1、物 理 选修3-1 人教版新课标导学第二章恒定电流 素养整合提升1 素养脉络构建 2 核心素养提升 3 触及高考演练 素养脉络构建核心素养提升一、电路故障问题的分析电路故障一般是短路或断路，常见的情况有导线断芯、灯泡断丝、灯座短路、电阻器内部断路、接触不良等现象，检查故障的基本方法有两种：1仪表检测法(1)断路故障的判断：用电压表与电源并联，若有电压，再逐段与电路并联，若电压表指针偏转，则该段电路中有断点。(2)短路故障的判断：用电压表与电源并联，若有电压，再逐段与电路并联，若电压表示数为零，则该电路被短路。若电压表示数不为零，则该电路没有被短路或不完全被短路。2假设法已知电路发生某种故障，寻
2、找故障发生的位置时，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，运用欧姆定律进行正向推理。推理结果若与题述物理现象不符合，则故障不是发生在这部分电路；若推理结果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全部可能为止，亦称排除法。如图所示的电路中，1、2、3、4、5、6为连接点的标号。在开关闭合后，发现小灯泡不亮。现用多用电表检查电路故障，需要检测的有：电源、开关、小灯泡、3根导线以及电路中的各连接点。典例 1(1)为了检测小灯泡以及3根导线，在连接点1、2已接好的情况下，应当选用多用电表的_挡。在连接点1、2同时断开的情况下，应当选用多用电表的_挡。(2
3、)在开关闭合情况下，若测得5、6两点间的电压接近电源的电动势，则表明_可能有故障。(3)将小灯泡拆离电路，写出用多用电表检测该小灯泡是否有故障的具体步骤。调到欧姆挡；将红、黑表笔相接，检查欧姆挡能否正常工作；测量小灯泡的电阻。如电阻无穷大，表明小灯泡有故障。电压 欧姆 开关或连接点5、6 解析：(1)当连接点1、2已接好时，电路中已有电压存在，故需用电压挡来检测电路。当连接点1、2同时断开时，电路中没有电源提供电压，要检测电路故障，只有通过测各段电路的电阻是否异常，故采用欧姆挡。(2)当电路中两点间有电压时，这表明在此两点之外的电路与电源两极是接通的。当测出两点间电压等于电源电压而又确定电路故
4、障是断路引起时，就可以确定断路位置在此两点之间。(3)调到欧姆挡；将红、黑表笔相接，检查欧姆挡能否正常工作；测量小灯泡的电阻。如电阻无穷大，表明小灯泡有故障。二、电路中的能量转化在闭合电路中，电源通过非静电力做功将其他形式的能转化为电能，在整个电路中，通过电场力做功又将电能转化为其他形式的能。电源为整个电路提供的电功率 P 总EI，其中内阻的发热功率 P 内I2r，电源的输出功率 P 出UIP 总P 内，电源的效率 P出P总100%UE100%。1纯电阻电路在纯电阻电路中，电功等于电热，电功率等于热功率，即 PUII2RU2R。2非纯电阻电路在非纯电阻电路中，电功大于电热，电功率大于热功率，即
5、 UIP 热I2R。(2019山西省芮城中学、运城中学高二上学期期中)如图所示，2019年国庆群众游行队伍中的国徽彩车，不仅气势磅礴而且还是一辆电动车，充一次电可以走100公里左右。假设这辆电动彩车总质量为6.75103 kg，当它匀速通过天安门前500 m的检阅区域时用时250 s，驱动电机的输入电流I10A，电压为300 V，电动彩车行驶时所受阻力为车重的0.02倍。g取10 m/s2，不计摩擦，只考虑驱动电机的内阻发热损耗能量，求：(1)驱动电机的输入功率；(2)电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率；(3)驱动电机的内阻和机械效率。答案：(1)3 000 W(2)2 700 W(
6、3)3；90%典例 2解析：(1)驱动电机的输入功率P入UI300 V10 A3 000 W。(2)电动彩车通过天安门前的速度vs/t2 m/s电动彩车行驶时所受阻力f0.02mg0.026.7510310 N1.35103 N电动彩车匀速行驶时Ff，故电动彩车通过天安门前时牵引汽车前进的机械功率P机Fv2 700 W。(3)设驱动电机的内阻为R，由能量守恒定律得P机Fv2 700 W。解得：驱动电机的内阻R3 驱动电机的机械效率P机/P入100%90%。三、闭合电路的分析与计算1闭合电路欧姆定律研究闭合电路，主要物理量为 E、r、R、I、U，前两个是常量，后三个是变量，闭合电路欧姆定律的表达
