝20 Ω。L未断路时恰好正常发光，由题意知UL＝4 V，IL＝eq \f(P,U)＝0.25 A，路端电压U′端＝U′2＝I′2R2＝0.45×20 V＝9 V，则此时滑动变阻器接入电路的阻值R＝eq \f(UR,IR)＝eq \f(U′端－UL,IL)＝eq \f(9－4,0.25) Ω＝20 Ω。
(3)根据闭合电路欧姆定律E＝U＋Ir可知，故障前E＝9 V＋(0.45 A＋0.25 A)r，故障后E＝10 V＋0.5 A×r，联立解得电源内电阻r＝5 Ω，电源电动势E＝12.5 V。
[答案] (1)断路 电灯L处 (2)20 Ω (3)12.5 V 5 Ω
主题2 闭合电路中的图像问题分析与应用
闭合电路中各物理量间的变化关系大都可以用有关图像表示。只要明确各种图像中点、线、面积、斜率及截距等各物理量的含义并正确使用图像，闭合电路问题的求解就会既快捷正确又方便灵活。闭合电路中常见的图像如下。
【典例2】 在利用电流表和电阻箱测定电源电动势和内阻的实验中，电流表的内阻很小，可视为理想电表，电路如图甲所示，连接好电路并进行如下操作：闭合开关S，调节电阻箱的阻值，并记录下每次电阻箱的阻值R及对应的电流表A的示数I。
甲 乙
(1)实验中，若某同学通过测量获得两组数据：当电流表读数为I1时，电阻箱读数为R1；当电流表读数为I2时，电阻箱读数为R2。利用所测得的I1、I2、R1、R2可求出E＝________，r＝________。
(2)若另一同学测得10组I、R的数据，并作出了如图乙中a所示的图像。则根据图像可求出电源电动势E＝________V，内电阻r＝________Ω。
(3)已知某电阻元件R′的eq \f(1,I)­R图像如图乙中b所示，若用该实验的电源给此元件供电，此元件的热功率为________W。
[解析] 本题考查了安阻法测电源电动势和内阻的原理，识别图像是解题关键。
(1)由闭合电路欧姆定律，得E＝I1(R1＋r)，E＝I2(R2＋r)。
由以上两式得E＝eq \f(I1I2R1－R2,I2－I1)，r＝eq \f(I1R1－I2R2,I2－I1)。
(2)由闭合电路欧姆定律，有E＝IR＋Ir，则eq \f(1,I)＝eq \f(1,E)R＋eq \f(1,E)r。
由此可知eq \f(1,E)＝k，而图线a的斜率k＝eq \f(1,2) V－1，故E＝2.0 V，图线a的纵截距eq \f(r,E)＝1.0 A－1，故r＝2.0 Ω。
(3)由eq \f(1,I)­R图像可知，R′与该电源连接时，两图线交点处为R′＝6 Ω，eq \f(1,I′)＝4.0 A－1，因此R′消耗的功率P′＝I′2R′＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\c1(eq \f(1,4)))eq \s\up12(2)×6 W＝0.375 W。
[答案] (1)eq \f(R1－R2,I2－I1)I1I2 eq \f(I1R1－I2R2,I2－I1) (2)2.0 2.0 (3)0.375
主题3 实验中的仪器、仪表的选择
1．实验中的仪器、仪表的选择原则
(1)安全性原则：选用电源、电流表、电压表时，要根据实验的要求，根据器材的参数，考虑所测电流，电压的最大值不能超出仪表的量程，以确保不损坏仪器。
(2)精确性原则：在实验电路中测量电流、电压时，电流表、电压表指针的偏角不能过小，以减小误差，电流表、电压表的读数为满刻度的eq \f(1,3)以上时，读数较准确，能接近满刻度更好。
(3)方便性原则：选用滑动变阻器时，先要确保电路中电流不超过变阻器允许通过的最大电流，若用“限流式”一般选阻值适当大一点的，但不是越大越好，因阻值太大时，在实验中，可能只用到其阻值较小的一部分，滑动触头只能在很短的距离内移动，使用起来很不方便，一般是选变阻器总阻值与用电器的阻值比较接近的；若用“分压式”，应选择总阻值适当小一些的滑动变阻器，这样可使分出的电压大致上随滑动触头移动距离成正比例改变，调节起来比较方便。
