2011年高中物理二轮总复习教案：闭合电路的动态变化分析、电容分析及故障分析

高考资源网 命题点2 闭合电路的动态变化分析、电容分析及故障分析 本类考题解答锦囊 解答“闭合电路的动态变化分析电容分析及故障分析”一类，应掌握以下内容： 用控制变量的思路(电源、电动势、内阻不变)，按局部一整体一局部顺序分析；直流电不通过电容器，故接电容器处相当于断开；电路故障无非两种：断路和短路． I 高考最新热门题 1 (典型例题)在如图20-2-1所示电路中，当变阻器R3的滑动头p向b端移动时 A.电压表示数变大.电流表示数变小 B．电压表示数变小，电流表示数变大 C.电压表示数变大，电流表示数变大 D．电压表示数变小，电流表示数变小 命题目的与解题技巧：本题考查考生分析电路结构，对各部分电流电压变化的分析推理能力． [解析] 当R3的滑动头P向b端移动时，R2接入电路的电阻将减小，整个电路的外电阻R将减小．根据闭合电路的欧姆定律I= 知，电路中的总电流I将增大，由于内电阻r不变，则内电压U，增大，外电压U将减小，所以电压表的示数变小．又因为流过R1电阻的电流I增大，则U1增大，而电阻R2两端的电压为U2=U-U1，则U2将减小．由I2= 知，流过R2电阻的电流I2将减小．再根据分流关系I3=I-I2可知，流过R3的电流I3将增大，所以电流表示数变大．故B项对． [] B 2 (典型例题)在如图20-2-2所示的电路中．R1、R2、R3 和R4皆为定值电阻，R5为可变电阻电源的电动势为E，内阻为r.设电流表A的读数为I，电压表V的读数为U.当Rs的滑动触点向图中a端移动时 A.I变大，U变小 B．I变大，U变大 C.I变小，U变大 D．I变小，U变小 答案: D 指导：根据电路分析，当只，的滑动触点向图中。端移动对，只：接人电路的电阻减小，则整个电路的总电阻R减小，由闭合电路的欧姆定律I= 知，电路的总电流I增大，内电压U′=IR，U′将增大，外电压U=E-U′，U将减小，则电压表V的读数将减小：又U=U1+U3+U并，而U1、U3随总电流的增大而增大，则U并将减小，由I2= 知将减小，则电流表A的读数将减小，故D项对． 3 (典型例题)在图20-2-3所示的电路中，电源的电动势ε=3.0V，内阻r=1.0 ；电阻R1=10 ，R2=10 ，R3=30 ，R4=35 ；电容器的电容C=100μF，电容器原来不带电，求接通电键S后流过R4的总电量． 答案:2．0×10-4C 指导：分析电路图可知，外电路的直流通路由三个电阻组成，R2：与R3串联再与R1并联，当S接通后，电容器两端的电压从始逐渐增大直至最终稳定，在这个过程中电容器充电，电量逐渐增大，这些电量必然流过电阻R4，电容器最终的电压U′等于电阻R3两端的电压U3最终的电量也是流过电阻R4的总电量为Q=CU′，所以求出电阻R3两端的电压U3是解决本题的关键．由电阻的串并联公式，得闭合电路的总电阻为 +R，由欧姆定律得，通过电I= 电源端电压U= -IR 电阻R3两端的电压U′= 通过R3的总电量就是电容器的电量Q=CU′，由以上各式并代入数据解得Q=2．0×10-4C 4 (典型例题)如图20-2-4所示的电路中，闭合电键，灯L1、L2，正常发光，由于电路出现故障，突然发现灯L1变亮，灯L2变暗,电流表的读数变小，根据分析，发生的故障可能是 A.R1断路 B.R2断路 C.R3短路 D.R4短路 答案: A 指导：本题考查学生查找电路故障过程中分析推理的能力．画出等效电路如D 20-3所示，当R1断路时，ab两点间的电阻将增大，由串联分压可知，ab两点间的电压将增大， L1灯变亮，bc两点间的电压将减小，L2，灯变暗；电阻R2、R3、 R4没有变化，则通过电流表的电流随bc间电压的减小而减小，故A项对，当R2断路时，bc间的电阻将增大，bc间的电压将增大，L2灯变亮，bc间的电阻将增大，bc间的电压将增大，L2灯变亮，故B项错，当R3短路时，bc间的电阻将减小， bc间的电压将减小，L2灯变暗；ab两点间的电压将增大，L1灯变亮，但是通过电流表的电流不减小反而增大，因为R3短路时，整个电路的电阻减小，干路电流增大，而在bc间的两条支路上，流过L2灯的电流减小，于是流过电流表支路的电流增大的更多，R4短路时的变化与R3短路时情形完全相同，故C、D项都错． Ⅱ 题点经典类型题 1 (典型例题)调整如图20-2-5所示电路的可变电阻R的阻值，使电压表■的示数增大△U，在这个过程中 A.