人教版 高中物理必修三 第十一章 第2節(jié) 閉合電路的歐姆定律教案

第2節(jié)閉合電路的歐姆定律學習目標核心素養(yǎng)形成脈絡(luò)1.知道電源是提供電能的裝置，通過非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能．2．理解電動勢概念，知道公式中各物理量的含義和單位．3．通過閉合電路歐姆定律的理論推導(dǎo)過程，體驗?zāi)芰哭D(zhuǎn)化和守恒定律在電路中的具體應(yīng)用．理解內(nèi)、外電路的能量轉(zhuǎn)化．4．理解內(nèi)、外電路的電勢降落，理解閉合電路的歐姆定律.

一、電動勢1．閉合電路：由導(dǎo)線、電源和用電器連成的電路叫作閉合電路．2．電源(1)非靜電力的作用：把正電荷從負極搬運到正極的過程中，非靜電力在做功，使電荷的電勢能增加．(2)電源概念：電源是通過非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置．3．電動勢(1)物理意義：表征電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能本領(lǐng)的物理量．(2)定義：非靜電力所做的功與所移動的電荷量之比叫作電動勢，用E表示，即E＝eq\f(W,q)．(3)單位：與電勢、電勢差的單位相同，為伏特．(4)大小的決定因素：由電源中非靜電力的特性決定，跟外電路無關(guān)，對于常用的干電池來說，跟電池的體積無關(guān)．二、閉合電路歐姆定律及其能量分析1．閉合電路的組成(1)內(nèi)電路：如圖所示，電源內(nèi)部的電路叫內(nèi)電路，電源的電阻叫內(nèi)電阻．(2)外電路：電源外部的電路叫外電路，外電路的電阻稱為外電阻，在外電路中，沿電流方向電勢降低．2．閉合電路的歐姆定律(1)內(nèi)容：閉合電路的電流跟電源的電動勢成正比，跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比．(2)表達式：I＝eq\f(E,R＋r).(3)表達式也可以寫為：E＝U外＋U內(nèi)，即電源的電動勢等于內(nèi)、外電路電勢降落之和．三、路端電壓與負載的關(guān)系1．路端電壓的表達式：U＝E－Ir．2．路端電壓隨外電阻的變化規(guī)律(1)當外電阻R減小時，由I＝eq\f(E,R＋r)可知電流I增大，路端電壓U＝E－Ir減?。?2)當外電阻R增大時，由I＝eq\f(E,R＋r)可知電流I減小，路端電壓U＝E－Ir增大．(3)兩種特殊情況①斷路：當外電路斷開時，電流I為0，U＝E．即斷路時的路端電壓等于電源電動勢．②短路：當電源兩端短路時，外電阻R＝0，此時I＝eq\f(E,r).思維辨析(1)不同的電源，非靜電力做功的本領(lǐng)不同，因而電源的電動勢不同．()(2)E＝U＋Ir適用于任何電路．()(3)在閉合電路中，外電阻越大，路端電壓越大．()(4)電路斷開時，電路中的電流為零，路端電壓也為零．()(5)外電路短路時，電路中的電流無窮大．()提示：(1)√(2)√(3)√(4)×(5)×深度思考日常生活中我們經(jīng)常接觸到各種各樣的電源，如圖所示的干電池、手機電池，它們有的標有“1.5V”字樣，有的標有“3.7V”字樣．如果把1C的正電荷分別從1.5V和3.7V的干電池的負極移到正極，非靜電力分別做了多少功？提示：根據(jù)電動勢表達式E＝eq\f(W,q)可知W＝qE，所以非靜電力分別做了1.5J和3.7J的功．

