2021版江苏高考物理一轮复习讲义：第8章第2节　电路　闭合电路的欧姆定律

第2节　电路　闭合电路的欧姆定律一、电路的串联、并联 串联并联电流I＝I1＝I2＝…＝InI＝I1＋I2＋…＋In电压U＝U1＋U2＋…＋UnU＝U1＝U2＝…＝Un电阻R＝R1＋R2＋…＋Rn＝＋＋…＋功率分配＝＝…＝P1R1＝P2R2＝…＝PnRn二、电源的电动势和内阻1．电动势(1)定义：电动势在数值上等于非静电力把1 C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。(2)表达式：E＝。(3)物理意义：反映了电源把其他形式的能转化为电能的本领大小。2．内阻：电源内部导体的电阻。三、闭合电路的欧姆定律1．内容闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。2．公式(1)I＝。(只适用于纯电阻电路)(2)E＝U内＋U外。(适用于任何电路)3．路端电压U与电流I的关系(1)关系式：U＝E－Ir。(适用于任何电路)(2)U­I图象①当电路断路即I＝0时，纵轴的截距为电源电动势。②当外电路电压为U＝0时，横轴的截距为短路电流。③图线的斜率的绝对值为电源的内阻。1．思考辨析(正确的画“√”，错误的画“×”)(1)电路中某电阻的阻值最大，该电阻的功率不一定最大。  (√)(2)电动势就是电源两极间的电压。  (×)(3)闭合电路中外电阻越大，路端电压越大。 (√)(4)在闭合电路中，外电阻越大，电源的输出功率越大。 (×)(5)电源的输出功率越大，电源的效率越高。 (×)2．(人教版选修3－1P63T1改编)一个电源接8 Ω电阻时，通过电源的电流为0.15 A，接13 Ω电阻时，通过电源的电流为0.10 A，则电源的电动势和内阻分别为(　　)A．2 V　1.5 Ω   B．1.5 V　2 ΩC．2 V　2 Ω   D．1.5 V　1.5 Ω[答案]　B3．(人教版选修3－1P52T2改编)(多选)如图画出了用电压表、电流表测量导体电阻的两种电路图。图中电压表的内阻为1 kΩ，电流表内阻为0.1 Ω，被测导体R的真实电阻为87.4 Ω。测量时，把电压表读数和电流表读数的比值作为电阻的测量值。如果不考虑实验操作中的偶然误差，按甲、乙两种电路进行实验，得到的电阻测量值是(　　)甲　　　　　　　　乙A．甲图的测量值是87.4 ΩB．甲图的测量值是80.4 ΩC．乙图的测量值是87.5 ΩD．乙图的测量值是87.4 ΩBC　[由题图可知，甲图采用的是电流表外接法测电阻，测量值为电压表与电阻R并联的阻值，为＝80.4 Ω。乙图是电流表内接法测电阻，测量值是电流表与电阻R串联的阻值，为R＋RA＝87.5 Ω。故B、C正确。]4．(人教版选修3－1P52T4改编)如图是有两个量程的电压表，当使用a、b两个端点时，量程为0～10 V，当使用a、c两个端点时，量程为0～100 V。已知电流表的内阻Rg为500 Ω，满偏电流Ig为1 mA，则电阻R1、R2的值是(　　)A．9 500 Ω　90 000 Ω   B．90 000 Ω　9 500 ΩC．9 500 Ω　9 000 Ω   D．9 000 Ω　9 500 ΩA　[接a、b时，由串联电路特点有R总＝R1＋Rg＝，得R1＝－Rg＝9 500 Ω。接a、c时，同理有R′总＝R1＋R2＋Rg＝，得R2＝－Rg－R1＝90 000 Ω。] 电路的串联、并联及电表的改装　1．串、并联电路的四个有用的结论(1)串联电路的总电阻大于电路中的任意一个电阻，串联电阻的个数增多时，总电阻增大。