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模板 10 恒定电流(两大题型) 本节导航: 题型01 电路中的能量问题 题型02 含容电路问题 题型 01 电路中的能量问题 1、电路中的能量问题主要涉及纯电阻电路和非纯电阻中的电功、电功率、电热、热功率等的计算。 2、该题型涉及的公式很多,适用条件复杂。学生能够理清各个物理量及之间的相互关系,题目一 般不难。 一、必备基础知识 1、电动势 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。数值上 E=U +U 等于电源没有接入电路时两极间的电压,在闭合电路中等于内外电路上电势降落之和 外 内 。 定义式:E=。E的大小与W和q无关,是由电源自身的性质决定的,不同种类的电源电动势大小 不同。 2、电流 定义:电荷的定向移动形成电流。用符号I表示,单位是安培,符号为A。常用的电流单位还有毫 安(mA)、微安(μA),换算关系为:1A=103mA=106μA。 方向:正电荷定向移动的方向规定为电流的方向。 定义式:I=。 3、电压 定义:电压也称作电势差或电位差。单位:电压的单位是伏特,符号是V,常用单位有千伏(KV)、毫伏(mV)等。 4、电阻 定义:导体两端的电压与通过导体中电流的比值。 U 计算式:R= ,电阻并不随电压、电流变化而变化,该式只是给出了一种计算导体电阻的方法。 I 单位:欧姆,符号为Ω。常见单位有千欧(kΩ)、毫欧(mΩ)等。 电阻的决定式:R=ρ。ρ为电阻率,是反映导体本身的属性,反映材料导电性能的物理量。l表示 沿电流方向导体的长度;S表示垂直于电流方向导体的横截面积。 5、电功 定义:电流在一段电路中所做的功等于这段电路两端的电压、电路中的电流、通电时 间三者的乘积。 表达式:W=IUt。 单位:焦耳,符号是J。 适用条件:任何电路。 6、电功率 定义:单位时间内电流所做的功。 表达式:P==UI。 单位:瓦特,符号是W。 适用条件:任何电路。 7、电热和热功率 物理量 电热 热功率 电流通过导体产生的热量跟电流的二次方 定义 成正比,跟导体的电阻及通电时间成正 单位时间内的发热量。 比。 物理意义 描述电能转化为热能的多少。 表示电流发热的快慢。 公式 Q=I2Rt P=I2R 单位 焦耳,符号是J 瓦特,符号是W 适用条件 任何电路 8、串、并联电路的规律 电路类型 串联电路 并联电路 把几个元件的一端连在一起另 把几个导体元件依次首尾相连 一端也连在一起,然后把两端 定义 的方式叫电路的串联。 接入电路的方式叫做电路的并 联。电路图 串联电路中的电流处处相等: 并联电路的总电流等于各支路 电流特点 I = I = I = I 电流之和:I = I + I + I 0 1 2 3 0 1 2 3 串联电路两端的总电压等于各 并联电路的总电压与各支路电 电压特点 部分电路两端电压之和: 压相等:U=U =U =U U=U +U +U 1 2 3 1 2 3 串联电路的总电阻等于各部分 电路电阻之和:R =R+R+R 并联电路的总电阻的倒数等于 总 1 2 3 电阻特点 串联电路的总电阻是越串越 各支路电阻的倒数之和: 大,比最大的电阻的阻值还 =++ 大。 P =UI=(U+U+…+U)I P =UI=U(I+I+…+I) 功率特点 总 1 2 n 总 1 2 n =P+P+…+P。 =P+P+…+P。 1 2 n 1 2 n 阻值变化变化规律 在电路中,某个电阻增大(或减小),则总电阻增大(或减小)。 通过各个电阻的电流跟它的阻 各个电阻两端电压跟它们的阻 值成反比,即I∶I∶…∶I= 值成正比,即U∶U∶…∶U 1 2 n 1 2 n ∶∶…∶ 分配原理 =R∶R∶…∶R 1 2 n 各支路电阻上的电功率与电阻 各电阻上的电功率与电阻成正 成反比,即P R =P R =…= 比,即==…==I2 1 1 2 2 P R =U2。 