4、含电容器电路的分析与计算
电容器是一个储存电能的元件.在直流电路中,当电容器充放电时,电路里有充放电电流,一旦电路达到稳定状态,电容器在电路中就相当于一个阻值无限大(只考虑电容器是理想的不漏电的情况)的元件,在电容器处电路看作是断路,简化电路时可去掉它.简化后若要求电容器所带电荷量时,可在相应的位置补上.分析和计算含有电容器的直流电路时,需注意以下几点:
(1)电路稳定后,由于电容器所在支路无电流通过.所以在此支路中的电阻上无电压降,因此电容器两极间的电压就等于该支路两端的电压.
(2)当电容器和用电器并联后接入电路时,电容器两极间的电压与其并联用电器两端的电压相等.
(3)电路的电流、电压变化时,将会引起电容器的充(放)电.如果电容器两端电压升高,电容器将充电;如果电压降低,电容器将通过与它并联的电路放电.电容器两根引线上的电流方向总是相同的,所以要根据正极板电荷变化情况来判断电流方向。
⑷如果变化前后极板带电的电性相同,那么通过每根引线的电荷量等于始末状态电容器电荷量的差;如果变化前后极板带电的电性改变,那么通过每根引线的电荷量等于始末状态电容器电荷量之和。
[例15]如图电路中,电源内阻不计.为使电容器的带电量增大,可采取以下哪些方法()
A.增大R1; B.增大R2; C.增大R3 D.减小R1
解析:由于在直流电路中稳定后电容器相当于断路,因此R3上无电流,电容器相当于和R2并联.为使电容器的带电量增大,根据Q=CU,应增大电容器C两端的电压。分析电路中的电压分配。只有增大R2或减小R1才能增大R2两端的电压(即电容器C两端的电压),从而增大电容器C的带电量。改变R3不能改变电容器的带电量。正确答案为BD.
[例16]如图所示,E=10 V, r=1Ω, R1=R3=5 Ω, R2=4Ω,C=100μF。当S断开时,电容器中带电粒子恰好处于静止状态。求:
(1)S闭合后,带电粒子加速度的大小和方向;
(2)S闭合后流过R3的总电荷量。
解析:开始带电粒子恰好处于静止状态,必有qE=mg且qE竖直向上。S闭合后,qE=mg的平衡关系被打破。
S断开,带电粒子恰好处于静止状态,设电容器两极板间距离为d,有
qUC/d=mg
S闭合后,
设带电粒子加速度为a,则qU/C/d-mg= ma,解得a=g,方向竖直向上。
(2 )S闭合后,流过R3的总电荷量等于电容器上电荷的增加量,所以ΔQ=C ( U/c一Uc)=4×10-4 C.
[例17]电动势为E、内电阻为r的电源与粗细均匀的电阻丝相联,组成如图所示的电路。电阻丝长度为L,电阻为R.C为平行板电容器,其相对面积为S,两板间的距离为d.在滑动触头向右滑的过程中,电流计中有电流通过,为什么?若电流计允许通过的最大电流为Im,求P滑动时,所允许的最大速度是多少?
解析:电容器的电压等于电阻丝PB段上的电压,如果P不滑动,电阻丝PB段长度不变,加在电容C上的电压也不变,电流计G中无电流通过。若P向右滑动,PB段长度减少,电阻减少,电压也减小,电容器就要放电。电流计G中的电流就是电容器放电的电流。由于滑动的速度越大,电容器上电压减小越快,放电电流越大。因此电流计G允许通过电流的最大值就决定了P滑动的最大速度。
设滑动触头P滑动的速度为v,那么在Δt时间内滑过的距离为ΔL = vΔt .若P1,P2为滑动触头的初末位置.那么P1,P2与B点间的电压分别为
滑动触头P从P1滑至P2的过程中,触头P与B点间的电压减小量为
在此过程中,电容器的放电量为ΔQ=CΔU=,其中,电容器的电容为
那么.根据电流的定义,流过电流计的电流为
又因为流过电流计的电流I≤Im,所以触头P滑动时,所允许的最大速度为
试题展示:
3、电路中的能量关系的处理
要搞清以下概念:
(1)电源的功率。电源消耗的功率、化学能转变为电能的功率、整个电路消耗的功率都是指EI或I2(R外+r)
(2)电源的输出功率、外电路消耗的功率都是指:IU或IE一 I2r或I2R外
(3)电源内阻消耗的功率:I2r
(4)整个电路中 P电源= P外十P内
[例11]电源输出功率和效率的讨论.
