新教材粵教版高中物理學案第4章閉合電路章末綜合提升

[鞏固層·知識整合][提升層·能力強化]閉合電路的動態(tài)問題分析1.特點電路中局部的變化會引起整個電路電阻、電流、電壓、電功率的變化，牽一“發(fā)”而動全局。2．基本方法(1)分析電路，弄清電路的串、并聯(lián)關系，各電表所測的對象，明確變阻器阻值的變化情況。(2)先整體，后局部，注意內外電路的聯(lián)系。首先判斷外電阻R的變化情況，再根據閉合電路歐姆定律I＝eq\f(E,R＋r)判斷干路電流的變化，進而明確路端電壓的變化情況。(3)分清變和不變的量及它們之間的關系，先研究不變的量，再研究變化的量的變化情況。3．分析步驟(1)確定電路的外電阻R外如何變化。(2)根據閉合電路歐姆定律I＝eq\f(E,R外總＋r)確定電路的總電流如何變化。(3)由U外＝E－Ir，確定電源的外電壓(路端電壓)如何變化。(4)由部分電路歐姆定律，確定干路上某定值電阻兩端的電壓如何變化。(5)確定支路電壓及通過各支路的電流如何變化?！纠?】在如圖所示的電路中，R1、R2、R3和R4皆為定值電阻，R5為可變電阻，電源的電動勢為E，內阻為r，設電流表A1的讀數(shù)為I1，電流表A2的讀數(shù)為I2，電壓表V1的示數(shù)為U1，電壓表V2的讀數(shù)為U2，當R5的滑片向a端移動過程中，電流表A1的讀數(shù)變化量大小為ΔI1，電流表A2的讀數(shù)變化量大小ΔI2，電壓表V1的讀數(shù)變化量大小為ΔU1，電壓表V2的讀數(shù)變化量大小為ΔU2，則()A．I1變大，ΔU1>ΔU2，eq\f(ΔU1,ΔI1)不變B．I1變大，ΔU1<ΔU2，eq\f(ΔU1,ΔI1)變小C．I1變小，I2變小，eq\f(ΔU2,ΔI2)變小D．U1變小，U2變小，eq\f(ΔU2,ΔI2)不變D[當R5的滑片向圖中a端移動時，R5變小，外電路總電阻變小，由閉合電路歐姆定律知，總電流I1變大，路端電壓變小，U1變小。根據閉合電路歐姆定律知U2＝E－I1(r＋R1＋R3)，I1增大，則U2變小，因此I2變??；而U1變小、U2變小、R1＋R3的總電壓增大，則知ΔU1<ΔU2。由閉合電路歐姆定律知：U1＝E－Ir，則eq\f(ΔU1,ΔI1)＝r，不變。故A、B錯誤；同理，eq\f(ΔU2,ΔI2)等于電阻R2與電阻R4之和，可知eq\f(ΔU2,ΔI2)不變，故C錯誤，D正確。][一語通關]解答本題的關鍵是清楚eq\f(ΔU1,ΔI1)、eq\f(ΔU2,ΔI1)、eq\f(ΔU2,ΔI2)的物理含義：＝r，＝r＋R1＋R3，而eq\f(ΔU2,ΔI2)＝R2＋R4。含有電容器的直流電路的分析與計算1.電容器在直流電路中的特點在直流電路中，當電容器充、放電時，電路里有充、放電電流，一旦電路達到穩(wěn)定狀態(tài)，電容器在電路中就相當于一個阻值無窮大(在電容器理想、不漏電的情況下)的元件，有電容器的電路可看作是斷路，簡化電路時可去掉它。簡化后若要求電容器所帶的電荷量時，可在相應的位置補上。2．靜態(tài)分析與動態(tài)分析(1)靜態(tài)分析：穩(wěn)定狀態(tài)下，電容器在直流電路中起阻斷電流的作用，電容器兩極間存在電勢差，電容器容納一定的電荷量，并滿足Q＝CU。(2)動態(tài)分析：當直流電路中的電流和電勢分布發(fā)生變化影響到電容器支路兩端時，電容器帶的電荷量將隨之改變(在耐壓范圍內)，即電容器發(fā)生充、放電現(xiàn)象，并滿足ΔQ＝CΔU。3．含有電容器電路的解題步驟在直流電路中，電容器相當于電阻為無窮大的電路元件，此電路是斷路。