n n 9、总电阻的比较 比较 串联电路的总电阻R 并联电路的总电阻R 总 总 n个相同电阻R串联,总电阻R = 总 n个相同电阻R并联,总电阻R = 总 R+R+R+…+R =nR 不同 R 大于任一电阻阻值,一个大电阻和 若几个不同电阻并联,R 小于任一电阻阻 点 总 总 一个小电阻串联时,总电阻接近大电 值,一个大电阻和一个小电阻并联时,总 阻。 电阻接近小电阻。 多个电阻无论串联还是并联,其中任一电阻增大或减小,总电阻也随之增大或减 相同 小。 10、闭合回路欧姆定律 内容:闭合电路中的电流与电源电动势成正比,与内、外电路中的电阻之和成反比。 表达式:I=,只适用纯电阻电路。变式:E=I(R+r),适用于纯电阻电路;E=U +Ir,适用 外 于任意的闭合电路;E=U +U ,适用于任意的闭合电路。 外 内 11、焦耳定律 定义:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻及通电时间成正比。 表达式:Q=I2Rt。 12、纯电阻和非纯电阻的比较 电路 纯电阻电路 非纯电阻电路 电功率 P =UI=I2R= P =UI 电 电热功率 P =UI=I2R= P =I2R 热 热 关系 P =P P >P 电 热 电 热 二、解题模板 1、解题思路 2、注意问题 电功和电热的比较如下表所示。 项目 电功 电热 电功与电热的 电功实质是静电力移动电荷做功,W 电热是由于电流的热效应,电流通过导体 比较 =qU=UIt。 发热,Q=I2Rt。 纯电阻电路(白炽灯、电炉、电熨 非纯电阻电路(电动机、电解槽) 斗) 电功与电热的 联系与区别 电功与电热的 电流做功全部转化为内能W=Q= 电流做功转化为内能和其他形式的能量: 联系与区别 UIt=I2Rt=t。 电功W=UIt;电热Q=I2Rt,W=Q+W 其他 电功率与电热 非纯电阻电路中UI>I2R,t既不能表示电 纯电阻电路中,P=UI=I2R= 功率的关系 功,也不能表示电热。 纯电阻电路电流做功全部转化为热;非纯电阻电路电流做功一部分转化为热,一部分转化为其 它。 3、解题方法 电动机的能量转化如下表所示: 电动机从电源获得的能量一部分转化为机械 能量关系 能,还有一部分转化为内能。 能量关系的图例 总功率(输入功率) P =UI。 总发热的功率 P =I2R。 热 输出功率(机械功 P =P -P =UI-I2R。 率) 机 总 热 电动机消耗的功率P 等于电动机的输出功率P 电 功率关系 与电动机损失的功率P 之和,即:P =P 机 损 电 机 +P ,P =UI,P =I2R。 损 电 损 电路中的能量转化: 电功计算:W=UIt。 电功率计算:P==UI。 焦耳定律:Q=I2Rt。 热功率:P=I2R。 电源的总功率的计算式:①任意电路:P =Iε=IU +IU =P +P ; ②纯电阻电路: 总 外 内 出 内 E2 P= =I2 (R+r)。 R+r 电源的损耗功率的计算式:P =I2r P =I2r=U I=P -P 。 内 内 内 总 出 电源的输出功率的计算式:①任意电路:P =UI=EI-I2r=P -P ;②纯电阻电路:P =I2R= 出 总 内 出 E2 E2R =(R+r)2 (只适用于外电路为纯电阻的电路)。 (R+r)2 +4r R 纯电阻电路中输出功率随R的变化关系如下图所示: E 2 P =I2R= ( ) R 出 R+r , 由此可得:①当R=r时,电源的输出功率最大,为P =;②当R m >r时,随着R的增大输出功率越来越小;③当R<r时,随着R的增大输出功率越来越大;④当P < 出 P 时,每个输出功率对应两个可能的外电阻R 和R,且RR=r2。 