新教材粵教版高中物理學(xué)案第4章閉合電路章末綜合提升

[鞏固層·知識(shí)整合][提升層·能力強(qiáng)化]閉合電路的動(dòng)態(tài)問(wèn)題分析1.特點(diǎn)電路中局部的變化會(huì)引起整個(gè)電路電阻、電流、電壓、電功率的變化，牽一“發(fā)”而動(dòng)全局。2．基本方法(1)分析電路，弄清電路的串、并聯(lián)關(guān)系，各電表所測(cè)的對(duì)象，明確變阻器阻值的變化情況。(2)先整體，后局部，注意內(nèi)外電路的聯(lián)系。首先判斷外電阻R的變化情況，再根據(jù)閉合電路歐姆定律I＝eq\f(E,R＋r)判斷干路電流的變化，進(jìn)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(guān)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(jù)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(guò)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(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，設(shè)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(dāng)R5的滑片向a端移動(dòng)過(guò)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(dāng)R5的滑片向圖中a端移動(dòng)時(shí)，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(jù)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?。欢鳸1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(cuò)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(cuò)誤，D正確。][一語(yǔ)通關(guān)]解答本題的關(guān)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(jì)算1.電容器在直流電路中的特點(diǎn)在直流電路中，當(dāng)電容器充、放電時(shí)，電路里有充、放電電流，一旦電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，電容器在電路中就相當(dāng)于一個(gè)阻值無(wú)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(jiǎn)化電路時(shí)可去掉它。簡(jiǎn)化后若要求電容器所帶的電荷量時(shí)，可在相應(yīng)的位置補(bǔ)上。2．靜態(tài)分析與動(dòng)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(shì)差，電容器容納一定的電荷量，并滿足Q＝CU。(2)動(dòng)態(tài)分析：當(dāng)直流電路中的電流和電勢(shì)分布發(fā)生變化影響到電容器支路兩端時(shí)，電容器帶的電荷量將隨之改變(在耐壓范圍內(nèi))，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(dāng)于電阻為無(wú)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(jì)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(diǎn)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(guò)電容器的電壓和平行板間距離可以求出兩板間的電場(chǎng)強(qiáng)度，再分析電場(chǎng)中帶電粒子的運(yùn)動(dòng)?！纠?】如圖所示的電路中，電源電動(dòng)勢(shì)E＝3V，內(nèi)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(kāi)關(guān)S，調(diào)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(kāi)關(guān)S，調(diào)節(jié)變阻器M、N的阻值，當(dāng)電流表示數(shù)為0.3A時(shí)，再斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S，則流過(guò)電流表的電量為多少？[解析](1)閉合開(kāi)關(guān)S，調(diào)節(jié)變阻器N的阻值為最大時(shí)，電流表的示數(shù)最小。根據(jù)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(wú)關(guān))。(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(kāi)開(kāi)關(guān)S，流過(guò)電流表的電量是2.1×10－6C。[答案](1)0.25A(2)2.1×10－6[一語(yǔ)通關(guān)]電容器的帶電量多少及電容器放電時(shí)放出的電量多少與含電容器支路串聯(lián)的電阻值大小無(wú)關(guān)。電阻的測(cè)量測(cè)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(cè))選用多用電表的歐姆擋直接測(cè)量即可。2．伏安法特點(diǎn)：大內(nèi)偏大，小外偏小(內(nèi)接法測(cè)量值偏大，測(cè)大電阻時(shí)應(yīng)用內(nèi)接法測(cè)量)。3．替代法利用“替代法”測(cè)量電阻的電路圖如圖所示。