2．选用器材的一般步骤
(1)先找出实验中必须应用的器材；
(2)画出实验电路图；
(3)估算待测电路中I和U的最大值；
(4)考虑能否使电表指针偏转满刻度的eq \f(1,3)以上；
(5)选择合适量程的电压表、电流表，合适的滑动变阻器和电源。
【典例3】 小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系。已知该金属电阻在常温下的阻值约10 Ω，阻值R随温度t的升高而增大。实验电路如图所示，控温箱用以调节金属电阻的温度。实验时闭合开关S，先将开关K与1端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度t1，t2，…和电流表的相应示数I1，I2，…。然后将开关K与2端闭合，调节电阻箱使电流表的示数再次为I1，I2，…，分别记下电阻箱相应的示数R1，R2，…。
(1)有以下两种电流表，实验电路中应选用________。
A．量程0～100 mA，内阻约2 Ω
B．量程0～0.6 A，内阻可忽略
(2)实验过程中，要将电阻箱的阻值由9.9 Ω调节至10.0 Ω，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”，正确的操作顺序是________。
①将旋钮a由“0”旋转至“1”
②将旋钮b由“9”旋转至“0”
③将旋钮c由“9”旋转至“0”
(3)实验记录的温度t和阻值R的数据如表所示。
请根据表中数据，作出R­t图线。
由图线求得阻值R随温度t的变化关系为R＝________Ω。
[解析] (1)电路中的最大电流为
Im＝eq \f(E,R＋r)＝eq \f(1.5,10) A＝0.15 A
B表指针偏转太小，所以选用A表。
(2)电阻箱的调节要从大到小，确保电路安全。
(3)描点连线画出图线，从图线得到R＝0.04t＋8.8 Ω
(0.04t＋8.6 Ω～0.04t＋9.0 Ω均可)。
[答案] (1)A (2)①②③(或①③②)
(3)见解析图 0.04t＋8.8(0.04t＋8.6～0.04t＋9.0均可)
选择仪表时安全性、准确性原则应同时考虑，如本题(1)问中，不能只由Im＝0.15 A＞100 mA得出B选项。
类型
表达式
图像
物理意义
I­R
图像
I＝eq \f(E,R＋r)
纵截距为短路电流，I随R增大而减小
U­R
图像
U＝eq \f(ER,R＋r)
＝eq \f(E,1＋\f(r,R))
U随R的增大而增大，但为非线性关系
U­I
图像
U＝E－Ir
纵截距为E，横截距为I短，斜率的绝对值等于r
P出­R
图像
P出＝
eq \f(E2,R＋r2)R
当R＝r时，电源的输出功率最大，Pmax＝eq \f(E2,4R)＝eq \f(E2,4r)；当R＞r时，电源的输出功率随R的增大而减小；当R＜r时，电源的输出功率随R的增大而增大
P出­I
图像
P出＝
EI－I2r
当I＝eq \f(E,2r)时，电源的输出功率的最大值为eq \f(E2,4r)；当I＜eq \f(E,2r)时，电源的输出功率随I的增大而增大；当I＞eq \f(E,2r)时，电源的输出功率随I的增大而减小
η­R图像
η＝eq \f(R,R＋r)＝eq \f(1,1＋\f(r,R))
电源的效率随外电路电阻的增大而增大
eq \f(1,I)­R图像
eq \f(1,I)＝eq \f(1,E)·R＋eq \f(r,E)
图像的斜率表示eq \f(1,E)，纵截距为eq \f(r,E)，横截距为－r
eq \f(1,U)­eq \f(1,R)图像
eq \f(1,U)＝eq \f(r,E)·eq \f(1,R)＋eq \f(1,E)
图像的纵截距为eq \f(1,E)，斜率为eq \f(r,E)，横截距为－eq \f(1,r)
温度t/℃
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
阻值R/Ω
9.6
10.4
11.1
12.1
12.8