12.2 闭合电路的欧姆定律 (人教版新教材)高中物理必修三第十二章【知识点+练习】

2 闭合电路的欧姆定律1.知道电源的作用，了解电路中静电力和非静电力做功与能量转化的关系，知道电动势的概念.2.能够根据能量守恒定律推导闭合电路的欧姆定律.3.掌握闭合电路的欧姆定律并会分析路端电压与负载的关系．一、电动势1．非静电力的作用：把正电荷从负极搬运到正极，同时在该过程中非静电力做功，使电荷的电势能增加．2．电源(1)定义：通过非静电力做功把其他形式的能转化为电势能的装置．(2)能量转化：在电源内部，非静电力做正功，其他形式的能转化为电势能，在电源外部，静电力做正功，电势能转化为其他形式的能．3．电动势(1)电动势：在电源内部，非静电力把正电荷从负极移送到正极所做的功W 与被移送电荷量q 的比值．(2)定义式：E ＝W q.单位：伏特(V)． (3)物理意义：反映电源非静电力做功本领大小的物理量．(4)决定因素：由电源中非静电力的特性决定，跟电源的体积无关，跟外电路无关．二、闭合电路欧姆定律及其能量分析1．闭合电路中的能量转化(1)时间t 内电源输出的电能(等于非静电力做功的大小)为W ＝Eq ＝EIt .(2)时间t 内外电路产生的内能为Q 外＝I 2Rt .内电路产生的内能为Q 内＝I 2rt .(3)根据能量守恒定律，在纯电阻电路中应有W ＝Q 外＋Q 内，即EIt ＝I 2Rt ＋I 2rt .2．闭合电路的欧姆定律(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)表达式：I ＝E R ＋r. (3)另一种表达形式：E ＝U 外＋U 内．即：电源的电动势等于内、外电路电势降落之和．三、路端电压与负载的关系1．路端电压的表达式：U ＝E －Ir .2．路端电压随外电阻的变化规律(1)当外电阻R 增大时，由I ＝E R ＋r可知电流I 减小，路端电压U ＝E －Ir 增大． (2)当外电阻R 减小时，由I ＝E R ＋r可知电流I 增大，路端电压U ＝E －Ir 减小． (3)两种特殊情况：当外电路断开时，电流I 变为0，U ＝E .即断路时的路端电压等于电源电动势．当电源短路时，外电阻R ＝0，此时I ＝E r .一、电动势1．静电力和非静电力(1)静电力是带电体之间通过电场相互作用的力，非静电力是指除静电力外能对电荷移动起作用的力 .(2)非静电力的来源①在化学电池(干电池、蓄电池)中，非静电力是化学作用，它使化学能转化为电势能．①在发电机中，非静电力是电磁作用，它使机械能转化为电势能．2．静电力与非静电力做功的比较(1)非静电力只存在于电源内部，因此非静电力只在电源内部对电荷做功．通过非静电力做功将其他形式的能转化为电能．(2)静电力存在于整个闭合电路上，所以在电路中任何部位静电力都要做功．静电力做功将电能转化为其他形式的能．3．电动势(1)电源的电动势是表征电源把其他形式的能转化为电能的本领大小的物理量，即非静电力移送相同电荷量的电荷做功越多，则电动势越大．(2)公式E ＝W q是电动势的定义式而不是决定式，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．(3)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．二、闭合电路的欧姆定律1.内、外电路中的电势变化如图所示，外电路中电流由电源正极流向负极，沿电流方向电势降低，内电路中电流由电源负极流向正极，沿电流方向电势升高．2．闭合电路欧姆定律的几种表达形式(1)I＝ER＋r、E＝IR＋Ir只适用于外电路为纯电阻的闭合电路．(2)U外＝E－Ir，E＝U外＋U内适用于任意的闭合电路．三、路端电压与负载的关系1．路端电压与负载的关系：U＝E－U内＝E－ER＋rr，随着外电阻增大，路端电压增大；当外电路开路时(外电阻无穷大)，路端电压U＝E；这也提供了一种粗测电动势的方法，即用电压表直接测电源电动势．2.路端电压与电流的关系：U＝E－Ir.3．电源的U－I图像：如图所示是一条倾斜的直线，图像中U轴截距E表示电源电动势，I轴截距I0等于短路电流(纵、横坐标都从零开始)，斜率的绝对值表示电源的内阻．1．如图所示电路中，R、0R为定值电阻，C为电容器，0t=时闭合开关S，在t t=0时刻断开S，下列关于流过电阻R的电流i随时间t变化的图象中，可能正确的是()A．B．C．D．2．将三个不同的电源1、2、3的U-I图线画在同一坐标轴上，如图所示，其中1和2平行，它们的内阻分别是r1、r2、r3，电动势分别是E1、E2、E3，则它们间的关系是（）A．r1=r2＜r3，E1﹥E2=E3B．r1﹥r2﹥r3，E1=E2＜E3C．r1﹥r2=r3，E1＜E2=E3D．r1=r2﹥r3，E1=E2﹥E3R的滑片向下滑动的过程中，下列3．如图所示电路，电源内阻不可忽略，开关S闭合后，在滑动变阻器说法正确的是（）A．电压表的示数增大，电流表的示数减小B．电压表的示数减小，电流表的示数增大C．电压表与电流表的示数都增大D．电压表与电流表的示数都减小4．在如图所示的电路中，闭合开关S，当滑动变阻器的滑片P向下移动时，下列选项正确的是（）A．A1的示数增大，A2的示数减小B ．A 1、A 2的示数均增大C ．电源的输出功率减小D ．电源的效率增大5．如图所示，接通电键S ，灯泡L 1、L 2都正常发光。

