高中鲁科版 (2019)第4章 闭合电路欧姆定律与科学用电第1节 闭合电路欧姆定律评课课件ppt

第1节　闭合电路欧姆定律

[核心素养·明目标]

知识点一　电动势

1．电源

把其他形式的能转化为电能的装置。

2．电动势

(1)物理意义：反映电源把其他形式的能转化为电能本领的物理量。

(2)大小：在数值上等于电源没有接入外电路时两极间的电压。电动势符号为E，单位为伏特，符号为V。

　电源搬运电荷的过程就是克服静电力做功的过程，是将其他形式的能转化为电能的过程。

1：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)电动势越大，电源把其他形式的能转化为电能的本领就越大。 (√)

(2)电动势的大小等于电源两极间的电压。 (×)

知识点二　闭合电路欧姆定律

1．闭合电路

(1)电路：一部分是电源外部的电路，称为外电路；另一部分是电源内部的电路，称为内电路。

(2)电压：外电阻上的电势差称为外电压，又叫路端电压，可用U外表示；内电阻上的电势差称为内电压，可用U内表示。

(3)电动势与内、外电压的关系：在闭合电路中，内、外电路电势的降落等于电源的电动势，即E＝U外＋U内或E＝IR＋Ir。

(4)电流：在外电路中，电流由电势高的一端流向电势低的一端；在内电路中，电流由电势低的一端流向电势高的一端。

2．闭合电路欧姆定律

(1)内容：流过闭合电路的电流跟电路中电源的电动势成正比，跟电路中内、外电阻之和成反比。

(2)公式：I＝。

(3)适用的条件为：外电路为纯电阻电路。

　外电路与内电路中电流的方向是一致的，外、内电路构成了闭合回路。

2：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

(1)在闭合回路中电流总是从高电势流向低电势。 (×)

(2)闭合电路欧姆定律I＝的应用是有条件的。 (√)

知识点三　路端电压与外电阻的关系

1．路端电压与电流的关系公式：U＝E－Ir。

2．路端电压与外电阻的关系：根据U＝E－Ir＝E－r。可知，当R增大时，路端电压U增大，当R减小时，路端电压U减小。

3．两种特例

(1)当外电路断路(如开关断开)时，外电阻R为无穷大，I为零，Ir也为零，可得U＝E，即外电路断路时的路端电压等于电源电动势的大小。

(2)当外电路短路时，外电阻R＝0，路端电压为零，此时电路中的电流最大，即Im＝。

　闭合电路欧姆定律可由能量守恒定律推导出来，所以闭合电路欧姆定律体现了电路中的能量转化与守恒。

3：思考辨析(正确的打“√”，错误的打“×”)

外电路断路时，电源两端的电压就是电源电动势。 (×)

4：填空

一台发电机用0.5 A的电流向外输电，在1 min内有180 J的机械能转化为电能，则发电机的电动势为6 V。

考点1　对电动势的理解

1．对电动势的理解

(1)电动势的物理意义：它反映了电源把其他形式的能转化为电能本领的大小，是电源的属性，与电源的体积、外电路无关。

(2)电动势的粗略测量：E的数值等于没有接入外电路时电源正负两极间的电压，可以用阻值较大的电压表直接接在电源正、负极两端粗略测量，其示数近似为电源电动势E。

2．电动势与电压的区别

【典例1】　下面对电源电动势概念的认识正确的是(　　)

