高中人教版 (新课标)选修3-1第二章 恒定电流4 串联电路和并联电路导学案
展开1.串联电路的基本特点:(1)电路中各处的电流相等,即I1=I2=……=In;(2)电路两端的总电压等于各部分电路两端电压之和,即U=U1+U2+……+Un
2.串联电路的重要性质:(1)总电阻:R=R1+R2+……+Rn;(2)电压分配:U1/R1=U2/R2=……=Un/Rn。
3.并联电路的基本特点:(1)电路中各支路两端的电压相等,即U1=U2=……=Un。(2)电路的总电流等于各支路电流之和,即I=I1+I2+……In。
4.并联电路的重要性质:(1)总电阻:;推论:①并联总电阻小于任一支路电阻;②任一支路电阻增大,总电阻增大;反之,减小。(2)电流分配:I1R1=I2R2=……InRn=U。
5.稍复杂电路的等效化简方法:
(1)电路化简时的原则:①无电流的支路化简时可去除;②等电势的各点化简时可合并;③理想导线可任意长短;④理想电流表可认为短路,理想电压表可认为断路。
(2)常用等效化简方法:①电流分支法:a先将各结点用字母标出; b判断各结点元件的电流方向;c按电流流向,自左向右将元件、结点、分支逐一画出;d将画出的等效图加工整理。②等势点排列法:a先将各结点用字母标;b判断各结点电势高低;c将各结点按电势高低自左向右排列,再将各结点间的支路画出;d将画出的等效图加工整理。
(3)含有电容器的直流电路的分析方法:①电路稳定时,电容器是断路的,其两端电压等于所并联的电路两端的电压;②电路的电流、电压变化时,将会引起电容器的充(放)电;如果电容器两端电压升高,电容器将充电;如果电压降低,电容器将通过与它并接的电路放电。
6.电压表是由小量程的电流表串联一定的分压电阻所组成。为了计算分压电阻,需要测定电流表的两个基本参数,即_________和_________。
7.用串联分压的原理来改装电压表,扩大量程。串联的电阻大小根据所分担的电压来计算即R串=(U-IgRg)/Ig。
8.改装电压表
根据Ig、Rg和要求改装后电压表的量程U,计算串联电阻:R串=(U-IgRg)/Ig,选择电阻箱上的阻值为R串,把电流表和该电阻箱串联,就做成了量程为U的电压表。此时电流表的刻度就是电压表的刻度了,满偏电流Ig代表电压U,刻度是均匀的。考虑到学生用电阻箱最大阻值只有9999Ω,用J0415型微安表宜改装成为量程2V,用J0409型电流表宜改装成量程3V。
9.与标准电压表校对
将改装后的电压表与标准电压表进行校对时的电路如图12—4—1所示,应注意:
(1)改装后的电压表与标准表并联;
(2)滑动变阻器连接成分压式,以便于将改装后的电压表与标准电压表从0到满刻度逐一进行校对。
(3)算出改装电压表满刻度的误差,其数值等于改装表的满偏读数值U/跟标准电压表上的读数值U之差与标准电压表读数之比,即百分误差为:
∣U’-U∣/U×100%。
当改装表的最大指示值不准时,调它的分压电阻R1来校准。假如另外的点仍不准,这是电流表G或电压表V的线性不良造成的。
[范例精析]
例1如图12—4—2所示,A、B两端电压不变,将变阻器R2的滑动端P向左移动,B、C间的等效电阻将_________,电阻R1上的电压将_________,灯泡L会_________。
解析:在L和R2的并联电路中,变阻器滑动端P向左移动,变阻器的使用电阻变小,即并联电路某一支路电阻变小,总电阻变小,故B、C间的等效电阻变小。
L和R2并联再和R1串联的电路中,由于A、B两端电压不变,R1不变,RBC变小,所以R1分得的电压变大,RBC分得的电压变小,灯泡L变暗。或者利用R总减小,I=U/R增大,所以UAC=IR1增大,UCB减小。
用极限法分析:设P滑到R2的最左端,则R2的使用电阻为零,L被短路,立即可得出:BC间电阻为零,灯泡L不发光,R1上的电压等于总电压。
拓展:应熟记并联电路中某一电阻变化而引起总电阻变化的关系;对于有滑动变阻器的电路,若滑动变阻器的阻值是单一变化的(只变大或只变小),则利用极限法分析较简捷。
例2:如图12—4—3所示,设R1=R2=R3=R4=R,求电键K闭合和开启时,A、B两端电阻之比。
解析:用分支法简化电路:由A经R1为第一支路到B,(原则上最简便直观);由A取第二支路经R2经C到B;由A取第三支路经R3到D再经R4到B;CD间接有K,如图12—4—4所示。
K闭合:R4短路,相当于R1、R2、R3并联,故RAB=R/3
K开启:相当于R3、R4串联后再和R1、R2并联,故:;
R/AB=2R/5,所以RAB∶R/AB=5∶6