圖中R1為滑動(dòng)變阻器，R2為電阻箱，Rx為待測(cè)電阻，A為電流表，利用該電路，經(jīng)過(guò)如下步驟可以測(cè)得待測(cè)電阻Rx的阻值：(1)閉合S1和S3，斷開(kāi)S2，調(diào)節(jié)R1的阻值，使電流表讀數(shù)等于某個(gè)數(shù)值I0；(2)閉合S1和S2，斷開(kāi)S3，保持R1不變，調(diào)節(jié)R2，使電流表讀數(shù)等于I0，然后讀出R2的值，則待測(cè)電阻Rx＝R2。4．安安法若電流表內(nèi)阻已知，則可將其當(dāng)作電流表、電壓表以及定值電阻來(lái)使用。(1)如圖甲所示，當(dāng)兩電表所能測(cè)得的最大電壓接近時(shí)，如果已知A1的內(nèi)阻R1，則可測(cè)得A2的內(nèi)阻R2＝eq\f(I1R1,I2)。(2)如圖乙所示，當(dāng)兩電表的滿偏電壓UA2?UA1時(shí)，A1串聯(lián)一定值電阻R0后，同樣可測(cè)得A2的內(nèi)阻R2＝eq\f(I1R1＋R0,I2)。甲乙5．伏伏法若電壓表內(nèi)阻已知，則可將其當(dāng)作電流表、電壓表和定值電阻來(lái)使用。(1)如圖甲所示，兩電表的滿偏電流接近時(shí)，若已知V1的內(nèi)阻R1，則可測(cè)出V2的內(nèi)阻R2＝eq\f(U2,U1)R1。(2)如圖乙所示，兩電表的滿偏電流IV1?IV2時(shí)，V1并聯(lián)一定值電阻R0后，同樣可得V2的內(nèi)阻R2＝eq\f(U2,\f(U1,R1)＋\f(U1,R0))。甲乙6．串并聯(lián)關(guān)系測(cè)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(nèi)阻的影響，則I1(Rx＋RA1)＝I2(R1＋RA2)。7．半偏法測(cè)電流表內(nèi)阻電路圖如圖所示步驟：(1)斷開(kāi)S2，閉合S1，調(diào)節(jié)R0，使A表滿偏為I0；(2)保持R0不變，閉合S2，調(diào)節(jié)R，使A表讀數(shù)為eq\f(I0,2)；(3)由上可得RA＝R?！纠?】電壓表滿偏時(shí)通過(guò)該表的電流是半偏時(shí)通過(guò)該表電流的兩倍。某同學(xué)利用這一事實(shí)測(cè)量電壓表的內(nèi)阻(半偏法)，實(shí)驗(yàn)室提供的器材如下：待測(cè)電壓表V(量程3V，內(nèi)阻約為3000Ω)，電阻箱R0(最大阻值為99999.9Ω)，滑動(dòng)變阻器R1(最大阻值100Ω，額定電流2A)，電源E(電動(dòng)勢(shì)6V，內(nèi)阻不計(jì))，開(kāi)關(guān)兩個(gè)，導(dǎo)線若干。(1)虛線框內(nèi)為該同學(xué)設(shè)計(jì)的測(cè)量電壓表內(nèi)阻的電路圖的一部分，將電路圖補(bǔ)充完整。(2)根據(jù)設(shè)計(jì)的電路，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)步驟：。(3)將這種方法測(cè)出的電壓表內(nèi)阻記為RV′，與電壓表內(nèi)阻的真實(shí)值RV相比，RV′RV(選填“>”“＝”或“<”)，主要理由是。[解析](1)因滑動(dòng)變阻器阻值較小，所以選擇滑動(dòng)變阻器的分壓接法。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖所示。(2)移動(dòng)滑動(dòng)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(kāi)關(guān)S1、S2，調(diào)節(jié)R1，使電壓表的指針滿偏；保持滑動(dòng)變阻器滑片的位置不變，斷開(kāi)S2，調(diào)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(cè)得的電壓表內(nèi)阻。(3)斷開(kāi)S2，調(diào)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(shí)R0兩端的電壓大于電壓表的半偏電壓，故RV′＞RV(其他合理說(shuō)法也可以)。[答案](1)(2)移動(dòng)滑動(dòng)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(kāi)關(guān)S1、S2，調(diào)節(jié)R1，使電壓表的指針滿偏；保持滑動(dòng)變阻器滑片的位置不變，斷開(kāi)S2，調(diào)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(cè)得的電壓表內(nèi)阻(3)＞斷開(kāi)S2，調(diào)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(yǔ)通關(guān)]實(shí)際的電流表和電壓表都是有內(nèi)阻的，電表內(nèi)阻測(cè)定與定值電阻的測(cè)定相比有一個(gè)很大的區(qū)別，就是被測(cè)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(nèi)阻，電壓表和電流表都具有測(cè)電流和測(cè)電壓的“雙重功能”，因電表內(nèi)阻的測(cè)量涉及了電表的非常規(guī)接法，所用知識(shí)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(wèn)題圖像既能反映物理量之間的規(guī)律關(guān)系，又是分析和解決物理問(wèn)題的一種工具，因此我們把物理量間的關(guān)系或物理過(guò)程繪制成圖像，既可以幫助分析推理，又可根據(jù)圖像直接求解。直流電路中各物理量間的變化關(guān)系大都可以用有關(guān)圖像表示。只要明確各種圖像中點(diǎn)、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(wèn)題的求解就會(huì)既快捷正確又方便靈活。