通过R1的电流增加，增加量一定等于△U／R1 B．R2两端电压减小，减少量一定等于△U C．通过R2的电流减小，但减小量一定小于△U／R2 D.路端电压增加，增加量一定等于△U 命题目的与解题技巧：此题考查对电路动态变化的灵活掌握及电路串并联中的电流、电压关系． [解析] 电压表的示数就是R、R1并联部分的两端电压．由I1=可得△I1= ，所以A项是对的．要完成这一变化，须使R变大，由闭合电路欧姆定律得U2=E-U内-U并——①，R变大后，R2的电压和电池内阻r的内压分别减小了△U2和△U内，这样上式就可变为：U2-△U2 =E-(U内-△U内)-(U并+△U)————②，把①式代入②式得△U=△U2+△U内——③由③式可以看出：B错C项对．路端电压增加应等于内电压的减小量△U，所以D项错． [答案] AC 2 (典型例题)如图20-2-6所示的电路中，电源电动势为E，内阻为r，R1，和R2是两个定值电阻．当滑动变 阻器的触头向a滑动时,流过R1的电流I1和流过R2的电流I2的变化情况为 A.I1增大，I2减小 B．I1减小，I2增大 C．I1增大,I2增大 D．I1减小，I2减小 答案: B 指导：以R，E不变为基础，按照局部一整体一局部的思路分析动态电路． R↓→R外↓→I1↑→U内↑→U外↓→I1↓→I2↑ 3 (典型例题)如图20-2-7在电路中，闭合电键，灯L1、L2正常发光，由于电路出现故障，突然发现灯L1变亮，灯L2变暗，电流表的读数变小，根据分析，发生的故障可能是 A.R1断路 B．R2断路 C.R3短路 D.R4短路 答案: A 指导：电路中L1与R1并联，R4与电流表串联．分析时可以把选项中的情况一一放入电路中试错． 若R1断，则与之并联的L1分压变大，功率增大；但并联部分电阻变大，干路上总电流变小，所以电流表读数变小，L2变暗，A项对．若R2断，则外电路电阻变大，总电流变小，L1、L2都将变暗，电流表读数也变小，B项错．若R3短路，则R2也随之短路，于是整个电路电阻减小，流过 L1、L2和电流表的电流都得变大，故c项错．若凡短路，则电流表示数变大，故D项错． 4 (典型例题)如图20-2-8电路中，电源的内电阻r不能忽略，其电动势E小于电容器C的耐压值．先闭合开关S，待电路稳定后，再断开开关S，则在电路再次达到稳定的过程中，下列说法中正确 的是 A.电阻R1两端的电压增大 B．电容器C两端的电压减小 C.电源两端的电压减小． D.电容器C上所带的电量增加 答案: D 指导：电容C没有电流通过，因而它这一支路一直是断开的，当S闭合时，C与R2并联． S闭合时，RH1、R2串联接入电路，R1、R2各分得电压的一部分，电容C与R2电压相等，S断开之后，整个电路不通，所以 R1中无电流，因而R1两端的电压为零，A项错；S断开后，C相当于直接接在电源两端，电压变大，所以电量也变大，因而B项错D项正确；S断开后，电源端电压等于电源电势，其值变大． Ⅲ 新高考命题方向预测 1 如图20-2-9．所示电路中R3是光敏电阻，当开关S闭合后，在没有光照射时，a、b两点等电势，当用光照射电阻R3，时，则 A.R3的电阻变小，a点电势高于b点电势 B.R3的电阻变小，a点电势低于b点电势 C.R3的电阻变大，a点电势高于b电势 D.R3的电阻变大，a点电势低于b电势 答案:A 指导：根据光敏电阻的特性光照射电阻R3时，R3的电阻小，闭合电路的外电阻减小，总电流增大而路端电压变小，故通过R1、R 2，的电流减小，R 2两端的电压变小，b点电势降低，通过R3、R1的电流增大，R4两端的电压变大，a点电势升高，所以a点电势高于b点电势，A选项正确． 