分析:电源的输出功率为
P出=I2R=R==
当R=r时,P出有最大值即Pm==.P出与外电阻R的这种函数关系可用如右图的图象定性地表示.由图象还可知,对应于电源的非最大输出功率 P可以有两个不同的外电阻R1和R2,由图象还可知:当R<r时,若R增加,则P出增大;当R>r时,若R增大,则P 出减小.值得注意的是,上面的结论都是在电源的电动势E和内电阻r不变的情况下适用.
由上述分析可知,在研究电阻R上消耗的最大功率时,应注意区分“可变与定值”这两种情况,两种情况中求解的思路和方法是不相同的.
电源的效率η===.所以当R增大时,效率η提高.当R=r,电源有最大输出功率时,效率仅为50%,效率并不高.
[例12]将一个标有“24 V、48 W’的电灯接在电动势E=36 V.内阻r=2 Ω的直流电源下使用,今有“2Ω、50W”的定值电阻R若干只可供选用,请设计两种简单电路使电灯正常发光:
(1)定值电阻与电灯串联作分压电阻使用;
(2)定值电阻与电灯并联作分流电阻使用(写出设计根据要点,画出电路图)
(3)在你设计的两种电路中,哪种方法较好?说明理由。
解析:电灯额定电流I0=P0/U0=2A.电阻R0=U02/P0=12Ω.定值电阻R的额定电流I==5A。
(1) R总=E/I0 =36/2=18Ω,
R串=R总一 R0 -r=18-12=4Ω=2R
(2)R并===6Ω=3R
(3)第1种方法:电源消耗总功率 P1=I1E=2×36=72W
效率ηl=P0/P1=48/72=67%。
第2种方法:电源消耗总功率P2=I总E=6×36=216 W,效率η2=P0/P2=48/216=22%。
第1种方法好:节能.效率高
[例13]在图中,发电机的内阻r=0.1Ω,每根连接导线的电阻r1=0.1Ω,负载电阻R=22Ω,电路中的电流强度I=10A,求:(1)负载两端的电压UR;(2)外电路上的电压U端;(3)发电机的电动势;(4)整个外电路上消耗的功率P外;(5)负载上消耗的功率;(6)导线上消耗的功率;(7)发电机内部消耗的功率;(8)发电机的功率.
解析:(1)负载两端的电压 UR=IR=10×22 V=220 V.
(2)外电路上的电压 U端=IR外=I(R十2rL)
=10 ×(22+2 × 0.1)V=222 V.
(3)电源电动势 E=U端十Ir=(222+10×0.1)V=223 V.
(4)外电路上消耗的功率 P外=IU端=10×222 W=2.2 kw.