解題步驟如下：(1)先將含電容器的支路去掉(包括與它串聯(lián)在同一支路上的電阻)，計算各部分的電流、電壓值。(2)電容器兩極板的電壓等于它所在支路兩端點間的電壓。(3)利用Q＝CU、ΔQ＝CΔU可以求出電容器所帶的電荷量或電荷量的變化量。(4)通過電容器的電壓和平行板間距離可以求出兩板間的電場強度，再分析電場中帶電粒子的運動?！纠?】如圖所示的電路中，電源電動勢E＝3V，內阻r＝2Ω，定值電阻R1＝1Ω，變阻器M的最大電阻R2＝5Ω，變阻器N的最大電阻R3＝9Ω，電容器的電容C＝1μF。(1)閉合開關S，調節(jié)變阻器M、N的阻值，電流表的最小示數(shù)為多少？(2)閉合開關S，調節(jié)變阻器M、N的阻值，當電流表示數(shù)為0.3A時，再斷開開關S，則流過電流表的電量為多少？[解析](1)閉合開關S，調節(jié)變阻器N的阻值為最大時，電流表的示數(shù)最小。根據閉合電路歐姆定律得電流的最小值I＝eq\f(E,R3＋R1＋r)＝eq\f(3,9＋1＋2)A＝0.25A(與R2大小無關)。(2)由I′＝eq\f(E,r＋R1＋R3″)，得R3″＝7Ω，電容器的帶電量Q＝CU＝CI′R3″＝2.1×10－6C，則再斷開開關S，流過電流表的電量是2.1×10－6C。[答案](1)0.25A(2)2.1×10－6[一語通關]電容器的帶電量多少及電容器放電時放出的電量多少與含電容器支路串聯(lián)的電阻值大小無關。電阻的測量測電阻的方法較多，下面是?？疾榈膸追N方法。1．多用電表法(粗測)選用多用電表的歐姆擋直接測量即可。2．伏安法特點：大內偏大，小外偏小(內接法測量值偏大，測大電阻時應用內接法測量)。3．替代法利用“替代法”測量電阻的電路圖如圖所示。圖中R1為滑動變阻器，R2為電阻箱，Rx為待測電阻，A為電流表，利用該電路，經過如下步驟可以測得待測電阻Rx的阻值：(1)閉合S1和S3，斷開S2，調節(jié)R1的阻值，使電流表讀數(shù)等于某個數(shù)值I0；(2)閉合S1和S2，斷開S3，保持R1不變，調節(jié)R2，使電流表讀數(shù)等于I0，然后讀出R2的值，則待測電阻Rx＝R2。4．安安法若電流表內阻已知，則可將其當作電流表、電壓表以及定值電阻來使用。(1)如圖甲所示，當兩電表所能測得的最大電壓接近時，如果已知A1的內阻R1，則可測得A2的內阻R2＝eq\f(I1R1,I2)。(2)如圖乙所示，當兩電表的滿偏電壓UA2?UA1時，A1串聯(lián)一定值電阻R0后，同樣可測得A2的內阻R2＝eq\f(I1R1＋R0,I2)。甲乙5．伏伏法若電壓表內阻已知，則可將其當作電流表、電壓表和定值電阻來使用。(1)如圖甲所示，兩電表的滿偏電流接近時，若已知V1的內阻R1，則可測出V2的內阻R2＝eq\f(U2,U1)R1。(2)如圖乙所示，兩電表的滿偏電流IV1?IV2時，V1并聯(lián)一定值電阻R0后，同樣可得V2的內阻R2＝eq\f(U2,\f(U1,R1)＋\f(U1,R0))。甲乙6．串并聯(lián)關系測電阻如圖所示，讀得電阻箱R1的阻值及A1表、A2表的示數(shù)I1、I2，可得Rx＝eq\f(I2R1,I1)。如果考慮電表內阻的影響，則I1(Rx＋RA1)＝I2(R1＋RA2)。7．半偏法測電流表內阻電路圖如圖所示步驟：(1)斷開S2，閉合S1，調節(jié)R0，使A表滿偏為I0；(2)保持R0不變，閉合S2，調節(jié)R，使A表讀數(shù)為eq\f(I0,2)；(3)由上可得RA＝R。【例3】電壓表滿偏時通過該表的電流是半偏時通過該表電流的兩倍。