高二物理电路工作状态的分析电池组北师大版知识精讲.docx
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高二物理电路工作状态的分析电池组北师大版知识精讲
高二物理电路工作状态的分析;电池组北师大版
【本讲教育信息】
一.教学内容:
电路工作状态的分析;电池组
1.闭合电路中的能量转化
(1)电源的总功率(P总)
单位时间由电源提供的电能:
P总=EI。
(2)电源的输出功率(P出)
电源向外电路输送的功率:
P出=UI。
(3)电源损耗的功率(P内)
电源内阻上消耗的热功率:
P内=I2r。
(4)闭合电路中能的转化与守恒
(6)电源的输出功率与外电阻的关系
②图像如图所示。
2.串联电池组的特点
(1)电动势等于各个电池电动势之和。
(2)内阻等于各个电池的内阻之和。
3.电容器在电路中的作用
在稳恒电流的电路中,当电路稳定时电容器的作用相当于断路,此时电容器的两极板电势差与它所跨接处的电势差相等,因此在分析电路结构时,可认为不存在电容器。
当电路的结构发生变化,电容器两端的电势差也随之变化时,电容器要充电或者放电,此时电容器所在的支路有变化的电流流过,直到电路重新稳定,电容器两端的电势差再次与对应跨接点的电势差相等为止,这一过程中,通过电容器所在支路的电量,数值上等于电容器极板上电荷的变化量。
【典型例题】
例1.如图所示的电路中,电源电动势E=6.0V,内电阻r=1.0Ω,电阻R=0.50Ω,R0的最大值为4.5Ω,求:
(1)当变阻器的阻值R0=4.5Ω时,电源释放的电功率和输出的电功率。
(2)变阻器的阻值R0多大时,电源的输出功率是8W。
(3)变阻器的阻值R0多大时,电源的输出功率最大,最大的输出功率是多少。
(4)可变电阻R0上消耗热功率最大的条件和最大热功率。
(5)电池的内电阻r和固定电阻R上消耗的最小热功率之和。
分析:
这是一道考查闭合电路欧姆定律及电功率计算,运用数学求功率极值问题。
对于(4)、(5)两问,首先应写出其功率表达式,然后再用数学方法求极值。
解:
(1)当R=4.5Ω时,回路电流
将数据代入得:
注:
也可先求出电流再求R0更方便,电源输出功率:
(4)可变电阻R0消耗热功率:
注:
这一过程也可把(R+r)等效为电路内阻r',将R0看做外电阻,利用当内、外电
析。
例2.如图所示,直线OAC为某一直流电源的总功率P总随电流I变化的图线,抛物线OBC为同一直流电源内部热功率Pr,随电流I变化的图线,若A、B对应的横坐标为2A,那么线段AB表示的功率及I=2A对应的外电阻是()
A.2W,2ΩB.4W,2Ω
C.2W,1ΩD.6W,2Ω
分析:
这是电学的一道图象题,注意图象和函数表达式应该是一致的,对电源总功率P总=E×I,故斜率为电动势E,对电源内部热功率P内=I2r,函数图象为抛物线
解:
由C点代入可得到P总=E×I,E=3V
对一个电源而言,I、R外可以变化,E、r是不变的
∴本题选A
例3.如图所示电路中,电池的电动势是30V,内阻是1Ω,灯泡L的额定值是“6V、12W”,电动机线圈的电阻RM=2Ω,灯泡恰能正常发光,求电动机的输出功率。
分析:
这是一个非纯电阻电路的问题,要弄清电路中能量转化关系
解:
例4.如图所示,E=10V,R=4Ω,R2=6Ω,C=30μF,电源内阻可忽略。
求:
(1)闭合开关S,稳定后通过R1的电流。
(2)将开关S断开,求这以后过R1的总电量。
分析:
当S闭合达到稳定后,电容器隔直相当于断路,即电路结构为R1和R2串联,同时在这种状态下电容器两端的电压即为电阻R2两端的电路。
当S断开后,待电路再次达到稳定时,R1上没有电流通过,此时相当于电容器C直接与电池两端相连。
由于电容器在先后两次达到稳定状态时所带电荷量不同(但极板带电极性不变),因此要通过R1进行充电,而新补充的电荷量将是“这以后流过R1的总电荷量”。
解:
(2)S闭合,电容器上电压为IR2,储存的电量q1=CIR2。