(5)负载上消耗的功率 P负=IU负=10×220=2.2kw
(6)导线上消耗的功率 P导=2I2r=2×102 ×0.2W= 20 W
(7)发电机内部消耗的功率 P内=I2r=102×0.1w=10W
(8)发电机的功率P= IE= 10 ×223 W= 2.23 kw
[例14]如图所示;电源的电动势为50V.电源内阻为1.0Ω,定值电阻R为14Ω.M为直流电动机,电枢电阻R为2.0Ω。电动机正常运转时,伏特表的读数为35V。求在100s的时间内电源做的功和电动机上转化为机械能的部分是多少。
解析:由题设条件知r和R上的电压降之和为(E-U),所以电路中的电流为 I===1.0A
所以在100 s内电源做的功为
WE=EIt=50×1×100 J=5.0×103J。
在100s内电动机上把电能转化为机械能的部分是
ΔE=IUt-I2 r/t=(1.0×35×100一12×2×100)J=3.3×103J
3、电路故障分析
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)用电压表检查(2)假设法:如果电路发生某种故障,寻求故障发生在何处时,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,运用电路定律进行正向推理,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
[例10]如图所示的电路中,灯泡A和B原来都是正常发光。忽然灯泡B比原来变暗了些,而灯泡A比原来变亮了些,试判断电路中什么地方出现断路的故障?(设只有一处出现了故障)
解析:依题意,整个电路只有一处发生了断路,下面分别对不同区域进行讨论:
(1)若R1断路.电路中总电阻变大.电流变小.路端电压升高.A、B两灯均未亮.不合题意。
(2)若R3断路。B与R3并联.该段电路中电阻变大,电压升高,B中的电流增大,B灯变亮,不合题意
(3)若R2断路,A与R2并联,这段电路中电阻变大,使总电阻变大,总电流变小,各部分压降变小,A灯两端电压升高,A中电流增大,A灯变亮;因B灯两端电压减小,B灯中电流变小,B灯变暗,与题中条件相符。
(4)A灯、B灯所在支路或其他部分发生断路,则两灯均不会发光,不合题意,故应是R2断路。
2、动态电路变化的分析
动态电路变化的分析是根据欧姆定律及串、并联电路的性质,来分析电路中某一电阻变化而引起的整个电路中各部分电学量的变化情况,常见方法如下:
(1)程序法:基本思路是“部分→整体→部分” 部分电路欧姆定律各部分量的变化情况。
即R局增大减小→R总增大减小→I总减小增大→U总增大减小→I分U分
(2)直观法:即直接应用“部分电路中R、I、U的关系”中的两个结论。
①任一电阻R阻值增大,必引起该电阻中电流I的减小和该电阻两端电压U的增大
②任一电阻R阻值增大,必将引起与这并联的支路中电流I并的增大和与之串联的各电路电压 U串的减小。
(3)极限法:即因变阻器滑动引起电路变化的问题,可将变阻器的滑动端分别滑至两个极端去讨论。
(4)特殊值法。对于某些双臂环路问题,可以采取代入特殊值去判定,从而找出结论。
[例6]如图所示,当滑动变阻器的滑动片P向上端移动时,判断电路中的电压表、电流表的示数如何变化?
解析:先认清电表A测量R3中的电流,电表V2测量R2和R3并联的电压,电表V1测量路端电压.再利用闭合电路欧姆定律判断主干上的一些物理量变化:P向上滑,R3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U增大,至此,已判断出V1示数增大.再进行分支上的分析:由I减小,知内电压U/和R1的端电压UR1减小,由U外增大知R2和R3并联的电压U2增大--判断出V2示数增大.由U2增大和R3有效电阻增大,无法确定A示数如何变化,这就要从另一条途径去分析:由V2示数增大知通过R2的电流I2增大,而干路电流I减小,所以R3中的电流减小,即A示数减小
说明:当电路中任一部分发生变化时,将引起电路中各处的电流和电压都随之发生变化,可谓“牵一发而动全身”.判断此类问题时,应先由局部的变化推出总电流的变化、路端电压的变化,再由此分析对其它各部分电路产生的影响.