對電動勢的理解和應(yīng)用【核心深化】1．電源的電動勢是表征電源把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)大小的物理量，即非靜電力移送相同電荷量的電荷做功越多，則電動勢越大．2．公式E＝eq\f(W,q)是電動勢的定義式而不是決定式，E的大小與W和q無關(guān)，是由電源自身的性質(zhì)決定的，不同種類的電源電動勢大小不同．電源電動勢反映了電源把其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的能力，因此()A．電動勢是一種非靜電力B．電動勢越大，表明電源儲存的電能越多C．電動勢的大小是非靜電力做功能力的反映D．電動勢就是閉合電路中電源兩端的電壓[答案]C一節(jié)干電池的電動勢為1.5V，這表示()A．電池中每通過1C的電荷量，該電池能將1.5J的化學能轉(zhuǎn)變成電勢能B．該電池接入電路工作時，電池兩極間的電壓恒為1.5VC．該電池存儲的電能一定比電動勢為1.2V的電池存儲的電能多D．將1C的電子由該電池負極移送到正極的過程中，非靜電力做了1.5J的功解析：選A.電動勢大小表示電池中通過1C的電荷量，電池將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電勢能的大小，并非表示電池內(nèi)部儲存的能量大小，故A正確，C錯誤；電動勢大小等于電池接入電路前兩極之間的電壓大小，故B錯誤；電動勢為1.5V，表示電池內(nèi)部非靜電力將1C的電子由電源正極移送到負極過程中所做功的大小，故D錯誤．對閉合電路歐姆定律的理解和應(yīng)用問題導(dǎo)引如圖為閉合電路的組成．(1)在外、內(nèi)電路中，沿著電流方向，各點電勢如何變化？(2)若電源電動勢為E，電路中的電流為I，在t時間內(nèi)非靜電力做功多少？內(nèi)、外電路中產(chǎn)生的焦耳熱分別為多少？它們之間有怎樣的關(guān)系？(3)閉合電路的電流I與電動勢E、外電阻R和內(nèi)電阻r的關(guān)系怎樣？[要點提示](1)在外電路中沿電流方向電勢降低；在內(nèi)電路中沿電流方向電勢升高．(2)EItI2rtI2RtEIt＝I2Rt＋I2rt(3)E＝IR＋Ir或I＝eq\f(E,R＋r)【核心深化】1．內(nèi)、外電路中的電勢變化如圖所示，外電路中電流由電源正極流向負極，沿電流方向電勢降低，內(nèi)電路中電流由電源負極流向正極，沿電流方向電勢升高．2．閉合電路歐姆定律的幾種表達形式(1)I＝eq\f(E,R＋r)、E＝IR＋Ir只適用于外電阻為純電阻的閉合電路．(2)U外＝E－Ir，E＝U外＋U內(nèi)適用于任意的閉合電路．(2020·山東聊城期末)如圖所示的電路中，當開關(guān)S接a點時，標有“4V8W”的小燈泡L正常發(fā)光，當開關(guān)S接b點時，通過電阻R的電流為1A，這時電阻R兩端的電壓為5V．求：(1)電阻R的阻值；(2)電源的電動勢和內(nèi)阻．[解析](1)當開關(guān)S接b點時，由歐姆定律得，電阻R的阻值為R＝eq\f(U,I)＝eq\f(5,1)Ω＝5Ω.(2)當開關(guān)S接a時，U1＝4V，I1＝eq\f(P1,U1)＝eq\f(8,4)A＝2A當開關(guān)S接b時，U2＝5V，I2＝1A根據(jù)閉合電路歐姆定律得：E＝U1＋I1r，E＝U2＋I2r聯(lián)立得：E＝6V，r＝1Ω.[答案](1)5Ω(2)6V1Ωeq\a\vs4\al()閉合電路問題的求解方法(1)分析電路特點：認清各元件之間的串、并聯(lián)關(guān)系，特別要注意電壓表測量哪一部分的電壓，電流表測量哪個用電器的電流．(2)求干路中的電流：若各電阻阻值和電動勢都已知，可用閉合電路的歐姆定律直接求出，也可以利用各支路的電流之和來求．