A．电源电动势等于电源两极间的电压

B．在闭合电路中，电动势等于内、外电压之和

C．电源电动势表征了电源把其他形式的能转化为电能的本领，电源把其他形式的能转化为电能越多，电动势越大

D．电动势、电压和电势差虽名称不同，但物理意义相同，所以单位也相同

思路点拨：(1)电动势与电压虽然单位相同，但含义不同。

(2)电路闭合：E＝U内＋U外。

B　[电源电动势在数值上等于电路开路时电源正、负极间的电压，电路闭合时由于存在内电压，此时电源两极间的电压小于电源电动势，故A错误；在闭合电路中，电动势等于内、外电压之和，故B正确；电源电动势是描述电源把其他形式的能转化为电能本领的物理量，即在电路中通过一定电荷量时，电源提供的电能越多，电动势越大，并不是电源把其他形式的能转化为电能越多，电动势越大，因为转化的能量除与电动势有关外，还与所经历的时间、用电情况有关，故C错误；电动势和电势差意义不同，电势差是表示把电能转化为其他形式的能的本领的物理量，故D错误。]

理解电动势的三点注意

(1)电动势由电源本身决定，与外电路无关。

(2)电动势是标量，但有方向，物理学中规定方向为由负极经电源内部指向正极，即电源内部电流的方向。

(3)电源的内部也有电阻(即内电阻)，当电流经电源内部时也有电压降落(即内电压)。

[跟进训练]

1．(多选)关于电源的电动势，下面说法正确的是(　　)

A．在电源内部其他形式的能转化为电能

B．电动势在数值上等于电路中通过1 C电荷量时电源提供的总能量

C．电源的电动势跟电源的体积有关，跟外电路有关

D．电动势有方向，因此电动势是矢量

AB　[电源是通过内部非静电力做功，将其他形式的能转化为电能的装置，A正确；根据W非＝Eq可知，电动势在数值上等于电路中通过1 C电荷量时电源提供的总能量，B正确；电源的电动势跟电源的体积无关，跟外电路无关，C错误；电动势有方向，但电动势是标量，D错误。]

考点2　闭合电路的理解及应用

1．闭合电路的组成

2．闭合电路欧姆定律的表达形式

【典例2】　将总电阻R0＝22 Ω的滑动变阻器按如图甲所示与电源相连，已知该电源的路端电压随外电阻变化的图线如图乙所示，电源正常工作时允许通过的最大电流为2 A。求：

(1)电源的电动势和内电阻；

(2)接到滑动变阻器A、B间的负载电阻的阻值R′的许可范围。

甲　　　　　　　　　乙

思路点拨：(1)由图乙知路端电压最大为12 V且不变化，得电动势为12 V。

(2)当最大电流时，外电路电压为8 V，电阻应大于等于4 Ω。

[解析]　该题考查闭合电路的应用，解题的关键是正确的利用图像。

(1)闭合电路中路端电压为U＝IR＝＝，由此可见：①当负载电阻R趋向于无穷大时，趋向零，路端电压趋向于电源电动势E；②当R＝r时，路端电压U＝。根据上述结论，分析图像，可知电源电动势E＝12 V，电源内电阻r＝2 Ω。

(2)电源允许通过的最大电流值是2 A，内电压的最大值是4 V，外电压的最小值是8 V，所以电源的外电阻必须大于或等于4 Ω。当滑动变阻器的滑动触头c处在a端时，外电阻最小，此时，负载电阻R′与R0并联为电源的外电阻，应有≥4 Ω，由此可以求得负载电阻的阻值的最小值，R′≥ Ω≈4.9 Ω。

[答案]　(1)12 V　2 Ω　(2)R′≥4.9 Ω

在应用闭合电路欧姆定律时注意它的不同的变形式，根据变形式找出各个物理量之间存在的关系。

[跟进训练]

2．在如图所示的电路中，当开关S1断开、开关S2闭合时，电压表的读数为3 V；当开关S1、S2均闭合时，电压表的读数为1.8 V，已知电压表为理想电压表，外接电阻为R、电源内阻为r。由以上数据可知为(　　)

A．　　　 B．　　　 C．　　　 D．

D　[当开关S1断开、开关S2闭合时，电压表的读数等于电源的电动势，即E＝3 V。当开关S1、S2均闭合时，U外＝1.8 V，所以U内＝E－U外＝1.2 V，因U外＝IR，U内＝Ir，所以R∶r＝U外∶U内＝1.8∶1.2＝3∶2，故选项D正确。]