2 在图20-2-10所示电路中，E为电源电动势，r为电源内阻，R1为可变电阻，当R1调大时 A.R2上的功率增大 B．R3上的功率增大 C．Ro上的功率增大 D.R上的功率增大 答案: AD 指导：当R1增大时，整个电路的电阻增大，通过电源电路的电流减小，由P=I2R可知R0，上的功率必减小，选项C错误，既然总电流减小，所以R与R0上的电压降减小，但电源电动势不变，可知R两端的电压变大，只上的电功率增大， D选项正确只两端电压增大，电流也增大，但流过R0的电流减小，所以流过R3的电流必减小，故R3上功率减小，B选项错误．R3上电流减小，其两端电压减小，而及两端电压增大，所以R2两端电压必增大，即R2，上功率必增大，故A选项正确． 3 如图20-2-11所示的电路中，闭合电键S后，灯a和灯b都正常发光，后来由于某种故障使灯b突然变亮，电压表读数增加，由此推断，这故障可能是 A.a灯灯丝烧断 B.电阻R2断路 C.电阻R2短路 D．电容器被击穿短路 答案:指导：由电压表读数增加，说明路端电压增大，外电阻增大，短路不可能，故C、D错误，若a灯丝烧断，总电阻增大，总电流减小，b灯两端电压减小，b灯变暗，A选项错误，若R1断路，总电阻增大，电压表读数增大，总电流减小，而a灯与R1并联部分两端电压减小，则b灯两端电压增大，b灯变亮，B选项正确． 4 如图20-2-12所示，电容器C1=6μF，C2=3μF，电阻R1=6 ，R2=3 ，当开关S断开时，A、B两点间的电压UAB多大?当S闭合时，电容器C1的电量改变了多少?(设电压U=18V) 答案:电量减少3．6×105C 指导：当S断开时，电路中无电流，B、 C等势，A、D等势，因此，UAB=UAC=UDB=18V电容器C1电量为Q1=C1UAC=6 ×10°×18C=1．08 ×10+C 当S闭合时，电阻R1 和R2串联，R1两端的电压即，两端电压，由串联电路的电压分配关系得UAC U= ×18 V=12V，此时电容器C1的带电量为Q1V=C1U′AC= 6×10-6×12C=0．72×10-4C，电容器C，带电量的变化量为△Q=Q′1，=Q1=-3．6×10-3C负号表示电荷量减少，即C1的带电量减少3．6×10-3C 考场热身 探究性命题综合测试 1 一太阳能电池板，测得它的开路电压为800mV，短路电流为40mA，若将该电池板与一阻值为20 的电阻器连成一闭合电路，则它的路端电压是 A.0.10V B.0.20 V C.0.30V D．0.40V 答案: D 指导：令太阳能电池板的电动势为E，内阻为r，开路电压即为电动势的数值，短路电流I短= 所以r= =20ll当外接20ll的电阻器时，由于内外电阻相等，则路端电压U端= 2 如图Z20-1所示，当滑动变阻器的滑动片P向上端移 动时，则各电表示数的变化情况是 A.V1减小，V2增大，A增大 B.V1增大，V2减小，A增大 C.V1增大，V2增大，A减小 D.V1减小,V2减小，A减小 答案:C 指导：首先弄清V2表测量的是R2和R3并联支路上的电压，V1，表测量的是路端电压，再利用闭合电路欧姆定律判断主干电路上的物理量变化；P向上滑，置3的有效电阻增大，外电阻R外增大，干路电流I减小，路端电压增大，从而判定V1表示数增大，再进行支路上的物理量的变化情况分析：由于／减小，引起内电压U内及电阻R外上电压URI减小，而U并=E(U内+URI)，由此可知，并联电阻R2和R3上的电压 U2增加，判定V2表示数增大；由于U2增大，R2所在支路的电流I2增大，通过R3的电流I3=I-I2，因I减小，I2增大，故 I3减小，判定电流表A示数减小，所以本题应选C 3 图Z20-2为一电路板的示意图，a、b、c、d为接线柱，a、d与220V的交流电源连接，ab间、bc间、cd间分别连接一个电阻．现发现电路中没有电流，为检查电路故障，用一交流电压表分别测得b、d两点间以及a、c两点间的电压均为，220V，由此可知 A.ab间电路通，cd间电路不通 B．