m 1 2 1 2 分析电阻消耗功率的方法:①求解定值电阻消耗的最大功率时,根据P=I2R可知,只要电流最大即可;②求解可变电阻消耗的最大功率时,不能套用上述方法,因为电流随电阻的变化而变化,此时, 可以利用电源的输出功率与外电阻的关系进行求解。有时需要用等效电源法。 (2024·浙江·高考真题)某小组探究“法拉第圆盘发电机与电动机的功用”,设计了如图所 示装置。飞轮由三根长 的辐条和金属圆环组成,可绕过其中心的水平固定轴转动,不可伸长 细绳绕在圆环上,系着质量 的物块,细绳与圆环无相对滑动。飞轮处在方向垂直环面的匀强磁 场中,左侧电路通过电刷与转轴和圆环边缘良好接触,开关S可分别与图示中的电路连接。已知电源电 动势 、内阻 、限流电阻 、飞轮每根辐条电阻 ,电路中还有可调电 阻R(待求)和电感L,不计其他电阻和阻力损耗,不计飞轮转轴大小。 2 (1)开关S掷1,“电动机”提升物块匀速上升时,理想电压表示数 。 ①判断磁场方向,并求流过电阻R 的电流I; 1 1 ②求物块匀速上升的速度v。 1 思路分析 第一问的思路: 根据左手定则判断磁场方向, 根据闭合回路欧姆定律 画出等效电路图 求出电流 画出等效 根据闭合回路欧姆定律求 金属轮可视为电动机,根据功率的计算 电路图 出每根辐条产生的电动势 式和与速度的关系可求出速度 详细解析 【答案】(1)①垂直纸面向外,10A;②5m/s;(2)① ;②2.5T 【详解】(1)①物块上升,则金属轮沿逆时针方向转动,辐条受到的安培力指向逆时针方向,辐条中电 流方向从圆周指向O点,由左手定则可知,磁场方向垂直纸面向外;等效电路如图由闭合电路的欧姆定律可知 则 ②等效电路如图 辐条切割磁感线产生的电动势与电源电动势相反,设每根辐条产生的电动势为E,则 1 解得 此时金属轮可视为电动机 当物块P匀速上升时 解得 另解:因 , ,根据 解得 (2024·山西太原·三模)如图甲所示电路中, 是滑动变阻器, 是定值电阻。实验时从最左端向最右端拨动滑片调节 的阻值,得到各组理想电压表和理想电流表的数据,用这些数据在坐 标纸上描点、拟合,作出的 图像如图乙所示。求: (1)当滑动变阻器的阻值为多大时,电阻 消耗的功率最大; (2)当滑动变阻器的阻值为多大时,滑动变阻器 消耗的功率最大; (3)当滑动变阻器的阻值为多大时,电源的输出功率最大。 【答案】(1) ;(2) ;(3) 【详解】(1)根据题意可知,当滑动变阻器在最右端时有 由图乙可知 联立解得 , 消耗的功率最大,此时可将 看成电源的内电路中的电阻,此时的等效内阻为 ,即 时, 的电流最大,则 消耗的功率最大 (2) 消耗的功率最大,此时可将 看成电源的内电路中的电阻,此时的等效内阻为 当 时,等效电源的输出功率最大,则(3)由输出功率有 由此可知,当 时,电源的输出功率最大,则当此时滑动变阻器阻值为 解得 题型 02 含容电路问题 1、电容器是一种存储电荷和电能的原件,当电路发生变化时,会引起电容器发生充电或放电行为, 这样的问题叫含容电路问题。 2、这类题型需要学生能够正确分析电路的串、并联结构,然后利用电容器公式和闭合电路的相关 规律进行求解。 一、必备基础知识 1、电容 定义:电容器所带的电荷量跟它的两极板间的电势差的比值叫做电容。用C表示。。 定义式:C=,与Q、U、电容器是否带电均无关,仅由电容器本身决定(大小、形状、相对位置及 电介质)。Q为每一个极板带电量绝对值,U为电容器两板间的电势差。 2、平行板电容器 定义:在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质——电介质就组成一个最简单的电容 器,叫做平行板电容器。 