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第 2 课时 闭合电路欧姆定律及应用
目标要求 1.了解电动势的物理意义,理解并掌握闭合电路的欧姆定律。2.会用闭合电路欧
姆定律分析电路的动态变化。3.会计算涉及电源的电路功率。4.掌握路端电压和电流的关系
及电源的U-I图像。
考点一 闭合电路欧姆定律
1.电源
(1)电动势
①定义:非静电力所做的功与所移动的电荷量的比值,E=;
②物理含义:电动势表示电源把其他形式的能转化成电势能本领的大小,在数值上等于电源
没有接入电路时两极间的电压。
(2)内阻:电源内部导体的电阻。
2.闭合电路欧姆定律
(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:I=(只适用于纯电阻电路);
(3)其他表达形式
①电势降落表达式:E=U +U 或E=U +Ir;(适用于任意电路)
外 内 外
②功率表达式:EI=UI+ I 2 r 。
3.路端电压与外电阻的关系
(1)一般情况:U=IR=·R=,当R增大时,U增大;
(2)特殊情况:
①当外电路断路时,I=0,U=E;
②当外电路短路时,I =,U=0。
短
4.总电阻变化的几种情况
(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)在如图甲所示分压电路中,滑动变阻器可视为由两段电阻构成,其中一段R 与用电器并
并
联,另一段R 与并联部分串联。A、B两端的总电阻与R 的变化趋势一致。
串 串(4)在一个定值电阻R和一个可变电阻R 组成的如图乙所示的电路中,两支路电阻越趋于相
0
等,乙图中电路电阻越大,两支路电阻相等时,乙图中电路电阻最大。
例1 有一电池,外电路断开时的路端电压为 3.0 V,外电路接上阻值为8.0 Ω的负载电阻
后路端电压降为2.4 V,则可以确定电池的电动势E和内电阻r为( )
A.E=2.4 V,r=1.0 Ω
B.E=2.4 V,r=2.0 Ω
C.E=3.0 V,r=2.0 Ω
D.E=3.0 V,r=1.0 Ω
答案 C
解析 外电路断开时的路端电压为3.0 V,则电池的电动势E=3.0 V。当外电路接上阻值为
8.0 Ω的负载电阻后路端电压降为2.4 V,由U=IR,U=E-Ir,得r=2.0 Ω,故C正确。
例2 (2023·山东烟台市期末)如图所示,将一根粗细均匀的电阻丝弯成一个闭合的圆环,
接入电路中,电路与圆环的接触点O点固定,P为电路与圆环良好接触的滑动触头,电源的
电动势为E,内阻为r,闭合开关S,在滑动触头P缓慢地从m点开始经n点移到q点的过
程中,下列说法正确的是( )
A.电压表和电流表的示数都一直变大
B.灯L 先变暗后变亮,电流表的示数一直变小
1
C.灯L 先变暗后变亮,电压表的示数先变大后变小
2
D.电容器C所带电荷量先减少后增多
答案 C
解析 闭合的圆环接入电路中,接触点O点与P间电阻丝并联接入到电路中,在滑动触头P
缓慢地从m点开始经n点移到q点的过程中,圆环接入电路中的总电阻先变大后变小,故电
路中的总电阻先变大后变小,则干路电流I先减小后增大,灯L 先变暗后变亮,根据闭合电
2
路欧姆定律U=E-Ir,可知路端电压即电压表示数先变大后变小,圆环与灯 L 并联电路的
1
电压U =U-U ,U 与U 之和等于外电路电压,U 先减小后增大,故U 先增大后减小,
并 2 2 并 2 并
L 先变亮后变暗,I 先增大后减小,流过电流表的电流I =I-I ,I 先减小后增大,故A、