2．闭合电路的欧姆定律课程标准1.理解闭合电路欧姆定律。

2．会测量电源电动势和内阻。

3．探究电源两端电压与电流关系。

素养目标1.知道内电路、外电路、内电压、外电压和电动势的概念。

(物理观念) 2．理解闭合电路欧姆定律，知道电流流过电源内部和外部时的能量关系，会用闭合电路欧姆定律分析路端电压与外电阻的关系，能进行相关的分析和计算。

(科学思维)一、电动势1．闭合电路：由导线、电源和用电器连成的电路叫作闭合电路。

用电器和导线组成外电路，电源内部是内电路。

2．非静电力的作用：在电源内部，非静电力把正电荷从负极搬运到正极，在该过程中非静电力做功，使电荷的电势能增加，将其他形式的能量转化为电势能。

3．电动势：(1)定义：在电源内部，非静电力把正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功W 与被移送电荷q 的比值。

(2)公式：E ＝Wq 。

(3)单位：伏特。

简称：伏，符号：V 。

【生活链接1】不同型号的电池如图所示，能否依据电池体积的大小判断电池电动势的大小？为什么？提示：不能，因为电动势由电源中非静电力的特性决定，对于常用的干电池来说，电动势跟电池的体积无关。

二、闭合电路的欧姆定律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＝ER r；适用范围：纯电阻电路。

3．常用的变形公式：E＝U外＋U内或U外＝E－Ir；适用范围：任何闭合电路。

【生活链接2】手电筒中的电池用久了，虽然电动势没减少多少，但小灯泡却不怎么亮了。

请思考小灯泡变暗的原因。

提示：电池用久了，内阻变大，根据闭合电路的欧姆定律知总电流变小，因此小灯泡不怎么亮了。

三、路端电压与负载的关系1．路端电压与外电阻的关系：U外＝E－U内＝E－ER＋rr。

结论：(1)R增大→U外增大；(2)外电路断路时U外＝E；(3)外电路短路时U外＝0。

2．路端电压与电流的关系：(1)公式：U外＝E－Ir。

(2)图像(U-I图像)：如图所示是一条倾斜的直线，该直线与纵轴交点的坐标表示电动势E，斜率的绝对值表示电源内阻r。

第12章电能能量守恒定律1.电路中的能量转化 (1)2.闭合电路的欧姆定律 (5)3.实验：电池电动势和内阻的测量 (11)4.能源与可持续发展 (17)1.电路中的能量转化一、电功和电功率1．电流做功的实质：导体中的恒定电场对自由电荷的静电力做功。