考点3　路端电压与外电阻的关系

1．路端电压和外电阻的关系

(1)当外电阻R增大时，根据I＝可知，总电流I减小，内电压Ir减小，根据U外＝E－Ir可知，路端电压U外增大。当外电路断开时，路端电压U外＝E。

(2)当外电阻R减小时，总电流I增大，内电压Ir增大，路端电压U外减小。外电路短路即R＝0时，电路中的电流I＝，U外＝0。

2．外电压U与电流I的关系

由U＝E－Ir可知，U­I图像是一条斜向下的直线，如图所示。

(1)图像中U轴截距E表示电动势。

(2)I轴截距I0等于短路电流。

(3)图线斜率的绝对值表示电源的内阻，即r＝。

　图像的纵坐标不从零开始时，图线与纵轴的交点仍表示电源电动势E，但图线与横轴的交点不表示短路电流。

【典例3】　(多选)如图所示为某一电源的U­I图线，由图可知(　　)

A．电源电动势为2 V

B．电源内电阻为 Ω

C．外电路短路时，电流为6 A

D．电路的路端电压为1 V时，电流为5 A

思路点拨：解此题关键是理解U­I图像中“截距”“斜率”的物理意义。

AD　[由U­I图线知，电源的电动势E＝2 V，A正确；r＝＝ Ω＝0.2 Ω，B错误；当U＝1 V时，I＝＝ A＝5 A，D正确；当路端电压为零时，对应的电流才是短路电流，由U­I图像知当电流为6 A时，路端电压为0.8 V，C错误。]

电阻的U­I图像与电源的U­I图像的区别

[跟进训练]

3．(多选)如图为某电源的U­I图像，电源的电动势用E表示，电源的内阻用r表示，短路电流用I0表示，则下列选项正确的是(　　)

A．E＝6.0 V

B．r＝12 Ω

C．I0＝0.5 A

D．若该电源与一阻值为18 Ω的定值电阻相连接，则流过电源的电流为0.3 A

AD　[因该电源的U­I图像的纵轴坐标并不是从零开始的，故纵轴上的截距虽为电源的电动势，即E＝6.0 V，但横轴上的截距0.5 A并不是电源的短路电流，且内阻应

按斜率的绝对值计算，即r＝＝ Ω＝2 Ω。由闭合电路欧姆定律可得，当电流I＝0.3 A时，外电阻R＝－r＝18 Ω。故A、D正确。]

1．(多选)关于电动势，下列说法正确的是(　　)

A．在电源内部把正电荷从负极移到正极，非静电力做功，电势能增加

B．对于给定的电源，移动正电荷的非静电力做功越多，电动势就越大

C．电动势越大，说明非静电力在电源内部从负极向正极移送单位正电荷做的功越多

D．电动势越大，说明非静电力在电源内部把正电荷从负极移送到正极的电荷量越多

AC　[电源是将其他形式的能转化为电势能的装置，是通过电源内部的非静电力做功来完成的，所以非静电力做功，电势能就增加，A正确；电源电动势是反映电源把其他形式的能转化为电势能本领大小的物理量。电动势在数值上等于移送单位正电荷所做的功，不能说电动势越大，非静电力做功越多，也不能说电动势越大，移送的电荷量越多，C正确，B、D错误。]

2．(多选)如图所示为两个独立闭合电路A和B的路端电压与其总电流I的关系图线，则(　　)

A．路端电压都为U1时，它们的外电阻相等

B．电流都是I1时，两电源内电压相等

C．电路A的电源电动势大于电路B的电源电动势

D．A中电源的内阻大于B中电源的内阻

ACD　[在路端电压与总电流的关系图线(U­I)中，图线在U轴上的截距表示电动势E，图线斜率的绝对值表示电源的内阻，可见EA>EB，rA>rB。图中两直线的交点坐标为(I1，U1)，由R＝可知，路端电压都为U1时，它们的外电阻相等。由U′＝Ir可知，电流都是I1时，因r不相等，故两电源内电压不相等。选项A、C、D正确。]