断开S,待稳定后,电容器上的电压为E,储存的电量q2=CE,故流过R1的总电量Δq=C(E-IR2)=1.2×10-4C。
小结:
在解本题时有的学生认为,将开关S断开,电路稳定后,电阻R1、R2中均无电流,都可认为是断路,错误地把电容器两端电压当作零,由此得出Δq=0-CIR2=-1.8×10-4C的错误结果。
造成错误的主要原因是:
对电容器充放电过程缺乏清晰的认识,因为断开S前,电容器处于充电状态,电容器两端电压为IR2=6V;断开S瞬间,R2已断路,不存在放电回路,由于电源电压高于电容器原来的电压,电源继续对电容器充电(充电过程瞬间完成),故电路稳定后,不论视R1为短路或视其为断路,电容器C的电压只能为E,而不为零。
【模拟试题】
1.下列说法中正确的是()
A.闭合电路中,外电阻越大,电源的输出功率越大
B.闭合电路中,电流越大,电源的输出功率越大
C.闭合电路中,电源的输出功率越大,电源效率越高
D.闭合电路中,外电阻越大,电源的效率越高
2.电动势为6V的电池在电路上输出的电流为1A,可以断定()
A.外电阻是6Ω
B.内、外电阻之和是6Ω
C.电源提供的功率是6W
D.电源输出的功率为6W
3.如图1所示,电源电动势为30V,内阻为1Ω,一只“6V,12W”的白炽灯与一个绕线电阻为2Ω的电动机串联,已知电路中电灯正常发光,则电动机输出功率为()
图1
A.36WB.44WC.48WD.60W
4.一平行板电容器的极板水平放置,它和三个可变电阻及电源连成如图2所示电路,质量为m的带电液滴悬浮在两板间静止,要使液滴上升,可行的是()
图2
A.仅增大R1B.仅增大R2
C.仅减小R2D.仅增大R3
5.随身听对耳机来说可以看成是一个有一定内阻的电源,而耳机则是该电源的负载电阻,其阻值大约在8~32Ω之间,随品牌和型号不同而不同,为了达到输出最大功率,则各品牌产品的随身听与耳机是搭配好的。
若换了另一副耳机发现声音变轻,其原因可能是()
A.换上的耳机其电阻偏小
B.换上的耳机其电阻偏大
C.换上的耳机的电阻与原配耳机一样,但有可能转为声能的效率较低
D.以上答案都正确
6.如图3所示的电路中,电源的电动势恒定,要想使灯泡变暗,可以()
图3
A.增大R1B.减小R1C.增大R2D.减小R2
7.如图4所示电路,电容器C的上极板带正电,为了使该极板仍带正电且电量增多,下列办法中可采用的是()
图4
A.增大R1,其它不变
B.增大R2,其它不变
C.增大R3,其它不变
D.增大R4,其它不变
8.如图5所示的电路中,电源的电动势为E,内阻不计,电容器电容为C,电阻,开关S断开,今将S闭合,由S闭合到电路稳定的过程中通过R3的电量是()
图5
A.EC/5B.2EC/5C.3EC/5D.EC
9.如图6所示电路中,电阻,C为电容,当四个电阻中有一个发生断路时,发现P点有自上而下的电流通过,则这只断路的电阻可能是()
图6
10.直流电源的电动势为E、内电阻为r,用它给直流电动机供电使之工作。
电动机的线圈电阻是R,电动机两端的电压为U,通过电动机的电流强度为I,导线电阻不计,若经过时间t,则()
A.电流在整个电路中做的功等于
B.电流在整个电路中做的功等于
C.电动机输出的机械能等于
D.电动机输出的机械能等于
11.如图7所示,用两节干电池点亮几个小灯泡,当逐一闭合开关,接入灯泡增多时,以下说法正确的是()
图7
A.灯少时各灯较亮,灯多时各灯较暗
B.各灯两端电压灯多时较低
C.通过电池的电流灯多时较大
D.电池输出功率灯多时较大
12.如图8所示,直线A为电源的路端电压U与电流I关系的图像,直线B是电阻R的两端电压U与电流I的关系图像。
用该电源与电阻R组成闭合电路,电阻R=___________,电源内阻r=___________,电源的输出功率为____________。
图8
13.将电动势为30V,内阻为1Ω的电源与一盏额定电压为6V,额定功率为12W的小灯泡及一台线圈电阻为2Ω的电动机串联成闭合电路,小灯泡刚好正常发光。
则工作时
(1)通过电动机的电流强度为多少?