决定式:C=,k为静电力常量,ε 是一个常数,与电介质的性质有关,真空时ε=1,其他电介质 r r 时ε>1。称为电介质的相对介电常数。平行板电容器的电容 C跟相对介电常数ε 成正比,跟极板正对 r r 面积 成正比,跟极板间的距离d成反比。 S3、含容电路 电路的简化:不分析电容器的充、放电过程时,把电容器所在的电路视为断路,简化电路时可以 去掉,求电荷量时再在相应位置补上。 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,但电容器两端的电压与其并联电器两端电压相等。 电容器的电压: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。 电压变化带来的电容器变化: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,可由ΔQ=C·ΔU计算 电容器上电荷量的变化量;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 - 1 Q|;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。 2 1 2 二、解题模板 1、解题思路 2、注意问题 只有当电容器充、放电时,电容器支路中才会有电流;当电路稳定时,电容器对电路的作用是断 路。 在含容电路中,当电路发生变化时,除了要判断和计算电容器两端的电压外,还必须判断电容器 极板上极性的变化,防止出现电容器先放电后反向充电的现象。 3、解题方法 分析方法:①理清电路的电容器的并联关系;②确定电容器两极板间的电压。在电容器充电和放电的 过程中,欧姆定律等电路规律不适用,但对于充电或放电完毕的电路,电容器的存在与否不再影响原 电路,电容器接在某一支路两端,可根据欧姆定律及串、并联规律求解该支路两端的电压 U;③分析 电容器所带的电荷量。针对某一状态,根据Q=CU,由电容器两端的电压U求电容器所带的电荷量 Q,由电路规律分析两极板电势的高低,高电势板带正电,低电势板带负电。(23-24高三上·广东珠海·阶段练习)如图所示电路中,电源电动势 ,内阻 , 定值电阻 ,平行板电容器MN的电容 ,调节滑动变阻器R,使得沿电容器MN的中心线 射入的初速度 的带正电小球恰好沿直线运动,然后从CD板中点处的小孔O进入平行板电容 器AB、CD之间。已知小球的质量 、电荷量 ,平行板电容器MN上下两极板的间距为 ,平行板电容器AB、CD左右极板间距为 ,极板AB、CD长均为 ,极板MN 的右端与极板CD的距离忽略不计。当AB、CD极板间电压为 时,小球恰好从CD极板下端D点离 开。忽略电容器的边缘效应,重力加速度g取 。求: (1)平行板电容器MN的电压和其所带的电荷量; (2)滑动变阻器R接入电路的阻值; (3)AB、CD极板间电压 。 思路分析 第一问的思路: 小球沿电容器MN的 根据电场强度与电压的 中心线做匀速直线运 关系,联立电容器的公 动,求出电场强度 式即可求出电荷量 第二问的思路: 根据闭合电路欧姆定律求出流 根据电流和电压求出滑动 过滑动变阻器的电流 变阻器接入电路的阻值 第三问的思路:小球在平行板电容器 将小球的运动沿水平方向和竖直方 联立两个方 AB、CD间同时受到重 向分解,水平方向上做往复运动, 向的方程进 力和电场力 竖直方向上做匀加速直线运动 行求解 详细解析 【答案】(1) , ;(2) ;(3) 【详解】(1)小球沿电容器MN的中心线做直线运动,一定是匀速直线运动,对小球 其中 联立得电容器MN的电压 电容器所带的电荷量为 解得 (2)由闭合电路欧姆定律可知:电阻 和电源内阻的总电压为 由欧姆定律可知,流过滑动变阻器的电流为 解得 则滑动变阻器接入电路的阻值为 (3)小球在平行板电容器AB、CD间同时受到重力和电场力,其运动轨迹如图所示: 