人教版 (2019)必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律1 电路中的能量转化学案设计

这是一份人教版 (2019)必修 第三册第十二章 电能 能量守恒定律1 电路中的能量转化学案设计，共7页。
1.闭合电路组成
(1)外电路：电源 部由用电器和导线组成的电路，在外电路中，沿电流方向电势 。
(2)内电路：电源 部的电路。
2.闭合电路的欧姆定律
(1)推导：如图所示，设电源的电动势为E，外电路电阻为R，内电路电阻为r，闭合电路的电流为I。在时间t内：
①外电路中电能转化成的内能为E外＝I2Rt。
②内电路中电能转化成的内能为E内＝ 。
③非静电力做的功为W＝Eq＝EIt。
根据能量守恒定律有W＝E外＋E内，
所以EIt＝I2Rt＋I2rt。
整理后得到E＝IR＋Ir，即I＝eq \f(E,R＋r)。
(2)内容：闭合电路的电流跟电源的电动势成 ，跟内、外电路的电阻之和成 。
(3)表达式：I＝ 。
(4)常用的变形式：E＝ ＋Ir，E＝U外＋ ， U外＝E－ 。
(5)适用范围：
①I＝eq \f(E,R＋r)、E＝IR＋Ir只适用于外电路为 的闭合电路。
②U外＝E－Ir、E＝U外＋U内适用于任意的闭合电路。
[例1] 如图所示的电路中，电阻R1＝9 Ω，R2＝15 Ω，电源电动势E＝12 V，内电阻r＝1 Ω。求当电流表示数为0.4 A时，变阻器R3的阻值多大？
解：
知识点二：闭合电路的动态分析
[例2] 如图所示电路，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
方法总结
各部分电压、电流变化
固定支路
可变支路
分清电路结构
局部电阻变化
总电阻变化
总电流变化
路端电压变化
并联分流
串联分压
先分析
后分析
1．程序法：
练习1 如图所示是一实验电路图，在滑动触头由a端滑向b端的过程中，下列表述正确的是( )
A.路端电压变小
B.电流表的示数变大
C.电源内阻消耗的功率变小
D.电路的总电阻变大
练习2 (多选)如图中的四个电表均为理想电表，当滑动变阻器滑片P向右端移动时，下面说法中正确的是( )
A．电压表V1的读数减小，电流表A1的读数增大
B．电压表V1的读数增大，电流表A1的读数减小
C．电压表V2的读数减小，电流表A2的读数增大
D．电压表V2的读数增大，电流表A2的读数减小
方法总结
2．“串反并同”结论法：
(1)所谓“串反”，即某一电阻增大时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小，反之则增大。
(2)所谓“并同”，即某一电阻增大时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大，反之则减小。
即：eq \b\lc\ \rc\)(\a\vs4\al\c1(U串↓,I串↓,P串↓))←R↑→eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(U并↑,I并↑,P并↑))
3．极限法：因变阻器滑片滑动引起电路变化的问题，可将变阻器的滑片分别滑至两个极端，让电阻最大或电阻为零去讨论。
闭合电路欧姆定律2
知识点三：路端电压与负载的关系
1.公式：对纯电阻外电路U外＝IR＝E－Ir＝
2.在纯电阻电路中，路端电压与外电阻R之间的关系：
①当外电阻R增大时，电流I (E和r为定值)，内电压Ir ，路端电压U外 ；当外电路 ，I＝0，此时U外＝E。
②当外电阻R减小时，电流I ，内电压Ir ，路端电压U外 ；当外电路 时，R＝0，I＝ ，U外＝0。
3. 两类U­I图线的比较
[例3] （多选）如图所示为两个不同闭合电路中两个不同电源的U－I图像，则下列说法中正确的是( )
A.电动势E1＝E2，短路电流I1＞I2
B.电动势E1＝E2，内阻r1＞r2
C.电动势E1>E2，内阻r1＜r2
D.当两电源的工作电流变化相同时，电源2的路端电压变化较大
[例4] 如图所示的电路中，当开关处于位置1时，理想电流表的读数I1=0.2A；当开关处于位置2时，电流表的读数为I2=0.3A，R1=14Ω，并且已知R2=9Ω，试求电源的电动势E和内电阻r．
