【知識點】高考物理之閉合電路的歐姆定律及例題解析


閉合電路歐姆電路內容

閉合電路的電流跟電源的電動勢成正比,跟內、外電路的電阻之和成反比。

公式:I=E/(R+r),I表示電路中電流,E表示電動勢,R表示外總電阻,r表示電池內阻。

常用的變形式:

E=I (R+r);

E=U外+U內;

U外=E-Ir。


相關定義

①內電路:電源內部的電路叫做閉合電路的內電路。

②內阻:內電路的電阻叫做電源的內阻。

③內電壓:當電路中有電流通過時,內電路兩端的電壓叫內電壓,用U內表示。

④外電路:電源外部的電路叫閉合電路的外電路。

⑤外電壓:外電路兩端的電壓叫外電壓,也叫路端電壓,用U外表示。

⑥電動勢:電動勢表示在不同的電源中非靜電力做功的本領,常用符號E(有時也可用ε)表示。

意義說明:

定律說明了閉合電路中的電流取決於兩個因素即電源的電動勢和閉合迴路的總電阻,這是一對矛盾在電路中的統一。變式E=U外+U內=I (R+r)則說明了在閉合電路中電勢升和降是相等的。

①用電壓表接在電源兩極間測得的電壓是路端電壓U外,不是內電路兩端的電壓U內,也不是電源電動勢,所以U外

②當電源沒有接入電路時,因無電流通過內電路,所以U內=0,此時E=U外,即電源電動勢等於電源沒有接入電路時的路端電壓。

③式E=I (R+r)只適用於外電路為純電阻的閉合電路。U外=E-Ir和E=U外+U內適用於所有的閉合電路。

功率計算

路端電壓與電動勢 :

當電源兩極斷開、電源內部處於平衡狀態時:E+K=0 E=U外

當外電路接通,電路中將出現電流,這時上式應代之以 : E+K=j/σ

路端電壓與外電阻R :

當外電阻R增大時,根據可知,電流I減小(E和r為定值) ;內電壓Ir減小,根據U外=E―Ir可知路端電壓U外增大 ;當外電路斷開時,I=0,此時U外=E。當外電阻R減小時,根據可知,電流I增大 ;內電壓Ir增大。根據U外=E―Ir可知路端電壓U外減小;當電路短路時,R=0,U外=0。

①當外電路斷開時,R=∞,I=0,Ir=0,U外=E,此為直接測量電源電動勢的依據。

②當外電路短路時,R=0,(短路電流)I=E/r,U外=0,由於電源內阻很小,所以短路時會形成很大的電流,這就要求我們絕對不能把電源兩極不經負載而直接相連接。

電路功率:

電源的總功率為:P總=IE(只適用於外電路為純電阻的電路)

電源內阻消耗的功率為:P內=I^2r

電源的輸出功率:P出=IU外(只適用於外電路為純電阻的電路)

電源輸出的最大率:P=I^2*R→Pmax=E^2/4r(r為電源內阻)

功率分配關係:

P=P出+P內,即EI=UI+I^2*r。

閉合電路上功率分配關係,反映了閉合電路中能量的轉化和守恆,即電源提供的電能,一部分消耗在內阻上,其餘部分輸出給外電路,並在外電路上轉化為其它形式的能,能量守恆的表達式為 :EIt=UIt+I^2rt(普遍適用) EIt=I^2Rt+I^2rt(只適用於外電路為純電阻的電路)。

電源效率:

(只適用於外電路為純電阻的電路)

由EIt=I^2Rt+I^2rt可知,外電阻R越大,電源的效率越高。輸出功率最大時,R=r,此時電源的效率η=50%。當R>r時,外電阻R越大,電源的輸出功率越低。(輸出功率與電阻關係圖像類似山峰輪廓,但不對稱。)

當兩個外電路符合R1×R2=r^2時,兩個電路輸出功率相等

η=U/E=R/R+r(斜體字只適用於外電路為純電阻的電路)

路端電壓與外電阻:

(1)當外電阻R增大時,根據I=E/(R+r)可知,電流I減小(ε和r為定值),內電壓Ir減小,根據U=ε-Ir可知路端電壓U增大。

特例:當外電路斷開時,R=∞,I=0,Ir=0,U=ε。

(2)當外電阻R減小時,根據I=E/(R+r)可知,電流I增大,內電壓Ir增大,根據U=ε-Ir可知路端電壓U減小。

特例:當外電阻R=0(短路)時,I=E/r,內電壓Ir=ε,路端電壓U=0。

例 題 剖 析

【例1】在如圖所示的電路中,在滑動變阻器R2的滑動頭向下移動的過程中,電壓表V和電流表A的示數變化情況如何?

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【解析:】

R2的滑動頭向下移動的過程中變阻器的電阻增大,則外電路總電阻也增大,據串聯電路的特點(外電路與內阻串聯),路端電壓也增大,即電壓表V讀數增大。據歐姆定律:總電阻增大,電路中總電流 I定要減少,又因為R1不變,所以IR1減少,由上分析路端電壓增大,所以R2、R3兩端電壓增大,R3不變,通過其電流要增大,所以通過R2的電流一定減少。

【點撥:】

處理此類問題的方法是:一要抓住變化中的不變因素,如電源的E、r等;二要從電阻的變化情況入手;

一般的分析思路是:將部分電路的歐姆定律和閉合電路的歐姆定律結合起來,從局部到整體,再回到局部,分析電路中的電流及電壓變化。

【例2】電動勢為2V的電源與一個阻值為9Ω的電阻構成閉和迴路,測得電源兩端電壓為1.8V,求電源的內電阻。

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【解析:】畫出如圖電路圖,U外=1.8V由E=U外+U內得U內=0.2V,I=U外/R=0.2A,r=U內/I=1Ω。

【點撥:】閉合電路歐姆定律和部分電路歐姆定律往往結合起來應用


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