7、形式有：(1)EU 外U 内(2)I ERr(I、R 间关系)(3)UEIr(U、I 间关系)(4)U RRrE(U、R 间关系)从(3)式看出：当外电路断开时(I0)，路端电压等于电动势。当外电路短路时(R0)电流最大为 I mE/r短路电流。2电源的功率和效率(1)功率：电源的功率(电源的总功率)PEEI；电源的输出功率 P 出UI；电源内部消耗的功率 PrI2r。(2)电源的效率：PPEUE，当内外电阻相等时，电源的输出功率最大，为P mE24r。3电路的动态分析分析依据是：闭合电路欧姆定律、部分电路欧姆定律、串联电路的电压关系、并联电路的电流关系，常用规律：(1)变化电阻本身和总电路变
8、化规律相同；(2)总电路上R增大时总电流I减小，路端电压U增大；(3)和变化电阻有串联关系的看电流，即总电流减小时，该电阻的电流、电压都减小。(4)和变化电阻有并联关系的看电压，即路端电压增大时，该电阻的电流、电压都增大。4闭合电路的UI图象图中a为电源的UI图象，b为外电阻的UI图象。两者的交点坐标表示该电阻接入电路时电路的总电流和路端电压；该点和原点之间的矩形的面积表示输出功率；a的斜率的绝对值表示电源内阻大小；b的斜率的绝对值表示外电阻的大小；当两个斜率相等时(即内、外电阻相等时)图中矩形面积最大，即输出功率最大。(多选)(2019浙江省绍兴一中高二上学期期中)如图甲所示电路中，闭合电键
9、S，当滑动变阻器的滑动触头P向下滑动的过程中，四个理想电表的示数都发生变化图乙中三条图线分别表示了三个电压表示数随电流表示数变化的情况，以下说法正确的是()ABD 典例 3A图线a表示的是电压表 V3的示数随电流表示数变化的情况B图线c表示的是电压表 V2的示数随电流表示数变化的情况C此过程中电压表 V1示数的变化量U1和电流表示数变化量I的比值变大D此过程中电压表 V3示数的变化量U3和电流表示数变化量I的比值不变解析：当滑动变阻器的滑动触头 P 向下滑动的过程中，变阻器接入电路的电阻增大，外电路总电阻增大，总电流减小，可知路端电压增大，即知电压表 V1示数增大，电压表 V2 的示数减小，电
10、压表 V3 的示数增大，则知，图线 a 表示的是电压表 V3 的示数随电流表示数变化的情况，图线 c 表示的是电压表 V2 的示数随电流表示数变化的情况。故 AB 正确。由闭合电路欧姆定律得 U1EIr，则|U1I|r，保持不变，故 C 错误。由闭合电路欧姆定律得 U3EI(rR1)，则|U3I|R1r。故 D 正确。四、电学实验中的几个问题1进行仪器选择、电路设计时，应注意以下原则：(1)安全性原则：所选元件在电路中不能被损坏，如电压表或电流表的电路中时，各对应物理量不超过它们的量程。(2)目的性原则：所设计的电路应能够达到实验的目的。(3)准确性原则：选取仪器或器材时应考虑减小系统误差，如
11、电压表或电流表的指针偏转应尽可能指在中间刻度附近。(4)方便操作原则：所设计的实验容易达到实验目的，且又简捷、方便。(5)经济实惠原则：所设计的电路中所用的仪器应在大多数实验室能找到，本原则也可称为可实施原则。2电压表、电流表及多用电表的读数(1)电压表、电流表和多用电表的直流电压、直流电流挡的读数，要看清选择的量程和分度值。(2)多用电表的欧姆挡的读数要看清选择的倍率，如：1、10、100等。3实验仪器的选取(1)电源允许通过的最大电流要大于电路中的实际电流。(2)用电器的额定电流应大于或等于通过它的实际电流。(3)电压表和电流表的量程不能小于被测电压和电流的最大值。4电路的选取(1)伏安法