1 1 A 1 A
B错误,C正确;圆环与灯L 并联的电压先增大后减小,则电容器板间的电压先增大后减小,
1
由Q=CU,可得电容器所带的电荷量先增多后减少,故D错误。
电路动态分析的方法
1.程序法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。
3.极限法
解决因滑动变阻器滑片滑动而引起电路变化的问题,可将滑动变阻器的滑片分别滑至两个极
端,使电阻最大或电阻为零去讨论。
例3 (2023·河北邯郸市模拟)如图所示,电源电动势E=6 V,内阻r=1 Ω,R=3 Ω,R=
0 1
7.5 Ω,R =3 Ω,R =2 Ω,电容器的电容C=2 μF。开始时开关S处于闭合状态,则下列说
2 3
法正确的是( )
A.开关S闭合时,电容器上极板带正电
B.开关S闭合时,电容器两极板间电势差是3 V
C.将开关S断开,稳定后电容器极板所带的电荷量是3.6×10-6 C
D.将开关S断开至电路稳定的过程中通过R 的电荷量是9.6×10-6 C
0
答案 D
解析 开关S闭合时的等效电路图如图甲所示,电容器C两端电压等于R 两端电压U ,已
3 3
知电路总电阻R=+r=4 Ω,由闭合电路欧姆定律可知干路电流I==1.5 A,路端电压U=E
-Ir=4.5 V,则U =U=1.8 V,此时电容器所带电荷量Q =CU =3.6×10-6 C,且上极板
3 1 3
带负电,下极板带正电,故A、B错误;
开关S断开时的等效电路图如图乙所示,稳定后电容器C两端电压等于R 两端电压U ,此
2 2
时U=R=3 V,电容器所带电荷量Q=CU=6×10-6 C,且上极板带正电,下极板带负电,
2 2 2 2
故通过R 的电荷量Q=Q+Q=9.6×10-6 C,故C错误,D正确。
0 1 2含容电路的分析
1.电路简化
把电容器所在的支路稳定时视为断路,简化电路时可以去掉,求电荷量时再在相应位置补上。
2.电容器两端的电压
(1)电容器所在的支路中没有电流,与之串联的电阻两端无电压,相当于导线。
(2)电容器两端的电压等于与之并联的电阻两端的电压。
3.电容器的电荷量及变化
(1)电路中电流、电压的变化可能会引起电容器的充、放电。若电容器两端电压升高,电容
器将充电;若电压降低,电容器将通过与它连接的电路放电。
(2)如果变化前后极板带电的电性相同,通过所连导线的电荷量为|Q-Q|。
1 2
(3)如果变化前后极板带电的电性相反,通过所连导线的电荷量为Q+Q。
1 2
考点二 电源的功率及效率
1.电源的总功率
(1)任意电路:P =IE=IU +IU =P +P 。
总 外 内 出 内
(2)纯电阻电路:P = I 2 ( R + r ) =。
总
2.电源内部消耗的功率
P = I 2 r =IU =P -P 。
内 内 总 出
3.电源的输出功率
(1)任意电路:P =IU=IE-I2r=P -P 。
出 总 内
(2)纯电阻电路:P = I 2 R =。
出
4.电源的效率
(1)任意电路:η=×100%=×100%。
(2)纯电阻电路:η=×100%。
5.纯电阻电路中电源的最大输出功率(如图)P =UI=I2R=R=
出
=。
当R=r时,电源的输出功率最大,为P =。
m
由P 与外电阻R的关系图像可知:
出
①当R>r时,随着R的增大输出功率越来越小。
②当R<r时,随着R的增大输出功率越来越大。
③当P <P 时,每个输出功率对应两个可能的外电阻R 和R,且有R=R,得R·R=r2。
出 m 1 2 1 2 1 2