(2)并联电路的总电阻小于任意支路的电阻，并联支路的条数增多时，总电阻减小。(3)不论串联电路还是并联电路，只要某个电阻增大，总电阻就增大，反之则减小。(4)不论串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率等于各电阻消耗的电功率之和。2．电表的改装 改装成电压表改装成电流表内部电路改装后的量程U＝Ig(R＋Rg)I＝Ig量程扩大的倍数n＝n＝接入电阻的阻值R＝－Rg＝(n－1)RgR＝＝改装后的总电阻Rx＝Rg＋R＝nRgRx＝＝1.(多选)(2019·商丘模拟)如图所示，图线a表示的导体的电阻为R1，图线b表示的导体的电阻为R2，则下列说法正确的是(　　)A．R1∶R2＝1∶3B．把R1拉长到原来的3倍长后电阻等于R2C．将R1与R2串联后接于电源上，则功率之比P1∶P2＝1∶3D．将R1与R2并联后接于电源上，则通过的电流之比I1∶I2＝1∶3AC　[由题图I­U图线可知R1∶R2＝1∶3，故A正确；把R1拉长到原来的3倍后其电阻变为原来的9倍，等于3R2，故B错误；R1与R2串联后接在电源上，由P＝I2R可知P1∶P2＝1∶3，故C正确；R1与R2并联后接于电源上，则电流之比I1∶I2＝3∶1，故D错误。]2．(多选)如图所示，甲、乙都是由一个灵敏电流表G和一个变阻器R组成的电流，下列说法正确的是(　　)甲　　　　　　　　　乙A．甲表是电流表，R增大时量程增大B．甲表是电流表，R增大时量程减小C．乙表是电压表，R增大时量程增大D．乙表是电压表，R增大时量程减小BC　[由电表的改装原理可知，电流表应是G与R并联，改装后加在G两端的最大电压Ug＝IgRg不变，所以并联电阻R越大，I＝Ig＋IR越小，即量程越小，A错误，B正确；电压表应是G与R串联，改装后量程U＝IgRg＋IgR，可知R越大，量程越大，C正确，D错误。]3．某电流表内阻Rg为200 Ω，满偏电流Ig为2 mA，如图甲、乙改装成量程为0.1 A和1 A的电流表，试求：甲　　　　　　　乙(1)图甲中，R1和R2各为多少？(2)图乙中，R3和R4各为多少？(3)从安全角度分析，哪种改装方法较好？[解析]　(1)按图甲接法，由并联电路中电流跟电阻成反比，可得R1＝Rg＝×200 Ω＝4.08 Ω，R2＝Rg＝×200 Ω＝0.4 Ω。(2)按图乙接法，量程为1 A时，R4和Rg串联后与R3并联；量程为0.1 A时，R3和R4串联后与Rg并联，分别得Ig(Rg＋R4)＝(1－Ig)R3IgRg＝(0.1－Ig)(R3＋R4)解得R3＝0.41 Ω，R4＝3.67 Ω。(3)乙图接法较好。甲图中，若开关S接触不良而没有接通，或换量程的过程中，电流将全部流经表头，可能把表头烧坏。[答案]　(1)4.08 Ω　0.4 Ω　(2)0.41 Ω　3.67 Ω  (3)见解析 电路的动态分析问题　1．判定总电阻变化情况的规律(1)当外电路的任何一个电阻增大(或减小)时，电路的总电阻一定增大(或减小)。(2)若开关的通、断使串联的用电器增多时，电路的总电阻增大；若开关的通、断使并联的支路增多时，电路的总电阻减小。(3)在如图所示分压电路中，滑动变阻器可视为由两段电阻构成，其中一段R并与用电器并联，另一段R串与并联部分串联。A、B两端的总电阻与R串的变化趋势一致。2．电路动态分析问题常用的“三法”(1)程序判断法：遵循“局部→整体→部分”的思路，按以下步骤分析：(2)“串反并同”结论法(应用条件：电源内阻不为零)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：←R↑→(3)极限法：即因滑动变阻器滑片滑动引起的电路变化问题，可将滑动变阻器的滑动端分别滑至两个极端去讨论。　