(3)應(yīng)用閉合電路的歐姆定律解決問題時，應(yīng)根據(jù)部分電路的歐姆定律和電路的串、并聯(lián)特點求出部分電路的電壓和電流．在如圖所示的電路中，R1＝9Ω，R2＝5Ω，當a、b兩點間接理想的電流表時，其讀數(shù)為0.5A；當a、b兩點間接理想的電壓表時，其讀數(shù)為1.8V．求電源的電動勢和內(nèi)電阻．解析：當a、b兩點間接理想的電流表時，R1被短路，回路中的電流I1＝0.5A，由閉合電路歐姆定律得：E＝I1(R2＋r)①當a、b兩點間接理想的電壓表時，回路中的電流I2＝eq\f(U,R1)＝eq\f(1.8,9)A＝0.2A由閉合電路歐姆定律得：E＝I2(R2＋R1＋r)②聯(lián)立①②并代入數(shù)據(jù)，解得：E＝3V，r＝1Ω.答案：3V1Ω路端電壓與負載的關(guān)系問題導(dǎo)引1．在如圖所示的電路中，電源的電動勢E＝10V，內(nèi)電阻r＝1Ω，試求當外電阻分別是3Ω、4Ω、9Ω時所對應(yīng)的路端電壓．通過數(shù)據(jù)計算，你發(fā)現(xiàn)了怎樣的規(guī)律？2．根據(jù)閉合電路歐姆定律寫出路端電壓U與干路電流I之間的關(guān)系式，并畫出U－I圖像．[要點提示]1.外電壓分別為7.5V、8V、9V．隨著外電阻的增大，路端電壓逐漸增大．2．由E＝U＋U內(nèi)及U內(nèi)＝Ir得U＝E－Ir，U－I圖像如圖所示．【核心深化】1．路端電壓與負載的關(guān)系：U＝E－U內(nèi)＝E－eq\f(E,R＋r)r，隨著外電阻增大，路端電壓增大；當外電路開路時(外電阻無窮大)，路端電壓U＝E；這也提供了一種粗測電動勢的方法，即用電壓表直接接在電源兩端測電源電動勢．2．路端電壓與電流的關(guān)系：U＝E－Ir.3．電源的U－I圖像：如圖所示是一條傾斜的直線，圖像中U軸截距E表示電源電動勢，I軸截距I0等于短路電流(縱、橫坐標都從零開始)，斜率的絕對值表示電源的內(nèi)阻．關(guān)鍵能力1路端電壓與負載的變化關(guān)系電源電動勢為E，內(nèi)阻為r，向可變電阻R供電．關(guān)于路端電壓，下列說法正確的是()A．因為電源電動勢不變，所以路端電壓也不變B．因為U＝IR，所以當R增大時，路端電壓也增大C．因為U＝IR，所以當I增大時，路端電壓也增大D．因為U＝E－Ir，所以當I增大時，路端電壓減小[解析]此電路為閉合電路，應(yīng)使用閉合電路歐姆定律分析，不能使用部分電路歐姆定律分析．根據(jù)U＝E－Ir可知，當I增大時，內(nèi)電壓Ir增大，路端電壓減小，所以A、B、C錯誤，D正確．[答案]D關(guān)鍵能力2對電源U－I圖像的分析(多選)如圖所示為某一電源的U－I圖像，由圖可知()A．電源電動勢為2VB．電源內(nèi)阻為eq\f(1,3)ΩC．電源短路時電流為6AD．電路路端電壓為1V時，電路中電流為5A[思路點撥]在U－I圖像中：縱坐標的截距表示電動勢，橫坐標的截距表示短路電流，斜率的絕對值表示內(nèi)阻．[解析]由閉合電路歐姆定律U＝E－Ir得知，當I＝0時，U＝E，由圖讀出電源的電動勢E＝2V，故A正確．電源的內(nèi)阻等于圖線斜率的絕對值，為r＝eq\b\lc\|\rc\|(\a\vs4\al\co1(\f(ΔU,ΔI)))＝eq\f(2－0.8,6)Ω＝0.2Ω，故B錯誤．電源短路時R＝0，電流I短＝eq\f(E,r)＝eq\f(2,0.2)A＝10A，故C錯誤．當路端電壓U＝1V時，由E＝U＋Ir可得，I＝eq\f(E－U,r)＝eq\f(2－1,0.2)A＝5A，故D正確．[答案]AD【針對訓練】1．如圖所示，電源的內(nèi)阻不能忽略，當電路中點亮的電燈的數(shù)目增多時，下面說法正確的是()A．