将小球的运动沿水平方向和竖直方向分解,在竖直方向上 得 在水平方向上,小球做往复运动,往返的时间一样,小球向右的最大位移为: 得说明小球不会碰到AB极板,水平方向的加速度为 (10-11高三上·河北石家庄·阶段练习)在如图所示的电路中,电源的电动势E=28 V、内 阻r=2 Ω,电阻R=12 Ω,R=R=4 Ω,R=8 Ω,C为平行板电容器,其电容C=3.0 pF,虚线到两极 1 2 4 3 板的距离相等,极板长L=0.20 m,两极板的间距d=1.0×10-2 m,g取10 m/s2。 (1)若最初开关S处于断开状态,则将其闭合后,流过R 的电荷量为多少; 4 (2)若开关S断开时,有一个带电微粒沿虚线方向以v=2.0 m/s的初速度射入平行板电容器的两极板 0 间,带电微粒刚好沿虚线匀速运动,则当开关S闭合后,此带电微粒以相同的初速度沿虚线方向射入两 极板间后,能否从极板间射出?(要求写出计算和分析过程) 【答案】(1)6.0×10-12 C;(2)带电微粒不能从极板间射出 【详解】(1)S断开时,电阻R 两端的电压为 3 U= =16 V 3 S闭合后,外电路的总电阻为 R= =6 Ω 路端电压为 U= =21 V 电阻R 两端的电压为 3U′= U=14 V 3 闭合开关后流过R 的电荷量为 4 (2)设带电微粒的质量为m、带电荷量为q,当开关S断开时,有 q =mg 当开关S闭合后,设带电微粒的加速度为a,则有 mg-q =ma 假设带电微粒能从极板间射出,则水平方向有 t= 竖直方向有 y= at2 由以上各式得 y=6.25×10-3 m> 故带电微粒不能从极板间射出。 1.(21-22高三上·广东深圳·阶段练习)如图所示,间距为d、长度为2d的两块平行金属板A、B正对且水 平放置,带负电的粒子以水平初速度 从左侧沿中心线射入板间。电路中,电源的内阻为r (电动势E 未知),固定电阻R=3r。闭合开关S后,A、B两板间形成理想边界的匀强电场。当变阻器 0 滑片置于最右端时,粒子恰好从A板右边缘射出电场;移动滑片使变阻器接入电阻为最大阻值R(未 0 知)的 时,粒子恰好沿中心线射出电场。忽略粒子间的相互作用力和空气阻力。g为重力加速度。 求:(1)滑片置于最右端时,粒子在板间运动加速度的大小; (2)变阻器的最大阻值R; 0 (3)若滑片置于最左端,判断粒子会离开电场还是打到极板上?并计算粒子离开电场或打到极板时的 动能。已知粒子质量为m。 【答案】(1) ;(2)8r;(3)离开电场; 【详解】(1)滑片置于最右端时,粒子在板间做类平抛运动,水平方向 竖直方向 解得 (2)滑片置于最右端时,板间电压 其中 移动滑片使变阻器接入电阻为最大阻值R(未知)的 时,则 0 其中 联立解得R=8r 0 (3)若滑片置于最左端,则板间电压为 粒子在板间的加速度 解得 方向向下,则假设粒子能射出电场,则竖直方向的偏转距离 则粒子恰能从B板右侧射出电场,此时粒子的竖直速度 动能 2.(20-21高三·广东·阶段练习)内壁附有粒子接收器的两足够大平行金属板A、B接在如图所示的电路中, 位于B板中心的粒子源能在纸面内向两板间沿各个方向发射质量均为m、带电荷量均为q的正粒子,粒 子的初速度均相等。闭合开关,当滑动变阻器的滑片自最左端缓慢向右滑到中间位置时,A板内壁的接 收器恰好接收不到任何粒子,此后保持滑片位置不变。已知电源电动势为E,内阻为r,滑动变阻器的 总阻值为R,A、B两板间的距离为d,不计粒子重力及粒子接收器的厚度,忽略粒子间的相互作用, 求: (1)粒子源发射粒子的初速度 的大小; (2)B板内壁接收器能接收到粒子区域的最大长度L。