(一题多解)(多选)在如图所示的电路中，电源的负极接地，其电动势为E、内电阻为r，R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，C为电容器，A、V分别为理想电流表和电压表。在滑动变阻器的滑片P自a端向b端滑动的过程中，下列说法正确的是(　　)A．电压表示数减小B．电流表示数增大C．电容器C所带电荷量增多D．a点的电势降低BD　[法一　程序法　滑片P由a端向b端滑动，滑动变阻器接入电路的阻值减小，则电路总电阻减小，总电流增大，电阻R1两端电压增大，电压表V示数变大，A错误；电阻R2两端的电压U2＝E－I总(R1＋r)，I总增大，则U2减小，I2＝，故I2减小，电流表A的示数IA＝I总－I2增大，B正确；由于电容器两端的电压UC＝U2减小，由Q＝CUC知电容器所带电荷量Q减少，C错误；Uab＝φa－φb＝φa＝U2，故φa降低，D正确。法二　极限法　若将滑片P滑至b点，则R3＝0，φa＝φb＝0，D正确；R2两端电压为零，则电容器C两端电压也为零，电容器所带电荷量Q＝0，C错误；当R3＝0时，电路总电阻最小，总电流最大，R1两端电压最大，故A错误；由于IA＝I1－I2，此时I1最大，I2＝0最小，故IA最大，B正确。]电路稳定时电容器的处理方法电路稳定后，与电容器串联的电路中没有电流，同支路的电阻相当于导线，即电阻不起降低电压的作用，电容器两端的电压与其并联电器两端电压相等。1.(2019·江苏盐城期末)半导体材料制成的光敏电阻随光照强度增大电阻变小。如图所示，R1、R2为定值电阻，R3为光敏电阻，U为R2两端的电压，I为流过R2的电流，下图反映物理量间的关系可能正确的是(　　)A　　　　　B　　　　　C　　　　　DC　[随光照强度的增加，R3电阻减小，则总电阻减小，总电流变大，即R2的电流I变大，R2两端的电压U变大，故选项C正确，A、B、D错误。]2.(2019·江苏七市三模)在如图所示的电路中，电源电动势为E，内阻为r，R1、R3为滑动变阻器，R2为定值电阻，C为电容器。开始时开关S1、S2闭合。下列操作能使电容器所带电荷量增加的是(　　)A．断开开关S1B．断开开关S2C．向左移动滑动变阻器R1的滑片D．向左移动滑动变阻器R3的滑片B　[断开开关S1，回路电流为零，电容器通过R1、R2、S1回路放电，电荷量减小，A错误；根据电路结构可知，回路电流I＝，电容两端电压：U＝IR2＝，断开开关S2，电容器直接串联在电路中，回路电流为零，电容器两端电压为电动势，电压变大，根据Q＝CU可知，带电荷量变大，B正确；滑动变阻器R1与电容器串联，稳定时，支路无电流，改变R1的滑片位置，不会改变电压和电流，电容器带电荷量不变，C错误；向左移动滑动变阻器R3的滑片，接入电路电阻变大，I＝，回路电流变小，U＝IR2＝，电容器两端电压变小，根据Q＝CU可知，带电荷量变小，D错误。]3.如图所示，电源电动势为E，内阻为r，平行板电容器两金属板水平放置，开关S是闭合的，两板间一质量为m、电荷量为q的油滴恰好处于静止状态，G为灵敏电流计。则以下说法正确的是(　　)A．在将滑动变阻器滑片P向上移动的过程中，油滴向上加速运动，G中有从b到a的电流B．在将滑动变阻器滑片P向下移动的过程中，油滴向下加速运动，G中有从b到a的电流C．在将滑动变阻器滑片P向上移动的过程中，油滴仍然静止，G中有从a到b的电流D．