知识点四：含电容器电路的分析与计算
分析和计算含有电容器的直流电路时，需注意以下几点：
(1)在直流电路中，电容器在电路中就相当于一个阻值无限大的元件，一旦电路达到稳定状态，在电容器处电路看成是断路。
(2)电路稳定后，由于电容器所在支路无电
流通过，所以在此支路中的电阻上无电压降低，因此电容器两极间的电压就等于该支路两端的电压。
(3)当电容器和用电器并联后接入电路时，电容器两极间的电压与其并联用电器两端的电压相等。
（4）在电路闭合瞬间，电容器支路有短暂电流。
[例5] 如图所示，E＝10 V，r＝1 Ω，R1＝R3＝5 Ω，R2＝4 Ω，C＝100 μF。当S断开时，电容器中带电粒子恰好处于静止状态。求：
(1)S闭合后，带电粒子加速度的大小和方向；
(2)S闭合后流过R3的总电荷量。
练习： 如图所示的电路中，电源电动势为E，它的内阻r＝2 Ω，电阻R1＝28 Ω，R2＝30 Ω，R3＝60 Ω。求电键S断开和闭合时，电容器所带电荷量之比。
闭合电路欧姆定律3
知识点五：闭合电路中的功率及效率
重点诠释：纯电阻电路P出与外电阻R的关系
（1）电源的输出功率：
P出=UI=RE2(R+r)2=E2(R−r)2R+4r
（2）由P出与外电阻R的关系图像
（3）结论
①当R＝r时，电源的输出功率最大为Pm＝eq \f(E2,4r)，此时效率η= 。
②当R＞r时，随着R的增大输出功率越来越 。
③当R＜r时，随着R的增大输出功率越来越 。
④当P出＜Pm时，每个输出功率对应两个外电阻R1和R2，且R1R2＝r2。
[例5] 如图所示，电源由两个电动势E＝1.5 V，内阻r＝0.5 Ω的相同电池串联而成，外电路总电阻R＝0.5 Ω。当开关S闭合后，电源的总功率P总＝ W，电源的输出功率P出＝ W，外电路消耗的功率P外＝ W，内电路消耗的功率P内＝ W，电源的供电效率η＝ 。
典例强化
如图所示，已知电源的电动势为E，内阻r＝2 Ω，定值电阻R1＝0.5 Ω，滑动变阻器的最大阻值为5 Ω，求：
(1)当滑动变阻器的阻值为多大时，电阻R1消耗的功率最大？ (2)当滑动变阻器的阻值为多大时，滑动变阻器消耗的功率最大？
(3)当滑动变阻器的阻值为多大时，电源的输出功率最大？
变式训练
：在上题中，若R1＝8 Ω，原题如何解答？
课堂检测
1.某同学将一直流电源的总功率PE、输出功率PR和电源内部的发热功率Pr随电流I变化的图线画在同一坐标系中，如图中的a、b、c所示．则下列说法中正确的是（ ）
A图线a表示总功率PE随电流I变化的关系
B图线b表示电源内部的发热功率Pr随电流I变化关系
C电源的最大输出功率为1.5W
D电源的内阻为0.75Ω
2. (多选)在如图所示的图像中，直线Ⅰ为某一电源的路端电压与电流的关系图像，直线Ⅱ为某一电阻R的伏安特性曲线。用该电源直接与电阻R相连组成闭合电路。由图像可知( )
A．电源的电动势为3 V，内阻为0.5 Ω
B．电阻R的阻值为1 Ω
C．电源的输出功率为2 W
D．电源的效率为66.7%
3. 如图所示，R为电阻箱，V为理想电压表。当电阻箱读数为R1＝2 Ω时，电压表读数为U1＝4 V；当电阻箱读数为R2＝5 Ω时，电压表读数为U2＝5 V。求：
(1)电源的电动势E和内阻r；
(2)当电阻箱R读数为多少时，电源的输出功率最大？最大值Pm为多少？
电源
电阻
图形
物理意义
电源的路端电压随电路电流的变化关系
电阻中的电流随电阻两端电压的变化关系
截距
与纵轴交点表示电源电动势E，与横轴交点表示电源短路电流eq \f(E,r)
过坐标轴原点，表示没有电压时电流为零
斜率
(绝对值)
电源电阻r
电阻大小
坐标U、I
的比值
表示外电阻的大小，不同点对应的外电阻大小不同
每一点对应的比值均等大，表示此电阻的大小
坐标U、I
的乘积
表示电源的输出功率
表示电阻消耗的功率
电源总功率
任意电路：P总＝ ＝P出＋P内
纯电阻电路：P总＝ ＝eq \f(E2,R＋r)
电源内部
消耗的功率
P内＝ ＝P总－P出
电源的
输出功率
任意电路：P出＝ ＝P总－P内
纯电阻电路：P出＝ ＝ ＝eq \f(E2R,(R＋r)2)
电源的效率
任意电路：η＝eq \f(P出,P总)×100%＝eq \f(U,E)×100%
纯电阻电路：η＝ ×100%