某同學利用這一事實測量電壓表的內阻(半偏法)，實驗室提供的器材如下：待測電壓表V(量程3V，內阻約為3000Ω)，電阻箱R0(最大阻值為99999.9Ω)，滑動變阻器R1(最大阻值100Ω，額定電流2A)，電源E(電動勢6V，內阻不計)，開關兩個，導線若干。(1)虛線框內為該同學設計的測量電壓表內阻的電路圖的一部分，將電路圖補充完整。(2)根據設計的電路，寫出實驗步驟：。(3)將這種方法測出的電壓表內阻記為RV′，與電壓表內阻的真實值RV相比，RV′RV(選填“>”“＝”或“<”)，主要理由是。[解析](1)因滑動變阻器阻值較小，所以選擇滑動變阻器的分壓接法。實驗電路圖如圖所示。(2)移動滑動變阻器的滑片，以保證通電后電壓表所在支路分壓最?。婚]合開關S1、S2，調節(jié)R1，使電壓表的指針滿偏；保持滑動變阻器滑片的位置不變，斷開S2，調節(jié)電阻箱R0，使電壓表的指針半偏；讀取電阻箱所示的電阻值，此即為測得的電壓表內阻。(3)斷開S2，調節(jié)電阻箱使電壓表成半偏狀態(tài)，電壓表所在支路總電阻增大，分得的電壓也增大；此時R0兩端的電壓大于電壓表的半偏電壓，故RV′＞RV(其他合理說法也可以)。[答案](1)(2)移動滑動變阻器的滑片，以保證通電后電壓表所在支路分壓最??；閉合開關S1、S2，調節(jié)R1，使電壓表的指針滿偏；保持滑動變阻器滑片的位置不變，斷開S2，調節(jié)電阻箱R0，使電壓表的指針半偏；讀取電阻箱所示的電阻值，此即為測得的電壓表內阻(3)＞斷開S2，調節(jié)電阻箱使電壓表成半偏狀態(tài)，電壓表所在支路總電阻增大，分得的電壓也增大[一語通關]實際的電流表和電壓表都是有內阻的，電表內阻測定與定值電阻的測定相比有一個很大的區(qū)別，就是被測定的電表能夠讀出自身的電壓或電流：電壓表是能讀出自身電壓的電阻；電流表是能讀出自身電流的電阻。另外，只要知道電表的內阻，電壓表和電流表都具有測電流和測電壓的“雙重功能”，因電表內阻的測量涉及了電表的非常規(guī)接法，所用知識涉及電表的改裝、部分電路的歐姆定律和閉合電路的歐姆定律。分析閉合電路中的圖像問題圖像既能反映物理量之間的規(guī)律關系，又是分析和解決物理問題的一種工具，因此我們把物理量間的關系或物理過程繪制成圖像，既可以幫助分析推理，又可根據圖像直接求解。直流電路中各物理量間的變化關系大都可以用有關圖像表示。只要明確各種圖像中點、線、面積、斜率及截距等各物理量的含義并正確使用圖像，直流電路問題的求解就會既快捷正確又方便靈活。直流電路中常見的圖像有類型表達式圖像物理意義I-R圖像I＝eq\f(E,R＋r)縱截距為短路電流，I隨R增大而減小U圖像U＝eq\f(ER,R＋r)＝eq\f(E,1＋\f(r,R))U隨R的增大而增大，但為非線性關系U-I圖像U＝E－Ir縱軸截距為E，橫軸截距為I短，斜率的絕對值等于rη-R圖像η＝eq\f(R,R＋r)＝eq\f(1,1＋\f(r,R))電源的效率隨外電路電阻的增大而增大eq\f(1,I)-R圖像eq\f(1,I)＝eq\f(1,E)·R＋eq\f(r,E)圖象的斜率表示eq\f(1,E)，縱截距為eq\f(r,E)，橫截距為－req\f(1,U)-eq\f(1,R)圖像eq\f(1,U)＝eq\f(r,E)·eq\f(1,R)＋eq\f(1,E)圖像的縱截距為eq\f(1,E)，斜率為eq\f(r,E)，橫截距為－eq\f(1,r)【例4】(多選)在電學探究實驗課中，某組同學在實驗室利用如圖甲所示的電路圖連接好電路，并用于測定定值電阻R0、電源的電動勢E和內電阻r。調節(jié)滑動變阻器的滑動觸頭P向某一方向移動時，一個同學記錄了電流表A和電壓表V1的測量數(shù)據，另一同學記錄的是電流表A和電壓表V2的測量數(shù)據。根據所得數(shù)據描繪了如圖乙所示的兩條U-I直線。