6.提高纯电阻电路效率的方法
η=×100%=×100%=×100%,R越大,η越高。
1.外电阻越大,电源的输出功率越大。( × )
2.电源的输出功率越大,电源的效率越高。( × )
3.路端电压增大时,电源的输出功率一定变大。( × )
例4 (多选)(2023·黑龙江大庆市铁人中学期末)如图所示,电源电动势E=10 V、内阻r=1
Ω,电动机M的内阻R =4 Ω,闭合开关S后,标有“8 V 12 W”的灯泡恰能正常发光,
0
则( )
A.图中理想电流表示数为1 A
B.电源的输出功率为16 W
C.10 s内电动机产生的热量为10 J
D.电动机的机械功率为4 W
答案 BC
解析 标有“8 V 12 W”的灯泡恰能正常发光,则外电路并联部分的电压为 8 V,由闭合
电路的欧姆定律有I==2 A,即干路电流为2 A,理想电流表的示数为2 A,故A错误;电
源的输出功率为P =EI-I2r=16 W,故B正确;正常发光的灯泡中的电流为I ==1.5 A,
出 L
故流过电动机的电流为I =I-I =0.5 A,则电动机的机械功率为P =UI -I 2R =3 W,
M L 机 M M 0
故D错误;10 s内电动机产生的热量为Q=I 2Rt=10 J,故C正确。
M 0
例5 (2023·湖南省长郡中学模拟)如图甲所示的电路,其中电源电动势E=6 V,内阻r=2Ω,定值电阻R=4 Ω,已知滑动变阻器消耗的功率P与其接入电路的阻值R 的关系如图乙
P
所示。则下列说法中正确的是( )
A.图乙中滑动变阻器的最大功率P=2 W
2
B.图乙中R=6 Ω,R=12 Ω
1 2
C.滑动变阻器消耗功率P最大时,定值电阻R消耗的功率也最大
D.调整滑动变阻器R 的阻值,可以使电源的输出电流达到2 A
P
答案 B
解析 由闭合电路欧姆定律的推论可知,当电路外电阻等于内阻r时,输出功率最大,最大
值为P =,把定值电阻看成电源内阻的一部分,由题图乙可知,当R =R=R+r=6 Ω时,
m P 1
滑动变阻器消耗的功率最大,最大功率为 P ==1.5 W,A错误;滑动变阻器的阻值为3 Ω
2
时与阻值为R 时消耗的功率相等,有()2×3 Ω=()2R ,解得R =12 Ω,B正确;当回路中电
2 2 2
流最大时,即R =0时,定值电阻R消耗的功率最大,C错误;当滑动变阻器R 的阻值为0
P P
时,电路中电流最大,最大值为I == A=1 A,则调整滑动变阻器R 的阻值,不可以使电
m P
源的输出电流达到2 A,D错误。
等效电源
把含有电源、电阻的部分电路等效为新的“电源”,其“电动势”“内阻”如下:
(1)两点间断路时的电压等效为电动势E′。
(2)两点短路时的电流为等效短路电流I ′,等效内电阻r′=。
短
常见电路等效电源如下:考点三 两种 U-I 图像的比较与应用
电源的U-I图像与电阻的U-I图像比较
电源U-I图像 电阻U-I图像
图形
电源的路端电压随电路中电流的变 电阻两端的电压随电阻中电
物理意义
化关系 流的变化关系
与纵轴交点表示电源电动势E,与 过坐标原点,表示电流为零
截距
横轴交点表示电源短路电流 时电阻两端的电压为零
图线斜率的绝对值 电源内阻r 电阻大小(电阻为纯电阻)
图线上每一点坐标
表示电源的输出功率 表示电阻消耗的功率
的乘积UI
图线上每一点对应 表示外电阻的大小,不同点对应的 表示电阻的大小,每一点对
的U、I比值 外电阻大小不同 应的比值均等大
思考 在同一坐标系中画出电源的U-I图像与电阻的U-I图像,两图像的交点有何含义?