ab间电路不通，bc间电路通 C.ab间电路通，bc间电路不通 D．bc间电路不通，cd间电路通 答案: CD 指导：b，d间电压为220 V，说明ab间电路通，Ac或cd间有不通之外；ac间电压为220 V，说明cd间电路通，而ab或bc有不通之处，综上所述，bc间电路不通其他皆通． 4 图Z20-3所示电路中，已知电容C=2μF，电源电动势E=12V，内电阻不计，R1：R2：R3：R4=1：2：6：3，则电容器极板a所带的电荷量为 A．-8× 12010C B．4×12010C C． -4×12010C D．8×12010C 答案: D 指导：电容器对直流电是断路的，因此电流稳定后，APB支路中电流 AQB支路中电流 令UA=0,则 可见UPQ=UP-UQ=4V 故电容器极板a带正电荷，电荷量为Q=CUPQ=2×10-6×4 =8×10-6(C) 综上所述，本题正确选项D正确． 5 如图Z20-4所示电路中，灯泡A和B都是正常发光的，忽然B比原来变暗了一些，而灯泡A比原来亮了一些．试判断电路中什么地方出现了断路故障． 答案: R2所在支路断路 指导：假设R1所在支路断路，则外电路总电阻增大，A、B两灯的电压均增大，两灯消耗的电功率也增大，两灯都应变亮，这与题设现象不符，可见R1支路完好．再假设R2所在支路断路，则A所在并联支路的电阻增大，导致外电路总电阻增大，干路中电流减小，电源的路端电压U增大，流过R1的电流I1，增大流过电灯所在并联支路的电流I2(I2=I总-I1)减小，B灯的电压UB=I2RB并减小，B灯的电功率也变小，B灯变暗；A灯的电压UA(UA=U-UB)增大，由于上述结论与题设现象相符，故R2所在支路断路．用假设法同样可以判断除R2支路外，其余支路的完好． 6 在图Z20-5所示的电路中，电源的电动势E=3.0V，内阻r=10 ，电阻R1=10 ，R2=10 ，R3=30 ，R4=35 ，电容器的电容C=100μF．电容器原来不带电．求接通开关S后流过R4的总电荷量． 答案:2．01×0-4C 指导：电流稳定后，电容器相当于断路，解题的突破点是求出其两端电压 由电阻的串并联公式，得闭合电路的总电阻为 由欧姆定律得，通过电源的电流I= 电源的路端电压U=E-Ir 电阻R3两端的电压U′= 通过R4的总电荷量就是电容器的电荷量Q=CU′ 由以上各式并代入数据解得Q=2．0×10-4C 7 如图Z20-6甲所示电路中，R1=R2=R3=10 ，S断开时，电压表示数为16 V，S闭合时，示数为10 V，若电压表可视为理想的，求： (1)电源电动势和内阻各为多大? (2)闭合S前后只，消耗的功率分别多大? (3)若将原电路改为下图Z20-6乙所示电路，其他条件不变，则S断开和闭合时电压表的示数分别为多大? 答案:(1)20V，5ll (2)6．4W，2．5W (3)8V，5 V 指导：(1)在图甲中，当断开S时，R3中电流可视为零(因理想电压表内阻可视为无限大)．R3两端电压也可视为零，故电压表指示的是电源的路端电压，又此时外电路是R1、R2，串联，所以，电路中总电流 I= 由闭合电路欧姆定律得E=U+Ir代入数值E=16+0．8r ① 当闭合S时，电压表指示的是R2两端电压，外电路结构是： R1与R3并联，再跟R2串联，此时电路中总电流 外电路总电阻为 由E=I′(R+r)得E =I′(15+r) ② 由式①，式②得E=20V，r=5 ll (2)闭合S前后，R1消耗的功率分别为 P1=I2R1=0．8×10W=6．4 W 0．5×10W=2．5W (3)若将原电路改为乙，则断开S时，外电路由R1，R3串联组成，电压表指示的是R1，两端电压，此时总电流 电压表示数 U1=IR1=0．8×10V=8 V 闭合S时，外电路结构是R1，R2并联再与R3串联，电压表示数是R1，R2组成的并联电路两端的电压， 此时情况下，外电路总电阻为 总电流I= 伏特表示数为U2= 8 如图Z20-7(a)所示电路中，Ro为一定值电阻，不计电表内阻的影响，改变滑动变阻器的滑片位置，测得电压表V1和V2随电流表A的示数变化的两条实验图线如图Z20-7(b)所示，关于这两条实验图线，以下说法不正确的是 A．