12、测电阻时，电路有内外两种接法：当R VRx RxRA时选电流表外接法；当R VRx RxRA时选电流表内接法。(2)滑动变阻器调控电路有限流和分压两种接法；限流式调节电流、电压范围小，分压式调节电流、电压范围大，可从零开始变化。当滑动变阻器的全阻值小于用电器的电阻，若实验要求电流、电压变化范围较大时，采用分压式。当电源提供的最小电流仍大于仪器允许的最大电流时，必须采用分压式。其他情况，从减少电能损耗考虑，应优先采用限流式电路。5电路的实物连接方法(1)先图后连，先串后并。(2)看准极性，接线到柱。(3)明确量程，检查定位。6数据的处理方法(1)公式法：物理意义比较明确。(2)图象法：有取平均值
13、的效果，结果比较准确。7仪器代换(1)一个定值电阻和一个电流表可以代换电压表。(2)小量程电流表可以改装后再接入电路。(2019安徽省合肥一中高二上学期段考)一学习小组要用伏安法尽量准确地描绘一个标有“4 V，2 W”的小灯泡的IU图线，现有下列器材供选用A学生电源(直流9 V)B开关一个、导线若干C电压表(05 V，内阻10 k)D电压表(010 V，内阻20 k)E电流表(00.3 A，内阻1)F电流表(00.6 A，内阻0.4)G滑动变阻器(5，1 A)H滑动变阻器(500，0.2 A)典例 4(1)实验中电压表应选用_，电流表应选用_。为使实验误差尽量减小，要求电压表从零开始变化且多取
14、几组数据，滑动变阻器应选用_(用序号字母表示)。(2)请在图1方框内画出满足实验要求的电路图，并把由图2中所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图。C F G 解析：(1)根据小灯泡的额定电压为 4 V，可知电压表应选 C；由于小灯泡的额定电流为：I240.5A，可知电流表应选 F；在用伏安法描绘这个灯泡的 IU 图线的实验中，电压要从零开始变化，并要多测几组数据，故只能采用滑动变阻器分压接法，变阻器的电阻越小越方便调节，所以变阻器应选 G；(2)由于灯泡电阻远小于电压表内阻，所以电流表采用外接法。故电路图、实物连线图如图所示答案：(2)见解析触及高考演练1本章为电学基础知识，从近几年高考试
15、题来看，命题多集中在部分电路欧姆定律，串、并联电路，闭合电路欧姆定律这三个知识点上，其次是电功率和直流电路的动态分析。2由于该部分知识与学生实验结合紧密，因此电学实验是高中物理实验中的重点，也是高考实验考查的热点内容。考查既具体又灵活，像仪器的选择、读数、器材的连接、数据处理、误差分析等，每年的高考试题中都有所涉及，在学习中应予以足够重视。对于基本的多用电表的认识和使用，常见的测量电阻的方法，滑动变阻器、电压表、电流表等电学元件的使用等应该牢牢地掌握。一、考题真题探析(2019全国卷，23)某同学要将一量程为250 A的微安表改装为量程为20 mA的电流表。该同学测得微安表内阻为1 200，经
16、计算后将一阻值为R的电阻与该微安表连接，进行改装。然后利用一标准毫安表，根据图(a)所示电路对改装后的电表进行检测(虚线框内是改装后的电表)。例题 1图(a)图(b)(1)根据图(a)和题给条件，将图(b)中的实物连线。_(2)当标准毫安表的示数为16.0 mA时，微安表的指针位置如图(c)所示。由此可以推测出所改装的电表量程不是预期值，而是_。(填正确答案标号)A18 mA B21 mAC25 mAD28 mA见解析图 C 图(c)(3)产生上述问题的原因可能是_。(填正确答案标号)A微安表内阻测量错误，实际内阻大于1 200 B微安表内阻测量错误，实际内阻小于1 200 CR值计算错误，接
17、入的电阻偏小DR值计算错误，接入的电阻偏大(4)要达到预期目的，无论测得的内阻值是否正确，都不必重新测量，只需要将阻值为R的电阻换为一个阻值为kR的电阻即可，其中k_。AC 9979 解析：(1)实物连线如图所示：(2)串联电路中电流处处相等，根据比例关系得，毫安表示数为16.0 mA时，对应微安表的刻度为160.0 A，当微安表指针到满量程250 A时，毫安表的示数应为25 mA，即为改装后电表的量程。选项C正确。(3)根据 IgRg(IIg)R 得 IIgRgR Ig出现该情况可能是微安表内阻测量错误，实际电阻大于 1 200，或者并联的电阻 R 计算错误，接入的电阻偏小。选项 A、C 正