外電路的總電阻逐漸變大，電燈兩端的電壓逐漸變小B．外電路的總電阻逐漸變大，電燈兩端的電壓不變C．外電路的總電阻逐漸變小，電燈兩端的電壓不變D．外電路的總電阻逐漸變小，電燈兩端的電壓逐漸變小解析：選D.由題圖可知，電燈均為并聯(lián)；當點亮的電燈數(shù)目增多時，并聯(lián)的支路增多，由并聯(lián)電路的電阻規(guī)律可知，外電路總電阻減小，由閉合電路歐姆定律知，干路電流增大，則內(nèi)電壓增大，故路端電壓減小，電燈兩端的電壓變小，故D正確．2．(多選)(2020·成都校級檢測)A、B兩電源分別供電時其路端電壓與電流的關(guān)系圖線如圖所示，則下述正確的是()A．電源電動勢EA＝EBB．電源內(nèi)阻rA＝rBC．電源A的短路電流為0.2AD．電源B的短路電流為0.3A解析：選BD.由閉合電路歐姆定律得U＝E－Ir，當I＝0時，U＝E，U－I圖線的斜率的絕對值的大小等于電源內(nèi)阻大?。深}圖看出，A的電動勢為2V，B的電動勢為1.5V，即有電源電動勢EA＞EB，故A錯誤．兩圖線平行，說明電源的內(nèi)阻相等，即rA＝rB，故B正確．電源A的短路電流為IA＝eq\f(EA,rA)＝eq\f(2,\f(2－1,0.2))A＝0.4A，故C錯誤．電源B的短路電流為IB＝eq\f(EB,rB)＝eq\f(1.5,\f(1.5－1,0.1))A＝0.3A，故D正確．1．(電動勢)(2020·河北故城高二檢測)第56屆日本電池大會上華為發(fā)布了5分鐘即可充滿3000mAh電池50%電荷量的快充技術(shù)成果，引起業(yè)界廣泛關(guān)注．如圖是華為某智能手機電池上的信息，支持低壓大電流充電，則()A．4.35V表示該電池的電動勢B．11.4Wh表示該電池能提供的電荷量C．3000mAh表示該電池能提供的電能D．該電池充滿電后以100mA的電流工作時，可連續(xù)工作30h解析：選D.4.35V為充電電壓，不是該電池的電動勢，故A錯誤；11.4Wh為電池的充電電能，不是該電池能提供的電荷量，故B錯誤；mAh為電荷量的單位，所以3000mAh表示該電池能提供的電荷量，故C錯誤；該電池充滿電后以100mA的電流工作時，可連續(xù)工作：t＝eq\f(3000mAh,100mA)＝30h，故D正確．2．(閉合電路歐姆定律)如圖所示的電路中，把R由2Ω改變?yōu)?Ω時，電流減小為原來的一半，則電源的內(nèi)電阻應(yīng)為()A．4Ω B．8ΩC．6Ω D．2Ω解析：選D.根據(jù)閉合電路歐姆定律E＝I(R＋r)，當R＝2Ω時，E＝I(2Ω＋r)；當R＝6Ω時，E＝eq\f(I,2)(6Ω＋r)，解得r＝2Ω，故D正確．3．(電源的U－I圖像)(多選)如圖所示為兩個獨立電路A和B的路端電壓與其總電流I的關(guān)系圖線，則()A．路端電壓都為U1時，它們的外電阻相等B．電流都是I1時，兩電源內(nèi)電壓相等C．電路A的電源電動勢大于電路B的電源電動勢D．A中電源的內(nèi)阻大于B中電源的內(nèi)阻解析：選ACD.在路端電壓與總電流的關(guān)系圖線(U－I)中，圖線在U軸上的截距表示電動勢E，圖線斜率的絕對值表示電源的內(nèi)阻，可見EA>EB，rA>rB.圖中兩直線的交點坐標為(I1，U1)，由R＝eq\f(U,I)可知，路端電壓都為U1時，它們的外電阻相等．由U′＝Ir可知，電流都是I1時，因r不相等，故兩電源內(nèi)電壓不相等．所以選項A、C、D正確．4．(閉合電路歐姆定律的應(yīng)用)“神舟九號”與“天宮一號”的成功對接，使中國空間站建設(shè)邁出了堅實的一步．飛行器在太空飛行，主要靠太陽能電池提供能量．有一太陽能電池板，測得它的開路電壓為800mV，短路電流為40mA.