2．电功(1)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。

(2)公式：W＝UIt。

(3)单位：国际单位是焦耳，符号是J。

3．电功率(1)定义：电流在一段电路中所做的功与通电时间之比。

(2)公式：P＝Wt＝UI。

(3)单位：国际单位是瓦特，符号是W。

二、焦耳定律1．内容：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。

2．表达式：Q＝I2Rt。

3．热功率三、电路中的能量转化1．电动机工作时的能量转化(1)能量关系：电动机从电源获得的能量一部分转化为机械能，还有一部分转化为内能。

(2)功率关系：电动机消耗的功率P电等于电动机的输出功率P机与电动机损失的功率P损之和，即：P电＝P机＋P损，P电＝UI，P损＝I2R。

2．电池充电时的能量转化电池从电源获得的能量一部分转化为化学能，还有一部分转化为内能。

考点1：串、并联电路中电功率的计算1．串联电路功率关系(1)各部分电路电流I相同，根据P＝I2R，各电阻上的电功率与电阻成正比。

(2)总功率P总＝UI＝(U1＋U2＋…＋U n)I＝P1＋P2＋…＋P n。

2．并联电路功率关系(1)各支路电压相同，根据P＝U2R，各支路电阻上的电功率与电阻成反比。

(2)总功率P总＝UI＝U(I1＋I2＋…＋I n)＝P1＋P2＋…＋P n。

3．结论无论是串联电路还是并联电路，电路消耗的总功率均等于各负载消耗的功率之和。

【例1】有额定电压都是110 V，额定功率P A＝100 W，P B＝40 W 的电灯两盏，若接在电压是220 V的电路上，两盏电灯均能正常发光，那么电路中消耗功率最小的电路是( )A B C D思路点拨：(1)电路的总功率等于各用电器消耗的功率之和。