拓展:由于R1、R2、R3、R4四个电阻间的串、并联关系不明显,因此要对原来的电路图进行简化,例题解析给出的解法是采用电流分支简化法,另外还可以采用等势点排列法:假定电流从A流入,从B流出,则A点电势最高,B点电势最低,且B、C两点等势;若K闭合,由B、C、D三点是等势点,则R4被短路;相当于R1、R2、R3并联。若K开启,相当于R3、R4串联后再和R1、R2并联,这样就容易求解。
简化电路时,若能将电流分支法和等势点排列法结合使用,效果更好。
例3:如图12—4—5所示,M、N两点间电压为18V,R1=6Ω,R2=3Ω,C1=6μF,C2=3μF;当电键K断开时,A、B两点间的电压UAB为_______伏,当K闭合时,电容器C1的电量变化了_______库。
解析:直流电不能通过C1、C2,所以当电键K开启时,全电路无电流,B、C等势,A、D等势,UAB=UCD=18V,此时电容C1的带电量Q1=C1UAC=C1UDC=6×10-6×18=1.08×10‑4(库)。当电键K闭合时,电路R1、R2导通,相当于R1、R2串联,C1、C2分别和R1、R2并联,所以C1电压等于R1上两端电压,U/BC=R1U/(R1+R2)=6×18/(6+3)=12(伏)
电容器C1带电量Q/1=C1U/AB=6×10-6×12=0.72×10-4(库)
电容器C1上电量变化:ΔQ=Q/1-Q1=0.72×10-4-1.08×10‑4=-0.36×10-4(库)
负号表示电量减小。
拓展:求解电路中电容器的带电量关键在于求出电容两端的电压。
例4:一个分压电阻为R1串联到电压表上,使电压表的量程扩大为原来的n倍,另一个分压电阻R2串联到同一电压表上,量程扩大到原来的m倍,如果把这两个电阻并联之后再串联到电压表上,此时电压表的量程扩大了几倍?
解析:设原电压表的内阻为RV,原来的量程为U,满偏电流为I,则有:
U=IRV
串联上分压电阻R1时,有:I(R1+RV)=nU
串联上分压电阻R2时,有:I(R2+RV)=mU
R1、R2并联后再串联到电压表上时,有:I[R1R2/(R1+R2)+RV]=kU
把I=U/RV代入得:R1=(n-1)RV,R2=(m-1)RV,R1R2/(R1+R2)=(k-1)RV
由以上方程可解得:k=(mn-1)/(m+n-2)
拓展:本题主要考查电压表的改装,涉及的知识点是串联电阻的分压原理。解题过程中要弄清楚电压表量程的扩大与串联电阻之间的内在联系。
例5:实验室中现有器材如实物图12—4—6所示,有:电池E,电动势约10V,内阻约1Ω;电流表A1,量程10A,内阻r1约为0.2Ω;电流表A2,量程300mA,内阻r2约为5Ω;电流表A3,量程250mA,内阻r3约为5Ω;电阻箱R1,最大阻值999.9Ω,阻值最小改变量为0.1Ω;滑线变阻器R2,最大阻值100Ω;开关S;导线若干。
要求用图12—4—7所示的电路测定图中电流表A的内阻。
(1)在所给的三个电流表中,哪几个可用此电路精确测出其内阻?
(2)在可测的电流表中任选一个作为测量对象,在实物图上连成测量电路。
(3)你要读出的物理量是______________________________。用这些物理量表示待测内阻的计算公式是____________________。
解析:本题可以用半偏法测电流表的内阻,将待测的电流表与电阻箱并联,另一个电流表接在总电路里,保持总电流不变,使电阻箱里分掉一半电流,则待测电流表的内阻与电阻箱的阻值相等.由于电流表A1量程太大,其余表中显示的电流在A1表中无法显示,只能测A2、A3表的内阻。
本题的正确答案是:(1)A2和A3;
(2)电路连接如图12—4—8所示
(3)调节R1,当A3中的电流是A2中的一半时,A3的内阻r3=R1;
或者直接读出两电流表的电流I2、I3以及R1,则r3=(I2-I3)R1/I3。
拓展:本题是一道综合性试题,涉及的知识有电表的选择、实物图的连接、测量电表内阻的方法等。本题测量电表内阻的方法是“半偏法”测电阻的变通应用,利用A3和R1两端电压相等的规律,由通过两者的电流大小得到A3的电阻大小。
[能力训练]
1.把“1.5V,0.3A”的电珠接到6V电源上,为使正常发光,需串联一个________Ω的电阻。15
2.电阻R1=60Ω,它和电阻R2串联后,R2上的电压是总电压的2/3,那么,如果已知总电压为18V,R2阻值为_______Ω,两端电压为_______V,电流为________A。120;12;0.1
3.实验室常用的电压表是由小量程电流表,再______联一电阻而组成,这是应用了_______________的原理制成的,这样做既扩大了表的量程,同时使整个电压表的内阻___________,使得测量时对电路的影响减小。串;电阻分压;增大.