答案 两图像的交点表示电阻的实际工作点,即交点的纵坐标表示实际工作电压,横坐标表
示实际工作电流,乘积表示实际功率。
例6 (2023·山西太原市期末)如图甲所示,闭合开关S,将滑动变阻器的滑片P从一端滑到
另一端的过程中,理想电压表 V 、 V 的示数随理想电流表A示数的变化情况如图乙所示
1 2
下列说法正确的是( )A.滑动变阻器的最大阻值为12 Ω
B.电源的电动势为9 V
C.R=15 Ω
0
D.电源内阻为3 Ω
答案 A
解析 由题图乙可知R ===3 Ω,当I =0.5 A时,此时外电路的阻值达到最大,则R =
0 1 外
==15 Ω,则滑动变阻器的最大阻值R=R -R =12 Ω,故A正确,C错误;由题图乙可
外 0
得r=1 Ω,根据闭合电路欧姆定律可得E=U+Ir,解得E=8 V,故B、D错误。
1 1
课时精练
1.如图所示为一个外电阻R和电源组成的闭合电路。在正常工作时,若1 C正电荷从负极B
移到正极A的过程中,非静电力做功,将3 J的其他形式的能转化为电能,同时静电力做功
0.5 J。则此时该电路中电源电动势E、电源内电压U 、电源路端电压U 大小为( )
内 外
A.E=2.5 V,U =0.5 V
外
B.E=3 V,U =0.5 V
外
C.E=2.5 V,U =0.5 V
内
D.E=3 V,U =2.5 V
外
答案 D
解析 电源的电动势为E== V=3 V,
内电压为U == V=0.5 V,路端电压为U =E-U =3 V-0.5 V=2.5 V,故选D。
内 外 内
2.(2023·四川内江市第六中学模拟)电源的效率定义为外电路电阻消耗的功率与电源的总功率
之比。直线A、B和C分别是电源a、电源b和电阻R的U-I图线。将这个电阻R分别接到
a、b两电源上,那么( )
A.电源a、b电动势一样大,b内阻较大
B.R接到电源a上,电路中的电流较小C.R接到电源b上,电源的输出功率较大
D.R接到电源b上,电源效率较高
答案 A
解析 由电源的U-I图线可知,纵轴截距表示电动势,斜率的绝对值表示内阻,故电源
a、b电动势一样大,b内阻较大,A正确;当电源与电阻直接相连时,电源和电阻的 U-I
图线交点表示该电阻的工作状态,其横坐标表示电路中的电流,故R接到电源a上,电路中
的电流较大,B错误;由P=UI可知,电源和电阻的U-I图线交点横、纵坐标乘积(矩形面
积)表示电源的输出功率,如图所示,
可知R接到电源a上,电源的输出功率较大,电源的效率可表示为 η=×100%=×100%,
当R接到电源a上,路端电压U较大,电源效率较高,C、D错误。
3.(多选)(2023·河南新乡市期中)如图所示,直线OC为电源的总功率随电流I变化的图线,抛
物线ODC为该电源内部热功率随电流I变化的图线,若该电源与电阻B串联后,电路中的
电流为0.5 A,则下列说法正确的是( )
A.电阻B的阻值为11.5 Ω
B.电源的内阻为1.5 Ω
C.电源与电阻B串联后,路端电压为5.75 V
D.电源与电阻B串联后,电源内部热功率为0.375 W
答案 BD
解析 电源的总功率为P=EI,当I=4 A时P=24 W,则电源的电动势为E== V=6 V,
由题图看出,当I=4 A时,外电路短路,电源内部热功率等于电源的总功率,则有P=I2r=
24 W,解得r== Ω=1.5 Ω,故B正确;若该电源与电阻B串联后,电路中的电流为0.5
A,根据闭合电路欧姆定律可得I′=,解得电阻B的阻值为R=-r= Ω-1.5 Ω=10.5 Ω,
路端电压为U=I′R=0.5×10.5 V=5.25 V,
电源内部热功率为P=I′2r=0.52×1.5 W=0.375 W,故A、C错误,D正确。
r
4.(多选)(2024·广东佛山市检测)安装了感光系统的新型路灯,能根据环境明暗程度自动调
节灯光亮度。某兴趣小组为了研究路灯的感光系统,设计了甲、乙两个电路,如图所示。R