第2节 闭合电路的欧姆定律课程内容要求核心素养提炼1．知道非静电力做功，理解电动势的概念．2．经历闭合电路欧姆定律的理论推导过程，体验能量转化和守恒定律在电路中的具体应用，理解内、外电路的能量转化．3．理解内、外电路的电势降落，理解闭合电路欧姆定律． 4．会用闭合电路欧姆定律分析路端电压与负载的关系，并能进行相关的电路分析和计算．1．物理观念：电动势、内阻、路端电压．2．科学思维：(1)通过闭合电路的能量转化推导闭合电路欧姆定律． (2)通过公式和图像法分析路端电压与负载的关系．一、电动势 1．非静电力(1)非静电力的作用：电源把正电荷从负极搬运到正极的过程中，非静电力在做功，把其他形式的能转化为电势能．(2)非静电力的实质：在电池中是指化学作用，在发电机中是指电磁作用． 2．电动势(1)物理意义：反映电源非静电力做功的本领的大小．(2)大小：在数值上等于非静电力把1 C 的正电荷在电源内部从负极移送到正极所做的功．即E ＝W 非q．(3)单位：伏特(V)．(4)大小的决定因素：由电源中非静电力的特性决定，跟外电路无关．对于常用的干电池来说，电动势跟电源的体积无关．[思考]在电源中，非静电力的作用是什么？提示 在电源内部，非静电力做功，把一定数量的正电荷从负极搬运到正极，使电荷的电势能增加，从而把其他形式的能转化为电势能．二、闭合电路欧姆定律及其能量分析 1．闭合电路的组成闭合电路由内电路和外电路两部分组成．闭合电路—⎪⎪⎪⎪⎪⎪—外电路—用电器、导线组成外电路，也就是电源之外的电路部分在外电路中，电流的方向为从电源的正极流向负极，沿电流方向电势降低—内电路—电源内部的电路在内电路中，电流的方向为从电源的负极流向正极，沿电流方向电势升高 2．闭合电路中的能量转化如图所示，电路中电流为I ，在时间t 内，非静电力做的功等于内、外电路中电能转化为其他形式的能的总和，即EIt ＝I 2Rt ＋I 2rt ．3．闭合电路的欧姆定律闭合电路的欧姆定律—⎪⎪⎪⎪⎪—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—公式：I ＝E R ＋r ，适用于纯电阻电路—变形公式：E ＝U 外＋U 内或U ＝E －Ir ，适用于任何闭合电路三、路端电压与负载的关系 1．路端电压与电流的关系 (1)公式：U ＝E －Ir ．(2)图像(U －I 图像)：如图所示是一条倾斜的直线，该直线与纵轴交点的纵坐标表示电动势，斜率的绝对值表示电源的内阻．2．路端电压随外电阻的变化规律(1)当外电阻R 增大时，电流I 减小，外电压U 增大，当R 增大到无限大(断路)时，I ＝0，U ＝E ，即断路时的路端电压等于电源的电动势．(2)当外电阻R 减小时，电流I 增大，路端电压U 减小，当R 减小到0时，I ＝E /r ，U ＝0．可见，当电源两端短路时，通过电源的电流最大，此时容易烧坏电源，绝对不允许将电源两端用导线直接连接在一起．[判断](1)闭合电路中沿着电流的方向电势一定降低．(×)(2)在纯电阻电路中，闭合电路的电流跟内、外电路电阻之和成反比．(√)(3)电路断开时，电路中的电流为0，路端电压也为0．(×)探究点一闭合电路欧姆定律的理解和应用如图所示为一闭合电路，电源的电动势为E，内阻为r，外电阻的阻值为R．闭合开关后电路的电流为I．试结合上述情境，讨论下列问题：(1)写出闭合电路欧姆定律的表达式．有几种不同形式？(2)几种不同形式的表达式，其适用条件各是什么？提示(1)I＝ER＋r，E＝U＋U内，E＝U＋Ir．(2)I＝ER＋r适用于外电路为纯电阻的闭合电路，E＝U＋U内和E＝U＋Ir，适用于所有的闭合电路．1．三种表达方式(1)I＝ER＋r(2)E＝U外＋U内(3)E＝IR＋Ir2．当电源没有接入电路时，因无电流通过内电路，所以U内＝0，此时E＝U外，即电源的电动势等于电源没有接入电路时的路端电压．3．I＝ER＋r或E＝I(R＋r)只适用于外电路为纯电阻的闭合电路，U外＝E－Ir和E＝U外＋U内适用于所有的闭合电路．4．