若將該電池板與一阻值為20Ω的電阻連成一閉合電路，則它的路端電壓是()A．0.1V B．0.2VC．0.3V D．0.4V解析：選D.電池沒有接入外電路時，路端電壓等于電池電動勢，所以電動勢E＝800mV，由閉合電路歐姆定律得短路電流I短＝eq\f(E,r)，所以電池內(nèi)阻r＝eq\f(E,I短)＝eq\f(800×10－3,40×10－3)Ω＝20Ω，該電池與20Ω的電阻連成閉合電路時，電路中電流I＝eq\f(E,R＋r)＝eq\f(800,20＋20)mA＝20mA，所以路端電壓U＝IR＝400mV＝0.4V，D正確．(建議用時：30分鐘)【合格考練】1．(多選)關(guān)于電源與電路，下列說法正確的是()A．外電路中電流由電源正極流向負極，內(nèi)電路中電流也由電源正極流向負極B．外電路中電流由電源正極流向負極，內(nèi)電路中電流由電源負極流向正極C．外電路中電場力對電荷做正功，內(nèi)電路中電場力對電荷也做正功D．外電路中電場力對電荷做正功，內(nèi)電路中非靜電力對電荷做正功解析：選BD.電路中電流是由正電荷的定向移動形成的，外電路中，正電荷在導(dǎo)線中電場的作用下，從高電勢端向低電勢端運動，即從電源正極向電源負極運動，此過程電場力對電荷做正功．根據(jù)穩(wěn)定電流的閉合性和電荷守恒定律，在內(nèi)電路中，正電荷只能從電源負極向正極運動，即電流從電源負極流向正極，此過程中，電荷運動方向與電場力的方向相反，電場力對電荷做負功．要使正電荷從電源負極移向電源正極，必須有除電場力以外的非靜電力做功，使其他形式的能轉(zhuǎn)化為電荷的電勢能，所以B、D正確．2．(多選)對于電動勢的定義式E＝eq\f(W,q)的理解，正確的是()A．E與W成正比 B．E與q成反比C．E的大小與W、q無關(guān) D．W表示非靜電力做的功解析：選CD.電動勢的定義式E＝eq\f(W,q)中，E與W、q無關(guān)，E反映的是電源的屬性，由電源內(nèi)部非靜電力的特性決定，W為非靜電力做的功，故A、B錯誤，C、D正確．3．(2020·山東鄒平高二檢測)有關(guān)電動勢的說法中不正確的是()A．電源的電動勢在數(shù)值上等于非靜電力把1C的正電荷在電源內(nèi)從負極移送到正極所做的功B．當外電路斷開時，電源的電壓與電源電動勢相等C．電源提供的電能越多，電源的電動勢越大D．當電路中通過1C電荷量時，電源便將EJ其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能解析：選C.根據(jù)電動勢的定義式E＝eq\f(W,q)可知，電源的電動勢等于非靜電力把1C的正電荷在電源內(nèi)從負極移送到正極所做的功，A正確；由閉合電路歐姆定律可知，電動勢等于內(nèi)、外電路電勢降落之和，當外電路斷開時，電源的電壓與電源電動勢相等，B正確；電源提供的電能取決于做功時間與輸出功率的乘積，不能說明電動勢大，C錯誤；根據(jù)電動勢的定義式E＝eq\f(W,q)可知，當電路中通過1C電荷量時，電源消耗的其他形式的能的數(shù)值等于電源電動勢的值，D正確．4．(2020·西安東儀中學期末)在如圖所示的電路中，電源的內(nèi)電阻為1Ω，外電路電阻為9Ω，閉合開關(guān)后，電流表的示數(shù)為0.3A，電流表的內(nèi)阻不計．電源的電動勢E等于()A．1V B．2VC．3V D．5V解析：選C.根據(jù)閉合電路歐姆定律得電源的電動勢為E＝I(R＋r)＝0.3×(9＋1)V＝3V，故C正確．5．(多選)如圖所示電路中，電源電動勢E＝9V、內(nèi)阻r＝3Ω，R＝15Ω，下列說法中正確的是()A．當S斷開時，UAC＝9VB．當S閉合時，UAC＝9VC．