【答案】(1) ;(2) 【详解】(1)对刚好不能到达A板的粒子,由动能定理可知 由闭合电路欧姆定律及欧姆定律可知 解得 (2)设初速度方向与B板成 角的粒子落到B板上的位置距粒子源最远,轨迹如图所示, 设粒子在垂直B板方向上减速到零的时间为t,则: 垂直B板方向由对称性可知,粒子自射出至击中B板的过程中,沿B板方向运动的距离为最大长度L的一半,故沿B 板方向 又 解得 将 和 代入上式,得 当 时,即 时,粒子落点距粒子源最远,即最大长度 3.(2024·广东佛山·二模)饭卡是学校等单位最常用的辅助支付手段,其内部主要部分是一个多匝线圈, 当刷卡机发出电磁信号时,置于刷卡机上的饭卡线圈的磁通量发生变化,产生电信号.其原理可简化 为如图甲所示,设线圈匝数 ,每匝线圈的面积均为 ,线圈总电阻 ,线圈与阻 值 的电阻相连.线圈处的磁场可视作匀强磁场,其磁感应强度大小按如图乙所示规律变化 (设垂直纸面向里为正方向),求: (1) 内通过电阻R的电流方向和大小; (2) 内电阻R上产生的热量。【答案】(1)0.2A,电流方向从上到下;(2)0.2J 【详解】(1)根据楞次定律“增反减同”可知 时间内,流经电阻R的电流方向从上到下; 根据法拉第电磁感应定律有 V=0.6V 根据欧姆定律可知电流为 A (2)由焦耳定律可知 时间内电阻R产生的焦耳热为 J 0.2~0.25s时间内,根据法拉第电磁感应定律有 V=3.6V 根据焦耳定律有 J 则 内电阻R上产生的热量为 J 4.(2024·江苏南通·二模)如图所示,A为电解槽,N为电炉,当S、 闭合、 断开时,电流表示数 ;当S、 闭合、 断开时,电流表示数 。已知电源电动势 ,电源内阻 , 电解槽内阻 ,求: (1)电炉N的电阻 ;(2)当S、 闭合、 断开时,电能转化为化学能的功率 。 【答案】(1) ;(2) 【详解】(1)闭合电路欧姆定律 解得 (2)电源功率 热功率 电能转化为化学能的功率 解得 5.(2024·河南商丘·三模)某科研小组设计了如下实验,研究油滴在匀强电场中的运动。实验装置的原理 示意图,如图所示,两个水平放置、相距为d的金属极板﹐上极板中央有一小孔,两金属极板与恒压 源(可以提供恒定电压U),定值电阻R,电阻箱 (最大阻值为R)、开关串联组成的电路。用喷雾 器将细小的油滴喷入密闭空间,这些油滴由于摩擦而带了负电。油滴通过上极板的小孔进入到观察室 中,油滴可视为半径为r的球体,油滴的密度为 ,重力加速度为g,油滴受到的空气阻力大小为,其中 为空气的粘滞系数(已知),v为油滴运动的速率,不计空气浮力。 (1)开关断开时,观察到油滴A运动到两极板中心处开始匀速下落,之后经过时间t油滴A下落到下 极板处,请推导油滴A的半径r的表达式(用 ,d、t、 和g表示)。 (2)若将图中密闭空间的空气抽出,使油滴运动所受的空气阻力可忽略。闭合开关: ①调整电阻箱的阻值为 ,观察到半径为 的油滴B可做匀速直线运动,求油滴B所带的电荷量; ②调整电阻箱的阻值为R,观察到比荷为k、处于下极板的油滴C由静止开始向上加速运动,求油滴C 运动到上极板的时间。 【答案】(1) ;(2)① ;② 【详解】(1)油滴匀速下落的速度 此时 其中 解得 (2)①由串联电路规律有 解得两极板之间的电压对油滴由平衡条件可知 而 解得 ②设油滴C的电荷量为q、质量为m,两极板之间电压为 设油滴向上运动加速度为a,由牛顿第二定律有 解得 由运动学公式解得 6.(2024·湖南郴州·模拟预测)光伏发电是一种新兴的清洁发电方式。某太阳能电池板,测得它不接负载 时的电压为900mV,短路电流为90mA,若将该电池板与两电阻器按如图所示连接成闭合电路,其中 , 。求: (1)太阳能电池板的内阻r; (2)电阻器 两端的电压U; (3)电阻器 消耗的功率P。【答案】(1) ;(2)0.45V;(3) 【详解】(1)太阳能电池板的内阻 (2)图示中电流 电阻器 两端的电压 (3)电阻器 消耗的功率