闭合电路的欧姆定律反映的只是电动势和电压的数量关系，它们的本质是不同的，电动势反映了电源把其他形式的能转化为电能本领的大小；而路端电压反映了外电路中电能转化为其他形式能的本领大小．在如图所示的电路中，R 1＝9 Ω，R 2＝5 Ω，当a 、b 两点间接理想的电流表时，其读数为0.5 A ；当a 、b 两点间接理想的电压表时，其读数为1.8 V ．求电源的电动势和内电阻．解析 当a 、b 两点间接理想的电流表时，R 1被短路，回路中的电流I 1＝0.5 A ，由闭合电路欧姆定律得E ＝I 1(R 2＋r )代入数据得E ＝0.5(5＋r )①当a 、b 两点间接理想的电压表时，回路中的电流 I 2＝U R 1＝1.89A ＝0.2 A由闭合电路欧姆定律得E ＝I 2(R 2＋R 1＋r ) E ＝0.2(5＋9＋r )②联立①②式得E ＝3 V ，r ＝1 Ω． 答案 3 V 1 Ω[题后总结] 应用闭合电路的欧姆定律解题的技巧(1)利用闭合电路欧姆定律解题，关键要明确外电路各电阻的连接关系，求出R 外． (2)明确电流表、电压表的示数为哪部分电路的电流、电压值．(3)利用串、并联电路的规律列出相应的方程，联立求解各部分电路的电压、电流、功率等．[训练1] 有两个相同的电阻，阻值为R ，串联起来接在电动势为E 的电源上，通过每个电阻的电流为I ；若将这两个电阻并联，仍接在该电源上，此时通过一个电阻的电流为2I3，则该电源的内阻是( ) A ．R B ．R2C ．4RD ．R 8C [由闭合电路欧姆定律得，两电阻串联时，I ＝E 2R ＋r，两电阻并联时，23I ＝12·ER 2＋r ，解得r ＝4R ．][训练2] 如图所示，电源的电动势为6 V ，内阻为1 Ω，R 1＝5 Ω，R 2＝10 Ω，滑动变阻器R 3的阻值变化范围为0～10 Ω，求电路的总电流的取值范围．解析 当R 3的阻值为0时，R 2被短路，外电阻最小，电路的总电流最大． R 外＝R 1＝5 Ω，I ＝E R 外＋r ＝65＋1A ＝1 A当R 3的阻值为10 Ω时，外电阻最大，电路的总电流最小． R 并＝R 3R 2R 3＋R 2＝5 Ω，R 外′＝R 1＋R 并＝10 ΩI ′＝E R 外′＋r ＝610＋1 A ≈0.55 A ．答案 0.55～1 A探究点二 路端电压与负载的关系如图，以电路的电流为横轴，路端电压为纵轴，建立路端电压U 与电流I 的U －I 图像．请思考，图线与纵轴的交点表示的物理意义是什么？纵坐标从0开始时，图线与横轴的交点表示的物理意义是什么？直线的斜率的绝对值表示的物理意义又是什么？提示 图线与纵轴的交点表示电源的电动势；纵坐标从0开始时，图线与横轴的交点表示短路电流；图线斜率的绝对值表示电源的内阻，即r ＝⎪⎪⎪⎪ΔU ΔI ．1．路端电压随外电阻的变化规律(1)外电阻R 增大时，电流I 减小，内电压减小，路端电压U 增大，当R 增大到无限大(断路)时，I ＝0，U ＝E ，可由此测出电源两极间的电压，即为电动势．(2)外电阻R 减小时，电流I 增大，内电压增大，路端电压U 减小，当R 减小到0(短路)时，I 短＝Er，U ＝0，因为r 很小，则此时I 短很大，则会烧坏电源，甚至引起火灾．2．路端电压U 随电流I 变化的图像(即电源的U －I 关系图像)(1)U －I 图像的函数表达式： U ＝E －Ir ．(2)U －I 图像特点：位于第一象限，与横纵坐标轴相交的倾斜直线，如图所示． (3)推论．①外电路断路时，I ＝0，由U ＝E －Ir 知，U ＝E ，所以U －I 图像纵轴上的截距表示电源的电动势E ，即断路时，路端电压在数值上等于电源的电动势．②外电路短路时：U ＝0，所以U －I 图像横轴上的截距表示电源的短路电流I 短＝Er ，因此电源的内阻r ＝EI 短，即内阻等于U －I 图像斜率的绝对值．(多选)用如图甲所示的电路来测量电池电动势和内阻，根据测得的数据作出了如图乙所示的U －I 图像，由图可知( )A ．电池电动势的测量值是1.4 VB ．电池内阻的测量值是3.5 ΩC ．外电路发生短路时的电流为0.4 AD ．电压表的示数为1.2 V 时，电流表的示数I ′＝0.2 AAD [由闭合电路欧姆定律U ＝E －Ir 知，当I ＝0时，U ＝E ＝1.4 V ．