在将S断开后，油滴仍保持静止状态，G中无电流通过A　[滑片P向上移动，接入电路的电阻增大，总电阻增大，根据闭合电路的欧姆定律可知，干路电流减小，因U＝E－I(r＋R1)，可知电容器极板间电压变大，油滴受到的静电力增大，油滴向上运动，极板间电压变大，说明电容器充电，G中电流方向从b到a，A正确，B、C错误；将S断开后，电容器放电，G中有电流，电压减小，静电力减小，油滴向下运动，D错误。] 电源的功率和效率　1．电源的功率及效率问题电源总功率任意电路：P总＝EI＝P出＋P内纯电阻电路：P总＝I2(R＋r)＝电源内部消耗的功率P内＝I2r＝P总－P出电源的输出功率任意电路：P出＝UI＝P总－P内纯电阻电路：P出＝I2R＝电源的效率任意电路：η＝×100%＝×100%纯电阻电路：η＝×100%2.纯电阻电路中电源的输出功率P出与外电阻R的关系(1)表达式：P出＝I2R＝＝(2)关系图象①根据如图所示图象可知：随着外电阻的增大，输出功率先增大后减小，即：②当R＝r时，输出功率最大，为Pm＝。③P出<Pm时，每个输出功率对应两个不同的外电阻R1和R2，且满足R1R2＝r2，因此需要注意题目可能出现多解的情况。　(一题多变)如图所示，已知电源电动势E＝6 V，内阻r＝1 Ω，保护电阻R0＝0.5 Ω，求：当电阻箱R读数为多少时，保护电阻R0消耗的电功率最大，并求这个最大值。[解析]　保护电阻消耗的电功率为P0＝，因R0和r是常量，而R是变量，所以R最小时，P0最大，即R＝0时，P0max＝＝ W＝8 W。[答案]　R＝0　P0max＝8 W[考法拓展1]　在典例示法中，条件不变，求当电阻箱R读数为多少时，电阻箱R消耗的功率PR最大，并求这个最大值。[解析]　这时要把保护电阻R0与电源内阻r算在一起，据以上结论，当R＝R0＋r，即R＝1 Ω＋0.5 Ω＝1.5 Ω时，电阻箱R消耗的功率最大，PRmax＝＝ W＝6 W。[答案]　R＝1.5 Ω　PRmax＝6 W[考法拓展2]　在典例示法中，若电阻箱R的最大值为3 Ω，R0＝5 Ω，求：当电阻箱R读数为多少时，电阻箱R的功率最大，并求这个最大值。[解析]　把R0＝5 Ω当作电源内阻的一部分，则等效电源内阻r等为6 Ω，而电阻箱R的最大值为3 Ω，小于6 Ω，由P＝R＝，可知不能满足R＝r等，所以当电阻箱R的电阻取3 Ω时，R消耗功率最大，最大值为：P＝R＝ W。[答案]　R＝3 Ω　P＝ W[考法拓展3]　典例示法中条件不变，求电源的最大输出功率。[解析]　由电功率公式P出＝R外＝，当R外＝r时，P出最大，即R＝r－R0＝0.5 Ω时，P出max＝＝ W＝9 W。[答案]　9 W[考法拓展4]　如图所示，电源电动势E＝2 V，内阻r＝1 Ω，电阻R0＝2 Ω，可变电阻的阻值范围为0～10 Ω。求可变电阻为多大时，R上消耗的功率最大，最大值为多少？[解析]　法一　PR＝，根据闭合电路的欧姆定律，路端电压U＝E·＝，所以PR＝，代入数据整理得PR＝，当R＝ Ω时，R上消耗的功率最大，PRmax＝ W。法二　采用等效电源法分析，把定值电阻等效到电源的内部，即把电源和定值电阻看作电动势为E′＝E，内阻为r′＝的电源，当R＝r′＝时，电源对外电路R的输出功率最大PRmax＝。把数值代入各式得：E等＝E′＝E＝ V；r等＝r′＝＝ Ω。所以PRmax＝＝ W。[答案]　R＝ Ω　P＝ W解决最大功率问题的两点注意(1)解决最大功率问题时，要弄清是定值电阻还是可变电阻的最大功率，定值电阻的最大功率用P＝I2R＝分析，可变电阻的最大功率用等效电源法求解。(2)电源输出功率最大时，效率不是最大，只有50%。1.