四维角度把握“闭合电路欧姆定律”

四维角度把握“闭合电路欧姆定律”

江苏省新沂市第一中学 张统勋

　　闭合电路欧姆定律是直流电路的核心内容，前面所学的部分电路欧姆定律是针对某一部分电路而言，它只反映了该部分电路两端的电压U和通过该部分电流I的电学量关系。而包含电源在内的闭合电路欧姆定律完整地反映了内外电路中电流、电阻、电压和电源电动势之间的关系，它更多地从能量守恒的角度来研究问题。

 

　　这部分内容可从以下几个方面学习：

 

　　一、明确七个概念

 

　　1、闭合电路

 

　　闭合电路是用导线把电源、用电器等连成的一个闭合回路，其基本结构如图1，主要物理量有：电动势E、内电阻r、外电阻R、总电流I和路端电压U等。

 

图1

 

　　2、内电路、内电阻、内电压

 

　　电源内部的电路称内电路，其电阻称为内电阻，内电阻上所得到的电压称为内电压。在内电路中，电流由电源负极流向电源正极。

 

　　3、外电路、外电阻、外电压

 

　　电源外部由用电器、导线等组成的电路称外电路，其电阻称为外电阻，其两端的电压称为外电压或路端电压。

 

　　二、掌握一个定律──闭合电路欧姆定律

 

　　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，这个结论叫做闭合电路的欧姆定律。

 

　　2、表达式：I=

 

　　3、适用条件：此公式只适用于纯电阻电路。当外电路中有电动机、电解槽等用电器时，此公式不再适用，但U_外=E－I r仍可应用。

 

　　4、几种表达形式及物理意义

 

　　①电流形式：I=。说明决定电路中电流的因素与电流大小间的关系：电流与电源电动势成正比，与电路总电阻成反比。

 

　　②电压形式：E=I（R＋r）、E=U_外＋I r或E=U_外＋U_内等。表明电源电动势在量值上等于电路中内、外电压之和。

 

　　③能量形式：EIt=I²Rt＋I²rt或W=E_外＋E_内。表明非静电力做的功应该等于内外电路中电能转化为其他形式的能的总和。

 

　　总之，闭合电路欧姆定律无论用何形式表达，本质上都是能的转化和守恒定律在电路中的体现。

 

　　三、辨析三个关系

 

　　1、电动势和内电压、外电压的关系

 

　　电动势的大小等于内外电压之和，即E=U_内＋U_外。

 

　　2、路端电压与负载的关系：如图2所示，U_外=E－Ir   I=。

 

　　U_外随R_外的增大而增大，随R_外的减小而减小。

 

图2

 

　　注意：①当R→∞（断路）时，I=0  U_外=E；

 

　　②当R→0（短路）时，I_短=  U_外=0。

 

　　3、电源输出功率与负载的关系：如图3所示，P_出=U_外I=IR_外。

 

图3

 

　　①当R_外=r时，P_出最大；

 

　　②当R_外<r时，R_外越大，P_出越大；

 

　　③当R_外>r时，R_外越小，P_出越小。

 

　　注意：对于内、外电路上的固定电阻，其消耗的功率仅取决于电路中电流强度的大小。

 

　　四、熟悉四种题型

 

　　1、闭合电路欧姆定律及图象的基本应用

 

　　应用定律时应注意电路是纯电阻电路还是非纯电阻电路。对于图象，易错点之一是电源的U_外－I图象。当纵坐标的起始坐标不是零时，一些同学仍旧直接用图线纵坐标值与横轴的交点值计算电源内阻，导致出错，如图4所示。

 

图4

 

　　2、电路的动态分析

 

　　电路的动态分析问题是闭合电路欧姆定律具体应用的重点。一般先判断电阻的变化，再分析干路电路的变化，最后回到要求的具体电路。

 

　　分析思路是由局部（引起部分的变化）到整体，再到局部（需要得出结论的部分），其中干路电流是连接内、外电路的桥梁。

 

　　3、电路的故障判断

 

　　电路故障有两种情况：断路和短路。断路特点是电路中电流为零，电源电动势全部加在断开的两点之间（断路只有一处时），其它地方电压为零。短路的特点是短路处两端电压为零，分析电路故障常用排除法。

 

　　4、含容电路的求解

 

　　含容电路的处理：①电容器所在位置相当于电路断开。②电容器两端的电压等于所在支路两端的电压。③对较复杂电路，需要将电容器两端的电势与基准点的电势比较后才能确定电容器两端的电压。