U －I 图线的斜率表示电源的内阻，则r ＝ΔU ΔI ＝1.4－1.00.4－0 Ω＝1 Ω．纵轴的刻度值不是从0开始的，则U －I 图线的横轴截距不再表示U ＝0时的短路电流，而是表示路端电压为1 V 时的干路电流是0.4 A ，因为ΔUΔI ＝r ＝常数，从图中易知1.4－1.2I ′＝1.4－1.00.4，所以I ′＝0.2 A ．][题后总结] 电源的U －I 图像与电阻的U －I 图像的比较电源电阻U －I 图像研究对象 电源导体物理意义 电源的输出特性曲线 反映了I 跟U 的正比关系 斜率 斜率的绝对值表示电源的内阻斜率表示导体的电阻[训练3] 如图所示是某电源的路端电压与电流的关系图像，下列结论正确的是( ) A ．电源的电动势为1.0 V B ．电源的内阻为2.0 Ω C ．电源的短路电流为0.5 AD ．电源的内阻为12.0 ΩB [由闭合电路欧姆定律U ＝E －Ir 得，当I ＝0时，U ＝E ，即图线与纵轴交点表示断路状态，电动势E ＝6.0 V ，故选项A 错误；电源的内阻等于图线斜率的绝对值大小，r ＝⎪⎪⎪⎪ΔU ΔI ＝⎪⎪⎪⎪6.0－5.00.5 Ω＝2.0 Ω，故选项B 正确，选项D 错误；外电阻R ＝0时，短路电流为I ＝Er ＝6.02.0A ＝3.0 A ，故选项C 错误．] [训练4] (多选)如图所示，用两节干电池点亮几只小灯泡，当逐一闭合开关，接入灯泡增多时，下列说法正确的是( )A ．灯少时各灯较亮，灯多时各灯较暗B ．灯多时各灯两端的电压较低C ．灯多时通过电池的电流较大D ．灯多时通过各灯的电流较大ABC [由于灯泡并联在电路中，所以接入电路的灯泡越多，总电阻越小，电路的总电流越大，选项C 正确；此时电源的内电压越大，路端电压越低，选项B 正确；流过每只灯泡的电流越小，每只灯泡越暗，选项A 正确，选项D 错误．]探究点三 电路故障的分析方法1．电压表检测法(1)断路故障的判断：用电压表与电源并联，若电压表的示数不为0，说明电源完好，再将电压表逐段与电路其他元件并联，若电压表指针偏转，则这段电路中有断点．(2)短路故障的判断：用电压表与电源并联，若电压表的示数不为0时，再逐段与电路其他元件并联，若电压表的示数为0，该段电路被短路；若电压表的示数不为0，则该段电路没被短路．2．假设法已知电路发生某种故障，寻找故障发生在何处时，可将整个电路划分为若干部分，然后逐一假设某部分电路发生故障，进行推理，推理结果若与题述物理现象符合，则故障可能发生在这部分电路．直到找出发生故障的具体位置．如图所示，电灯L 标有“4 V 1 W ”，滑动变阻器R 的总电阻为50 Ω．当滑片P 滑至某位置时，L 恰好正常发光，此时电流表示数为0.45 A ．由于外电路发生故障，电灯L 突然熄灭，此时电流表的示数变为0.5 A ，电压表的示数为10 V ．若导线连接完好，电路中各处接触良好．求：(1)发生的故障是短路还是断路，发生在何处； (2)发生故障前，滑动变阻器接入电路的阻值； (3)电源的电动势和内电阻．解析 (1)电路发生故障后，电流表的示数增大，路端电压U 端＝U 1＝I 1R 1也增大，可知外电路的总电阻增大，一定在外电路某处发生断路．由于电流表有示数，R 1不可能断路，电压表也有示数，滑动变阻器R 也不可能断路，只可能是电灯L 发生断路．(2)L 断路后，外电路只有R 1，因无电流流过R ，电压表的示数等于路端电压，U 1＝U 端＝10 V ，R 1＝U 1I 1＝100.5 Ω＝20 Ω．L 未断路时恰好正常发光，U L ＝4 V ，I L ＝P LU L ＝0.25 A ，U 端′＝U 1′＝I 1′R 1＝0.45×20 V ＝9 V ，R ＝U R I R ＝U 端′－U L I L ＝9－40.25Ω＝20 Ω．(3)根据闭合电路欧姆定律E ＝U ＋Ir ，故障前E ＝9 V ＋(0.45 A ＋0.25 A)r ，故障后E ＝10V＋0.5 A·r，得E＝12.5 V，r＝5 Ω．答案(1)断路灯L(2)20 Ω(3)12.5 V 5 Ω。