則有()甲乙A．圖像中的圖線b是電壓表V1的測量值所對應的圖線B．由圖像可以得出電源電動勢和內阻分別是E＝1.50V，r＝1.0ΩC．圖像中兩直線的交點表示定值電阻R0上消耗的功率為0.75WD．由圖像中兩直線的交點可知此時對應的滑動變阻器電阻R＝0BD[圖線a是由路端電壓與干路電流的數(shù)據所描繪的，圖線b是R0的U-I圖線且U2＝IR0，所以A錯誤；由a圖線得，電源內阻r＝1.0Ω，電源電動勢E＝1.50V，B正確；由b圖線可求出定值電阻R0＝2.0Ω，圖象中兩直線的交點表示此時電路中的電流為0.5A，電壓表V1的示數(shù)U1＝1.0V，電壓表V2的示數(shù)U2＝1.0V，此時R0上消耗的功率P0＝IU2＝0.5W，所以C錯誤；把E＝1.50V，r＝1.0Ω，I＝0.5A代入閉合電路歐姆定律公式E＝I(R外＋r)可得R外＝2.0Ω，由上述可知此時R0＝2.0Ω，所以此時滑動變阻器電阻R＝0，D正確。][一語通關]V1測電源的路端電壓，V2測量R0兩端的電壓；則兩條U-I圖像表示的意義不同，根據圖像的意義可知交點的意義，并求出電源的輸出功率及定值電阻R0上消耗的功率。[培養(yǎng)層·素養(yǎng)升華]一個電路搶修的小故事2017年6月4日凌晨3點，某高校故障就是命令！凌晨3點，工作人員冒雨趕往故障現(xiàn)場。經檢查，是南校區(qū)一處交接箱空開跳閘造成以上四棟樓斷電。工作人員立即合閘送電，但恢復供電不到4個小時又跳閘斷電。怎么辦？問題到底出哪了？維修人員開始對各供電線路逐一排查，最終發(fā)現(xiàn)故障點在9號樓電力交接箱近旁一米處，此處電纜因曾被挖傷，逢雨天接地短路導致斷電。查明原因后，立即開始搶修。正值大雨傾盆，楊凌氣溫14度，狂風陣陣來襲，天氣狀況糟糕，極不利于搶修工作開展。但師生用電刻不容緩！為盡快恢復供電，動力服務中心工作人員風雨無阻，與時間賽跑，用嫻熟的維修技巧、濕透的衣背、泥巴滿裹的鞋子、瑟瑟發(fā)抖的身體展現(xiàn)了一幅感人的搶修畫面。天微亮，維修人員一邊與學生社區(qū)協(xié)調停止空調等負荷，搬移、清理維修區(qū)域的車輛等障礙物；一邊準備材料和工具，著手開挖溝道。為應對強降雨天氣，確保搶修安全，防止地溝開挖后電纜線進水，工作人員現(xiàn)場搭建了臨時帳篷。因作業(yè)時風大雨大，一直往地溝刮雨，為避免維修人員手上沾水發(fā)生不安全事故，大家密切配合，一人蹲在泥水地溝里維修，一人專門站在旁邊擰干毛巾讓維修員擦手。為保持工作人員體力，大家輪番作戰(zhàn)。在大雨中搶修電纜，工作人員面臨著難以想象的困難，帳篷積水多會塌下來，時不時給維修人員澆一身水。雨中作業(yè)時，幾乎每個人的鞋子都在雨水中浸泡著，渾身濕透。開挖地溝時，水泥層又厚又堅固，且電纜在樹坑下，又增加了作業(yè)的難度，但工作人員不怕苦、不怕累、不怕臟，齊心協(xié)力，連續(xù)奮戰(zhàn)8小時，順利完成了搶修任務，恢復了正常用電。[設問探究]1．常見有的電路故障現(xiàn)象有哪些？2．檢查電路故障的方法有哪些？3．家庭用電線路采用什么方法來檢測？提示：1．斷路：是指電路兩點間(或用電器兩端)的電阻無窮大，此時無電流通過，若電源正常時，即用電壓表兩端并聯(lián)在這段電路(或用電器)上，指針發(fā)生偏轉，則該段電路斷路，如電路中只有該一處斷路，整個電路的電勢差全部降落在該處，其他各處均無電壓降落(即電壓表不偏轉)。短路：是指電路兩點間(或用電器兩端)的電阻趨于零，此時電路兩點間無電壓降落，用電器實際功率為零(即用電器不工作或燈不亮，但電源易被燒壞)2．電壓表檢查法：當電路中接有電源時，可以用電壓表測量各部分