直流電路中常見(jiàn)的圖像有類型表達(dá)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(guān)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(duì)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(xué)探究實(shí)驗(yàn)課中，某組同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室利用如圖甲所示的電路圖連接好電路，并用于測(cè)定定值電阻R0、電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)電阻r。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭P向某一方向移動(dòng)時(shí)，一個(gè)同學(xué)記錄了電流表A和電壓表V1的測(cè)量數(shù)據(jù)，另一同學(xué)記錄的是電流表A和電壓表V2的測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)所得數(shù)據(jù)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(cè)量值所對(duì)應(yīng)的圖線B．由圖像可以得出電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻分別是E＝1.50V，r＝1.0ΩC．圖像中兩直線的交點(diǎn)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(diǎn)可知此時(shí)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)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(jù)所描繪的，圖線b是R0的U-I圖線且U2＝IR0，所以A錯(cuò)誤；由a圖線得，電源內(nèi)阻r＝1.0Ω，電源電動(dòng)勢(shì)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(diǎn)表示此時(shí)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(shí)R0上消耗的功率P0＝IU2＝0.5W，所以C錯(cuò)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(shí)R0＝2.0Ω，所以此時(shí)滑動(dòng)變阻器電阻R＝0，D正確。][一語(yǔ)通關(guān)]V1測(cè)電源的路端電壓，V2測(cè)量R0兩端的電壓；則兩條U-I圖像表示的意義不同，根據(jù)圖像的意義可知交點(diǎn)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(gè)電路搶修的小故事2017年6月4日凌晨3點(diǎn)，某高校故障就是命令！凌晨3點(diǎn)，工作人員冒雨趕往故障現(xiàn)場(chǎng)。經(jīng)檢查，是南校區(qū)一處交接箱空開(kāi)跳閘造成以上四棟樓斷電。工作人員立即合閘送電，但恢復(fù)供電不到4個(gè)小時(shí)又跳閘斷電。怎么辦？問(wèn)題到底出哪了？維修人員開(kāi)始對(duì)各供電線路逐一排查，最終發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)在9號(hào)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(dǎo)致斷電。查明原因后，立即開(kāi)始搶修。正值大雨傾盆，楊凌氣溫14度，狂風(fēng)陣陣來(lái)襲，天氣狀況糟糕，極不利于搶修工作開(kāi)展。但師生用電刻不容緩！為盡快恢復(fù)供電，動(dòng)力服務(wù)中心工作人員風(fēng)雨無(wú)阻，與時(shí)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(huà)面。天微亮，維修人員一邊與學(xué)生社區(qū)協(xié)調(diào)停止空調(diào)等負(fù)荷，搬移、清理維修區(qū)域的車輛等障礙物；一邊準(zhǔn)備材料和工具，著手開(kāi)挖溝道。為應(yīng)對(duì)強(qiáng)降雨天氣，確保搶修安全，防止地溝開(kāi)挖后電纜線進(jìn)水，工作人員現(xiàn)場(chǎng)搭建了臨時(shí)帳篷。因作業(yè)時(shí)風(fēng)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(mén)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(huì)塌下來(lái)，時(shí)不時(shí)給維修人員澆一身水。雨中作業(yè)時(shí)，幾乎每個(gè)人的鞋子都在雨水中浸泡著，渾身濕透。開(kāi)挖地溝時(shí)，水泥層又厚又堅(jiān)固，且電纜在樹(shù)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(shí)，順利完成了搶修任務(wù)，恢復(fù)了正常用電。[設(shè)問(wèn)探究]1．常見(jiàn)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(lái)檢測(cè)？提示：1．?dāng)嗦罚菏侵鸽娐穬牲c(diǎn)間(或用電器兩端)的電阻無(wú)窮大，此時(shí)無(wú)電流通過(guò)，若電源正常時(shí)，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(zhuǎn)，則該段電路斷路，如電路中只有該一處斷路，整個(gè)電路的電勢(shì)差全部降落在該處，其他各處均無(wú)電壓降落(即電壓表不偏轉(zhuǎn))。短路：是指電路兩點(diǎn)間(或用電器兩端)的電阻趨于零，此時(shí)電路兩點(diǎn)間無(wú)電壓降落，用電器實(shí)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(dāng)電路中接有電源時(shí)，可以用電壓表測(cè)量各部分