t
为光敏电阻(光照越强,电阻越小),R 与R 为定值电阻,下列说法正确的是( )
0 1A.环境变暗时,甲电路的灯泡亮度变亮
B.环境变暗时,乙电路的灯泡亮度变亮
C.环境变亮时,甲电路的R 电功率减小
1
D.环境变亮时,乙电路的R 电功率增大
1
答案 AD
解析 设电源内阻为r,题图甲中,当环境变暗时,R阻值变大,电路总电阻变大,干路电
t
流减小,根据闭合电路欧姆定律U =E-I(R +r),可知灯泡两端电压变大,灯泡亮度变亮;
L 0
当环境变亮时,R阻值变小,电路总电阻变小,干路电流增大,根据闭合电路欧姆定律可知
t
灯泡两端电压变小,流过灯泡的电流变小,由于通过干路的总电流增大,故流过 R 的电流
1
I 增大,根据P=I2R 可知R 电功率增大,故A正确,C错误;题图乙中,当环境变暗时,
1 1 1 1 1
R 阻值变大,电路总电阻变大,干路电流减小,因为R 的阻值和灯泡的阻值不变,故流过
t 1
灯泡的电流减小,灯泡变暗;当环境变亮时,R阻值变小,电路总电阻变小,干路电流增大,
t
流过R 的电流变大,电功率增大,故B错误,D正确。
1
5.如图所示电路中,由于某处出现了故障,导致电路中的 A、B两灯变亮,C、D两灯变暗,
故障可能是( )
A.R 短路 B.R 断路
1 2
C.R 短路 D.R 短路
2 3
答案 D
解析 A灯在干路上,A灯变亮,说明电路中总电流变大,由闭合电路欧姆定律可知电路的
外电阻减小,这就说明电路中只会出现短路而不会出现断路,选项B错误;因为短路部分
的电阻变小,分压作用减小,与其并联的用电器两端的电压减小,C、D两灯变暗,A、B
两灯变亮,这说明发生短路的电阻与C、D两灯是并联的,而与A、B两灯是串联的。观察
电路中电阻的连接形式,只有R 短路符合条件,故选项A、C错误,D正确。
3
6.如图所示电路,电源电动势为E,内阻为r。闭合开关,调节滑动变阻器滑片,电压表示
数为U、电流表示数为I。电源的总功率P与电压U、电流I的关系正确的是( )答案 B
解析 由闭合电路欧姆定律有E=U+Ir,化简得I=,则电源的总功率为P=EI=E=-U,
若U是自变量,则电源的总功率P与电压U是线性关系,A错误,B正确;若I是自变量,
则电源的总功率P=EI,即电源的总功率P与电流I是正比关系,故C、D错误。
7.如图所示,图线a是太阳能电池在某光照强度下路端电压U和电流I的关系图像(电池内阻
不是常量),图线b是某电阻R的U-I图像。在该光照强度下将它们组成闭合回路时,则(
)
A.电源的电动势为E=5 V
B.电阻两端的电压为U=4 V
C.电阻的电流为I=0.4 A
D.太阳能电池的内阻为5 Ω
答案 D
解析 由闭合电路的欧姆定律可得U=E-Ir,当I=0时,E=U,由题图中图线a与纵轴的
交点读出电源的电动势为E=4 V,故A错误;根据题图中两图线交点处的状态可知,电阻
两端的电压为U=3 V,电流为I=0.2 A,故B、C错误;太阳能电池的内阻为r==5 Ω,故
D正确。
8.(2023·海南卷·7)如图所示电路,已知电源电动势为E,内阻不计,电容器电容为C,闭合
开关K,待电路稳定后,电容器上电荷量为( )
A.CE B.CE C.CE D.CE答案 C
解析 电路稳定后,由于电源内阻不计,若取电源负极为零电势点,则电容器上极板电势为,
下极板电势为,极板间电势差U=,由Q=CU,可知C正确。
9.(2024·江苏淮安市检测)如图所示电路,电源内阻为r,两相同灯泡L 、L 电阻均为R,
1 2
D为理想二极管(具有单向导电性),电表均为理想电表。闭合S后,一带电油滴恰好在平行
板电容器中央静止不动。现把滑动变阻器滑片向上滑动,电压表V 、V 示数变化量绝对值
1 2
分别为ΔU、ΔU,电流表示数变化量绝对值为ΔI,则下列说法中错误的是( )
1 2