线b的延长线不一定过坐标的原点O B．线a的延长线与纵轴交点的坐标值等于电源的电动势 C.图线a、b交点的横坐标和纵坐标值的乘积等于电源瞬时输出功率 D．图线a、b交点的横坐标和纵坐标值的乘积等于电阻Ro瞬时消耗的电功率 答案: A 指导：据电流表A和电压表V1，的读数可画出图线a，据电流表A和电压表V2的读数可画出图线b，二 线交点意味着R=R0(U1=U2)图线a表示路端电压与电流强度的关系，图线b则表示电阻R0的伏安特性曲线，可得出B、C、I正确，A错． 9 下面是测量一节干电池的电动势E和内电阻r的实验． (1)用一个多用电表先粗测该电池的电动势，选择开关和表针指示如图Z20-8，则该电池电动势的值为________. (2)再提供电流表A(内阻约1 )，滑动变阻器R1(0～1700n)，滑动变阻器R2(0～20 )，开关S及导线若干．某同学正确选择器材和电路，用伏安法按正确的操作步骤测得6组电流I、电压U的值，如图Z20-9中6个点所示．写出根据该图求E、r的步骤： ①____________. ②从图中求得电动势E=______________ ③内电阻r=____________(答案保留3位有效数字) ④在下面的方框中画出该同学实验电路图．(多用电表的电压档可视为一个电压表) (3)另一位同学也用上述器材测定同一电池电动势和内电阻，他连接的实物电路图如图Z20-10所示．指出该同学在连接的实物电路图中有哪些错误之处_______. 答案:(1)1．45 V(1．42～1．47 V均可以) (2)①a.作U-I直线，舍去左起第5点，其余5个点尽量靠近直线且均匀分布在直线两侧， b．延长U-I直线，则直线在 U轴上的截距为电源电动势E，求该直线的斜率 k，则r=k． ②E=1．48 V(1．45～1．49V均可) ③R=0．873ll(0．800～0．910ll均可) ④电路图如D 20-4(电路图有任何错误都不能得分) (3)滑动变阻器接线错误；多用电表(选电压档，接入电路日拉线错误) 指导：(1)多用电表的选择开关指向2．5 V，这是测量量程再在表盘上面第二条标度(标有V表示直流电压)读数:1．45 V (2)题见答案 10 用电流表和电压表测定电池的电动势E和内电阻r，所用的电路如图Z20-14所示，一位同学测得的6组数据如下表中所示． 组别 I/（A） U/（V） 1 0.12 1.37 2 0.20 1.32 3 0.31 1.24 4 0.32 1.18 5 0.50 1.10 6 0.57 1.05 (1)试根据这些数据在图Z20-12中作出U-I图线． (2)根据图线得出电池的电动势E=_______V，根据图线得出的电池内阻r=__________ . (3)若不作出图线，只选用其中两组U和I的数据，可利用公式E=U1+I1r和E=U2+I2r，算出E和r，这样做可能得出误差很大的结果，选用第______组和第 _______组的数据，求出E和r误差最大． (1)图线如图D 20-5所示． (3)第3组和第4组数据．作图线时应把个别不合理的数据排除，由直线与纵轴的交点可读出电动势E=1．45 V，再读出直线与横轴的交点的坐标(U、I)，连同得出的E值代入E=U+Ir，得r= 选用第3组和第4组数据求得的E和r误差最大，不需要利用所给的6组数据分别进行计算，利用作图就可看出这一点，选用这两组数据求E和r，相当于过图中3和4两点作一直线，利用此直线求出E和r，而此直线与所画的直线偏离最大，实际上，第4组数据不合理，已经排除． 指导：用图象法处理数据是该实验的一个重点，在高考中经常出现，需要注意两点． (1)作图时，应使尽量多的点分布在直线上，不在直线上的点均匀分布在直线两侧，个别离直线较远的点可忽略． (2)如果U-I图象坐标原点是U轴、I轴的零点，那么图线与u轴交点表示电动势E，与I轴交点坐标表示电源短路电流，内阻r= ；当然，电源内阻也可以用R．