3．如图所示电路中，电源电动势E＝9 V，内阻r＝3 Ω，R＝15 Ω，下列说法中正确的是(　　)

A．当S断开时，UAC＝9 V

B．当S闭合时，UAC＝9 V

C．当S闭合时，UAB＝7.5 V，UAC＝9 V

D．当S断开时，UAB＝0，UBC＝0

A　[当S断开时，UAC与UBC为路端电压；等于电源电动势，A正确，D错误；当S闭合时，UAC＝UAB＝R＝7.5 V，UBC＝I×0＝0，B、C错误。]

4．(新情境题，以“温控装置”为背景，考查闭合电路的能量问题)如图所示是某温控装置的简化电路图，工作电路由电压为220 V的电源和阻值R＝88 Ω的电热丝组成；控制电路由电源(内阻不计)、电磁铁(线圈电阻R0＝20 Ω)、开关、滑动变阻器R2(取值范围0～80 Ω)和热敏电阻R1组成；R1阻值随温度变化的关系如表所示，当控制电路电流I≥50 mA时，衔铁被吸合切断工作电路；当控制电路电流I≤40 mA时，衔铁被释放接通工作电路。

问题：

(1)工作电路正常工作时，R在1 min内产生的热量是多少？

(2)当温度为60 ℃，滑动变阻器R2＝50 Ω时，衔铁恰好被吸合，控制电路的电源电压是多少？

(3)若控制电路的电源电压不变，此装置可控制的温度最大范围是多少？

[解析]　(1)工作电路由电压为220 V的电源和阻值R＝88 Ω的电热丝组成，则R在1 min内产生的热量为Q＝t＝×60 J＝3.3×104J。

(2)当温度为60 ℃时，由表格数据可知R1＝50 Ω，已知此时滑动变阻器R2＝50 Ω，则控制电路的总电阻为R总＝R1＋R2＋R0＝50 Ω＋50 Ω＋20 Ω＝120 Ω，此时衔铁恰好被吸合，则控制电路的电流为I＝50 mA＝0.05 A，由欧姆定律可得，控制电路的电源电压为U＝IR总＝0.05 A×120  Ω＝6 V。

(3)当控制电路电流I≥50 mA时，衔铁被吸合切断工作电路，由欧姆定律可得，控制电路的总电阻最大为R大＝＝Ω＝120 Ω，滑动变阻器R2(取值范围0～80 Ω)的最大电阻为80 Ω，根据串联电阻的规律，热敏电阻R1的阻值最小(此时温度最高)：R1＝R大－R2－R0＝120 Ω－80 Ω－20 Ω＝20 Ω，由表中数据知可控制的最高温度为80 ℃；当控制电路电流I≤40 mA时，衔铁被释放接通工作电路，由欧姆定律，控制电路的总电阻最小为R小＝＝Ω＝150 Ω，滑动变阻器R2的最小电阻为0时，根据串联电阻的规律，热敏电阻R1的阻值最大(此时温度最低)：R1′＝150 Ω－20 Ω＝130 Ω。由表中数据知可控制的最低温度为35 ℃，若控制电路电压不变，此装置可控制的温度最大范围为35 ℃～80 ℃。

[答案]　(1)3.3×104 J　(2)6 V　(3)35 ℃～80 ℃

回归本节知识，自我完成以下问题：

1．电动势的物理意义是什么？单位又是什么？

提示：反映电源把其他形式的能转化为电能本领的物理量。

单位：伏特，符号：V。

2．试写出闭合电路欧姆定律的内容及其表达式？

提示：流过闭合电路的电流跟电路中电源的电动势成正比，跟电路中内、外电阻之和成反比。

表达式：I＝。

3．试写出闭合电路中路端电压与电流的关系式及路端电压与外电阻的关系式？

提示：U＝E－Ir，U＝E－r。