4.现有一个灵敏电流计,它的满偏电流为Ig=1mA,内阻Rg=200Ω,若要将它改装成量程为5A的电流表,应______一个_________Ω的电阻,改装后的电流表测量电流时,指针指在表盘上原来0.2mA处,则被测电流的大小是______________.并;0.04Ω;1A
5.现有一个灵敏电流计,它的满偏电流为Ig=5mA,内阻Rg=500Ω,若要将它改装成量程为15V的电压表,应______一个_________Ω的电阻,改装后的电压表测量电压时,指针指在表盘上原来0.5mA处,则被测电压的大小是______________.串;2500Ω;1.5V
6.下列说法正确的是(ABC)
A.一个电阻和一根无电阻的理想导线并联,总电阻为零
B.并联电路任一支路的电阻都大于电路的总电阻
C.并联电路任一支路的电阻增大(其它支路不变),则总电阻也增大
D.并联电路任一支路的电阻增大(其它支路不变),则总电阻一定减小
7.如图12—4—9所示,A、B间的电压是30V,改变滑动变阻器触头的位置,可以改变CD间的电压,UCD的变化范围是( C )
A.0~10V B.0~20V C.10~20V D.20~30V
8.如图12—4—10所示,当ab端接入100V电压时,cd两端为20V;当cd两端接入100V时,ab两端电压为50V,则R1∶R2∶R3之比是(A )
A.4∶1∶2 B.2∶1∶1 C.3∶2∶1 D.以上都不对
9.如图12—4—11所示是将滑动变阻器作分压器用的电路,A、B为分压器的输出端,若把变阻器的滑动片放在变阻器中央,下列判断正确的是(ABC)
A.空载时输出电压为UAB=UCD/2
B.当接上负载R时,输出电压UAB
D.负载R越小,UAB越接近UCD/2
10.如图12—4—12中AB之间的总电阻为:甲图RAB=____Ω;乙图K断开时RAB=____Ω,K闭合时R/AB=______Ω;丙图K断开时RAB=____Ω,K闭合时R/AB=______Ω。0;4;2;3;3
11.如图12—4—13所示,R1=12kΩ,R2=8kΩ,R3=20kΩ,R4=600Ω,当电位器滑动触头C凋到最上端和最下端时,AB间的总电阻分别是________Ω和______Ω,AB间最大电阻值为________Ω。9×103;7×103;1.06×104
12.将量程为100μA,内阻为500Ω的电流表改装成量程为10mA的电流表,并用一个标准电流表与改装后的电流表串联,对它进行校准。改装和校准所用的器材如图12—4—14所示。
(1)将电流表与电阻箱应并联组成改装表,电阻箱应取多大的阻值?5Ω
(2)在实物图上连线,使之成为改装表校准电路。(要求通过电流表的电流从0连续调到10mA,为防止电流过大损坏电表,串联上一个固定阻值的保护电阻)
13.某同学完成了电压表的改装后,将改装后的电压表和标准电压表并联,然后接入电路进行测量,发现改装表的示数总比标准表的示数小,为了校准改装表,应(B )
A.增大改装表的串联电阻
B.减小改装表的串联电阻
C.用一个电阻与标准表串联
D.用螺丝刀调整改装表的调零螺丝
14.某同学将一个小量程电流表改装成3V的电压表,将改装的电压表与标准电压表并联后接入电路,当标准表的示数为3V时,改装表的示数为2.85V,则该同学改装的电压表的满刻度百分误差是_____________.5%
15.如图12—4—15所示,U=10V,R1=4Ω,R2=6Ω,C=30μF,
(1)闭合开关K,求稳定后经过R1的电流1A;
(2)然后断开开关,求这以后通过R1的总电量1.2×10-4C
16.改装电流表之前,必须知道电流表的两个参数:一是满偏电流Ig,二是电流表的内阻Rg.如图12—4—16所示是测定电流表内阻的实验电路,电流表的内阻约在100Ω左右,满偏电流为500μA,用干电池做电源.实验过程中,先断开S2,合上S1,调节R,使电流表G指针满偏.然后保持R不变,合上S2,调节R’,使电流表指针偏转到满刻度的一半时,可以认为流过R’的电流也等于Ig/2,由此得Rg=R’,读出R’即得Rg.
(1)实验室中配有的可变电阻为:
A.电阻箱,阻值范围0~10Ω
B.电阻箱,阻值范围0~9999Ω
C.电位器,阻值范围0~200Ω
D.电位器,阻值范围0~20kΩ
在上述配有的可变电阻中,电路图中的R应选用_________,R’应选用________.B ; C
(2)如果按正确的步骤测得的R’为100Ω,要把这个电流表改装成量程为0.6A的电流表,则应并联的分流电阻是__________Ω. 0.083Ω
(3)任何测量都会有误差.试分析:用上述方法测电流表内阻的测量值比真实值偏大还是偏小?_____________,根据电流表的测量值数据改装成的电流表在测量时,其读数比实际电流偏大还是偏小___________________.偏小;偏大
(4)在测定电流表内阻的实验中认为“流过R’的电流也等于Ig/2”的条件是________. R>>R’
(5)为了减小测定电流表内阻的实验误差下列做法可行的是 (AC )
A. R选用更大阻值的电位器
B.R选用阻值较小的电位器
C.选择电动势大的电源
D.选择电动势小的电源
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