(2)电动机消耗的总功率及输出功率为多少?
14.利用电动机通过如图9所示的电路提升重物,已知电源电动势E=6V,电源内阻r=1Ω,电阻R=3Ω,重物质量m=0.10kg。
当将重物固定时,电压表的示数为5V。
当重物不固定,且电动机最后以稳定的速度匀速提升重物时,电压表的示数为5.5V,求重物匀速上升时的速度大小。
(不计摩擦,g取10m/s2)
图9
15.如图10所示,电源电动势E=10V,内阻r=2Ω,电阻R1=28Ω,R2=30Ω,R3=60Ω,电容C=,求:
图10
(1)开关S断开和闭合时电容器所带电量之比;
(2)开关S闭合后通过R3的电量。
16.在如图11所示的电路中,可变电阻R2的阻值调至2Ω处,电阻R1=6Ω,电源的内阻r=1Ω。
当开关S闭合时,电源消耗的总功率P0=16W,电源输出的功率P1=12W,这时灯L正常发光,则灯L的额定功率P2=_________W。
当开关S断开时,为使灯仍能正常发光,R2的阻值应调至____________Ω(设S断开时,灯L不会损坏)。
图11
17.如图12所示,两个电池的电动势均为E,内阻为r,平行板电容器为C,两板水平放置,电阻=r,电容器两板间有一个液滴质量为m,电量为q,开关S闭合时,液滴恰处于静止,求:
图12
(1)S闭合后电容器极板上所带电量,哪极板带正电荷?
(2)S断开,电路达稳定后带电液滴的加速度多大?
18.如图13所示的电路,,,电源电动势E=6V,内阻不计,电容器的电容,现电路处于稳定状态。
求R2突然断路,到电路重新达到稳定状态的过程中通过R1的电荷量。
若同时断路到电路重新达到稳定状态的过程中,求通过R3的电荷量。
图13
【试题答案】
1.D2.BC3.A4.CD
5.D6.AD7.BC
8.D
提示:
k断开时,C与R2并联,,上正下负,k闭合,C与并联,上负下正。
∴。
9.BC
提示:
在电阻未断开时,产生的电势降落分别是上的两倍,电容器两端的电压可视为两端的电压,且上极板的电势高于下极板的电势。
当某一电阻断路时,P点有自上而下的电流通过,即电容器在继续充电,则两端电压必增大,只有电阻断路时才有可能。
10.BD
11.ABC
当逐一闭合开关,接入灯泡增多时,外电阻减小,总电阻减小,由知,总电流I增大,故C项正确,由知,灯多时灯两端的电压变小,各灯较暗,故选A、B都正确,对D选项,电源的输出功率的大小关键要看电阻和内电阻的大小,当它们相等时,电源的输出功率最大,所以灯多时电源的输出功率较灯少时可能大也可能小,因此D选项不对。
12.3V;;4W
13.
(1)2A;
(2)44W;36W
提示:
(1)灯泡正常发光时,额定电流为:
即此时通过电动机的电流为
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- 物理 电路 工作 状态 分析 电池组 北师大 知识