将一电源与一电阻箱连接成闭合回路，测得电阻箱所消耗功率P与电阻箱读数R变化的曲线如图所示，由此可知(　　)A．电源最大输出功率可能大于45 WB．电源内阻一定等于5 ΩC．电源电动势为45 VD．电阻箱所消耗功率P最大时，电源效率大于50%B　[由于题述将一电源与一电阻箱连接成闭合回路，电阻箱所消耗功率P等于电源输出功率。由电阻箱所消耗功率P与电阻箱读数R变化的曲线可知，电阻箱所消耗功率P最大为45 W，所以电源最大输出功率为45 W，选项A错误；由电源输出功率最大的条件可知，电源输出功率最大时，外电路电阻等于电源内阻，所以电源内阻一定等于5 Ω，选项B正确；由电阻箱所消耗功率P最大值为45 W可知，此时电阻箱读数为R＝5 Ω，电流I＝＝3 A，电源电动势E＝I(R＋r)＝30 V，选项C错误；电阻箱所消耗功率P最大时，电源效率为50%，选项D错误。]2.如图所示电路中，R为电阻箱，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。(1)求电源的电动势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？[解析]　(1)由闭合电路的欧姆定律：E＝U1＋rE＝U2＋r解得：E＝6 V，r＝1 Ω。(2)电源的输出功率表达式：P＝R将上式变形为：P＝由上式可知R＝r＝1 Ω时，P取最大值：Pm＝＝9 W。[答案]　(1)6 V　1 Ω　(2)1 Ω　9 W 电源U­I图象与电阻I­U图象的对比　1.(多选)(2019·三沙质检)如图所示，甲、乙分别表示两个电源的路端电压与通过它们的电流I的关系，下列说法中正确的是(　　)A．电源甲的电动势大于乙的电动势B．电源甲的内阻小于乙的内阻C．电流都是I0时，两电源的内电压相等D．路端电压都为U0时，它们所在电路的外电阻相等AD　[图线与纵轴的交点表示电源的电动势，图线斜率的大小表示电源的内阻，由题图可知E甲>E乙，r甲>r乙，A正确，B错误；当电流都为I0时，两电源的路端电压相等，内电压不相等，C错误；当路端电压为U0时，电流为I0，外电阻R＝相等，D正确。]2．(2019·德州期末)图甲为某电源的U­I图线，图乙为某小灯泡的U­I图线，则下列说法中正确的是(　　)甲　　　　　　　　　乙A．电源的内阻为0.5 ΩB．小灯泡的电阻随着功率的增大而减小C．当小灯泡两端的电压为0.5 V时，它的电阻约为 ΩD．把电源和小灯泡组成闭合回路，小灯泡的功率约为3 WD　[根据电源的U­I图线在纵轴的截距表示电动势，斜率绝对值表示电源内阻可知，E＝1.5 V，r＝ Ω，选项A错误；根据小灯泡U­I图线上某点的纵、横坐标的比值表示电阻可知，小灯泡的电阻随电流的增大而增大，由P＝I2R知，小灯泡的电阻随着电功率的增大而增大，选项B错误；当小灯泡两端的电压为U＝0.5 V时，对应小灯泡中电流为I＝6 A，根据小灯泡U­I图线上某点的纵、横坐标的比值表示电阻可知，小灯泡电阻R＝＝ Ω，选项C错误；把电源和小灯泡组成闭合回路，在题图乙中画出图甲对应的图线，如图所示，两图线的交点表示电路的工作状态，根据小灯泡U­I图线上某点的纵、横坐标的乘积表示消耗的电功率可知，小灯泡的功率约为3 W，选项D正确。]类别线性元件非线性元件电源图象物理意义反映I和U的正比关系反映I和U的非正比关系反映电源的输出特性，纵轴截距为电源电动势，横轴截距为短路电流注意问题图线的斜率的倒数表示导体的电阻，R＝＝，遵从欧姆定律图线的斜率仅表示电阻的变化趋势，某点的电阻值需用点的坐标值计算，即R＝图线斜率的绝对值表示电源的内阻(注意纵坐标数值是否从零开始)