18、确。(4)若微安表的满偏电压为 U，则对并联的电阻 R 有U(250.25)103RU(200.25)103kR 解得 k9979。二、临场真题练兵1(2019江苏，3)如图所示的电路中，电阻R2。断开S后，电压表的读数为3 V；闭合S后，电压表的读数为2 V，则电源的内阻r为()A1 B2 C3 D4 A 解析：当 S 断开后，电压表读数为 U3 V，可认为电动势 E3 V当 S 闭合后，由闭合电路欧姆定律知 EUIr，且 IUR整理得电源内阻 rEURU1，选项 A 正确。2(2019全国卷，23)某小组利用图(a)所示的电路，研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压 U 与温度 t 的关系
19、，图中和为理想电压表；R 为滑动变阻器，R0 为定值电阻(阻值 100)；S 为开关，E 为电源。实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度 t 由温度计(图中未画出)测出。图(b)是该小组在恒定电流为 50.0 A 时得到的某硅二极管 Ut 关系曲线。回答下列问题：图(a)图(b)(1)实验中，为保证流过二极管的电流为 50.0 A，应调节滑动变阻器 R，使电压表的示数为 U1_mV；根据图(b)可知，当控温炉内的温度 t 升高时，硅二极管正向电阻_(填“变大”或“变小”)，电压表示数_(填“增大”或“减小”)，此时应将 R 的滑片向_(填“A”或“B”)端移动，以使示数仍为 U1。(2)由图
20、(b)可以看出 U 与 t 成线性关系。硅二极管可以作为测温传感器，该硅二极管的测温灵敏度为Ut _103 V/(保留 2 位有效数字)。5.00 变小 增大 B 2.8 解析：(1)、是理想电压表，则 R0 与硅二极管串联，电流相等，R0 两端电压 U1IR050.0106100 V5.00103 V5.00 mV。由 Ut 图象知：控温炉内温度升高，U2 变小，又 I50.0 A 不变，故硅二极管正向电阻变小；当控温炉内温度升高时，硅二极管电阻变小，反过来影响电路中电流，由闭合电路欧姆定律知，电路中电流增大，示数增大；要保持示数不变，需增大滑动变阻器的阻值，即滑片向 B 端移动。(2)由
21、Ut 图象的斜率可知：Ut 0.440.308030 V/2.8103 V/。3(2019全国卷，23)某同学欲将内阻为98.5、量程为100 A的电流表改装成欧姆表并进行刻度和校准，要求改装后欧姆表的15 k刻度正好对应电流表表盘的50 A刻度。可选用的器材还有：定值电阻R0(阻值14 k)，滑动变阻器R1(最大阻值1 500)，滑动变阻器R2(最大阻值500)，电阻箱(099999.9)，干电池(E1.5 V，r1.5)，红、黑表笔和导线若干。图(a)(1)欧姆表设计将图(a)中的实物连线组成欧姆表。欧姆表改装好后，滑动变阻器R接入电路的电阻应为_；滑动变阻器选_(填“R1”或“R2”)。
22、_(2)刻度欧姆表表盘通过计算，对整个表盘进行电阻刻度，如图(b)所示。表盘上a、b处的电流刻度分别为25和75，则a、b处的电阻刻度分别为_、_。900 R1 图见解析 45 5 图(b)(3)校准红、黑表笔短接，调节滑动变阻器，使欧姆表指针指向_k处；将红、黑表笔与电阻箱连接，记录多组电阻箱接入电路的电阻值及欧姆表上对应的测量值，完成校准数据测量。若校准某刻度时，电阻箱旋钮位置如图(c)所示，则电阻箱接入的阻值为_。0 35 000.0 图(c)解析：(1)欧姆表的中值刻度为欧姆表的内阻，即rR0RAR15 k，解得R900。由于滑动变阻器R2的最大阻值为500，所以滑动变阻器选R1。(2)根据闭合电路欧姆定律，得 IaER内Ra和 IbER内Rb，代入数据解得 Ra45 k，Rb5 k。(3)使用欧姆表测量电阻时，首先要进行电阻调零，此时应将红、黑表笔短接，调整滑动变阻器，使欧姆表指针指在 0 k 上。电阻箱的阻值为(0.101010010001 000510 0003)35 000.0。