A.两灯泡逐渐变亮 B.油滴将向下运动
C.=R+r D.ΔU>ΔU
2 1
答案 B
解析 滑片向上滑动,滑动变阻器接入电路的阻值减小,总电阻减小,回路中电流变大,两
灯泡变亮,选项A正确;总电流增大,故内电压增大,所以外电压减小,即V 的示数减小,
1
而L 两端的电压变大,所以L 与滑动变阻器两端的电压之和减小,所以V 的示数及电容器
1 2 2
板间电压变小,应放电,但二极管的单向导电性使电荷不能放出,Q不变,则由C==和E
=得E=,可知E不变,油滴静止不动,选项B错误;把L 的电阻R看作电源内阻一部分,
1
ΔU 就是R+r两端电压的增加量,则=R+r,选项C正确;由闭合电路欧姆定律可得=r,
2
所以ΔU>ΔU,选项D正确。
2 1
10.(多选)某同学通过实验正确作出标有“5 V 2.5 W”的小灯泡的U-I图像如图甲所示,
现把实验中使用的小灯泡接到如图乙所示的电路中,其中电源电动势 E=6 V,内阻r=1
Ω,定值电阻R=9 Ω,则( )
A.由甲图可知,小灯泡的电阻值随电压的升高而增大
B.由甲图可知,小灯泡的电阻值随电压的升高而减小
C.闭合乙图开关,小灯泡的实际功率约为2.7 W
D.闭合乙图开关,小灯泡的实际功率约为0.84 W
答案 AD解析 由题图甲可知,随电压的升高,各点与原点连线的斜率变大,则小灯泡的电阻值增大,
选项A正确,B错误;将电阻R看作电源的内阻,则U=E-I(R+r)=6-10I(V),将此函数
关系的图像画在灯泡的U-I图像上,如图,两图线的交点为小灯泡的工作点,则I=0.38
A,U=2.2 V,则小灯泡的实际功率约为P=IU=0.38×2.2 W≈0.84 W,选项C错误,D正
确。
11.在如图甲所示的电路中,R 、R 均为定值电阻,且R =100 Ω,R 阻值未知,R 是一滑
1 2 1 2 3
动变阻器,当其滑片P从最左端滑至最右端时,测得电源的路端电压随电源中流过的电流的
变化图线如图乙所示,其中A、B两点是滑片P在滑动变阻器的两个不同端点得到的。求:
(1)电源的电动势和内阻;
(2)定值电阻R 的阻值;
2
(3)滑动变阻器的最大阻值。
答案 (1)20 V 20 Ω (2)5 Ω (3)300 Ω
解析 (1)电源的路端电压随电流的变化图线斜率的绝对值等于电源的内阻,则内阻
r=||= Ω=20 Ω
电源的电动势为E=U+Ir
取电压U=16 V,电流I=0.2 A,
1 1
代入解得E=20 V
(2)当滑片P滑到最右端时,R 被短路,外电路的电阻最小,电流最大。此时电压U=4 V,
1 2
电流I=0.8 A,则定值电阻R==5 Ω
2 2
(3)当滑片P滑到最左端时,外电阻最大,电流最小,
此时路端电压U=16 V,电流I=0.2 A,
1 1
外电路总电阻为R==80 Ω
又R=R+,代入解得R=300 Ω。
2 312.(2023·山东济南市模拟)如图所示,电源的电动势为E,内阻为r,电压表和电流表均为理
想电表,电阻R 、R 的阻值与滑动变阻器的最大阻值相等。在滑动变阻器的滑片P从a端
A B
滑到b端的过程中,下列说法正确的是( )
A.电压表示数U与电流表示数I的比值不变
B.电流表的示数增大
C.电压表的示数先增大后减小
D.电压表示数变化绝对值ΔU与电流表示数变化绝对值ΔI的比值先增大后减小
答案 C
解析 由电路图可知,电压表示数U与电流表示数I的比值表示的是外电路的总电阻,滑动
变阻器的滑片P从a端滑到b端,外电路的总电阻变化,则电压表示数U与电流表示数I的
比值变化,A错误;当滑动变阻器的滑片处于中点时,两个并联支路的电阻相等,并联后电
阻最大,则滑片P从a端滑到b端的过程中,外电路的总电阻先增大后减小,则电流表示数
先减小后增大,电压表示数先增大后减小,B错误,C正确;电压表示数变化绝对值ΔU与
电流表示数变化绝对值ΔI的比值为电源的内阻,保持不变,D错误。