當S閉合時，UAB＝7.5V，UBC＝0D．當S斷開時，UAB＝0，UBC＝0解析：選AC.當S斷開時，UAC與UBC都等于電源電動勢，A正確，D錯誤；當S閉合時，UAC＝UAB＝eq\f(E,R＋r)R＝7.5V，UBC＝0，B錯誤，C正確．6．(2020·江蘇連云港高二期中)如圖所示，把兩個電源的U－I關(guān)系曲線取相同的坐標，畫在同一坐標系中，由圖像可得出的正確結(jié)論是()A．E1＝E2，內(nèi)電阻r1>r2B．E1＝E2，發(fā)生短路時I1>I2C．E1<E2，內(nèi)電阻r1>r2D．E1<E2，發(fā)生短路時I1>I2解析：選B.根據(jù)閉合電路的歐姆定律可得：U＝E－Ir，電源的U－I關(guān)系曲線的縱截距表示電動勢，則E1＝E2；電源的U－I關(guān)系曲線的斜率絕對值表示電源的內(nèi)阻，則r1<r2；電源的短路電流I短＝eq\f(E,r)，則發(fā)生短路時I1>I2，故B正確．7．如圖所示，當開關(guān)S斷開時，電壓表示數(shù)為3V，當開關(guān)S閉合時，電壓表示數(shù)為1.8V，則外電阻R與電源內(nèi)阻r之比為()A．5∶3 B．3∶5C．2∶3 D．3∶2解析：選D.S斷開時，電壓表的示數(shù)等于電源的電動勢，即E＝3V．S閉合時，U外＝1.8V，所以U內(nèi)＝E－U外＝1.2V．因U外＝IR，U內(nèi)＝Ir，所以R∶r＝U外∶U內(nèi)＝1.8∶1.2＝3∶2.8．有兩個相同的電阻R，串聯(lián)起來接在電動勢為E的電源上，電路中的電流為I；將它們并聯(lián)起來接在同一電源上，此時流過電源的電流為eq\f(4I,3)，則電源的內(nèi)阻為()A．RB.eq\f(R,2)C．4RD.eq\f(R,8)解析：選C.由串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的特點及閉合電路的歐姆定律得E＝I(2R＋r)，E＝eq\f(4,3)Ieq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(R,2)＋r))，由以上兩式可得r＝4R.9．電路圖如圖甲所示，圖乙中圖線是電路中的電源的路端電壓隨電流變化的關(guān)系圖像，滑動變阻器的最大阻值為15Ω，定值電阻R0＝3Ω.(1)當R為何值時，R0消耗的功率最大？最大值為多少？(2)當R為何值時，電源的輸出功率最大？最大值為多少？解析：(1)由題圖乙知電源的電動勢和內(nèi)阻為：E＝20V，r＝eq\f(20－5,2)＝7.5Ω由題圖甲分析知道，當R＝0時，R0消耗的功率最大，最大值Pmax′＝(eq\f(E,R0＋r))2R0＝(eq\f(20,3＋7.5))2×3W≈10.9W.(2)當r＝R＋R0，即R＝4.5Ω時，電源的輸出功率最大，最大值為Pmax″Pmax″＝(eq\f(E,R0＋R＋r))2r＝(eq\f(20,3＋4.5＋7.5))2×7.5W≈13.3W.答案：(1)010.9W(2)4.5Ω13.3W【等級考練】10．如圖所示，電阻R1、R2、R3的阻值相等，電池的內(nèi)阻不計，開關(guān)S接通后流過R2的電流是S接通前的()A.eq\f(1,2) B.eq\f(2,3)C.eq\f(1,3) D.eq\f(1,4)解析：選B.設(shè)電源電動勢為E，R1＝R2＝R3＝R，則S接通時，I2＝eq\f(E,R＋\f(R,2))×eq\f(1,2)＝eq\f(E,3R)，S斷開時，I2′＝eq\f(E,2R)，所以eq\f(I2,I2′)＝eq\f(2,3)，故B正確．11．(2020·湖北部分重點中學聯(lián)考)硅光電池是