[例7]如图所示,R1和R2阻值相同,电源内阻不计,当滑动变阻器R1的滑动片P由A向B移动时,试分析电路中各电表示数的变化情况。
解析:先去掉伏特表,短接安培表,可见该电路为一分压电路,如图所示。
首先用程序法(极端法也行)判断:
当 P由 A→B时有RAP↑→R总↑→I总↓→U端↑
V1测出的是U端,示数增大,A3测的是总电流I总,示数变小。
先假设RAP不变,用直观法可判知:比较可得,A2示数减小,V2增大,V3减小,而Al不能确定。
再利用特殊值法,令R1=R2=2R,则P位于AB两端点时,均有I1=E/2R,当P位于R1中点时,有I1/=2E/5R(按串、并联特征计算),显然I1/<I1,所以Al示数先减小后增大。
[例8]在如图所示的电路中,在滑线变阻器滑动片p由a滑到b的过程中,三只理想电压表示数变化的绝对值分别为ΔU1、ΔU2、ΔU3,则下列各组数据中可能出现的是( )
A.ΔU1=0、ΔU2=2 V、ΔU3=2 V B.ΔU1=1V、ΔU2=2 V、ΔU3=3 V
C:ΔU1=3V、ΔU2=1V、ΔU3=2V D.ΔU1=1V、ΔU2=1V、ΔU3=2V
解析:在闭合回路中,内、外电路电压降之和等于电源的电动势.在滑线变阻器的滑动片P由a滑到b的过程中,滑线变阻器连入电路中的电阻在减小,它的分压作用在减小,也就是电压表V3的示数要减小.由于滑线变阻器连入电路中的电阻在减小,由闭合回路的欧姆定律可知电路的总电流是增大的,电压表V2的示数是增大的.电压表V1测量的是电源的路端电压U,由U=E-Ir式可知,电压表V1的示数变化反映了内电路上电压的变化值,且它们大小相等,符号相反(路端电压是减小的,但是内电路上的电压降U/是增大的).由E=U+U/可知,由于电源的电动势E不变,在闭合回路中,电压的变化量之和就为零,也可以说是电压减小的值与电压增大值之和相等,即ΔU1十ΔU2=ΔU3,根据此式可以排除 C选项,对于A选项,由于ΔU1是反映电源内电路上的电压降的变化,电源有内阻,ΔU1=0显然是错误的,所以只有B和D选项是正确的.
点评:路端电压 U等于外电路上各部分电压降之和,并不意味着应有ΔU1=ΔU2十ΔU3。(因为题设中 强调这是三只理想电压表示数变化的绝对值).由于是滑线变阻器的电阻变小,它两端的电压减小,从而导致其余电阻(包括内电阻)的分压作用增大,应有的关系式是第三只电压表中示数的减小量应等于其它两电压表示数变化量的绝对值之和.
[例9]如图所示,安培表为理想电表,电源电动势为6V、内阻为1Ω,滑动变阻器的总电阻为11Ω,电阻R0为3Ω,问当S闭合时,变阻器的滑动触头P在R上滑动时,电流表的读数范围为多少?
解析:当S闭合后,电路中的总电流为 I==
U1=U0,I1Rap=(I-I1)R0,I1==
当Rap=6Ω时,Il有最小值。电流表的读数为Il=18/72=0.25A
当Rap=0时,即滑动触头P位于a端时,I1有最大值。电流表的读数为I1/=18/(72-36)=0.5A.
所以电流表的读数范围为 0.25A≤I≤ 0.5A;
(1)内、外电路
①内电路:电源两极(不含两极)以内,如电池内的溶液、发电机的线圈等.内电路的电阻叫做内电阻.
②外电路:电源两极,包括用电器和导线等.外电路的电阻叫做外电阻.
(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,与内、外电路的电阻之和成反比,即I=E/(R+r)
②由E=U+Ir可知,电源电势能等于内外压降之和;
③适用条件:纯电阻电路
(3)路端电压跟负载的关系
①路端电压:根据U=IR=ER/(R+r)=E/(1+r/R)可知,当
R增大时,U增大;当R减小时,U减小。表示为U-R图象如右
②U一I关系图
由闭合电路欧姆定律知:U=E-Ir , 路端电压随着电路中电流的增大而减小;
U一I关系图线如图示
当电路断路即I=0时,纵坐标的截距为电动势E;当外电路电压为U=0时,横坐标的截距I短=E/r为短路电流;图线的斜率的绝对值为电源的内电阻.
(4).闭合电路的输出功率
①功率关系:P总=EI=U外I十U内I= UI+I2r,
②电源的输出功率与电路中电流的关系:P出=EI-I2r
当时,电源的输出功率最大,
③电源的输出功率与外电路电阻的关系:
当R=r时也即I=E/2r时,电源的输出功率最大,
由图象可知,对应于电源的非最大输出功率P可以有两个不同的外电阻Rl和R2,不难证明.由图象还可以看出:当R<r时,若R增大,则P出增大;当R>r时,若R增大,则P出减小.应注意: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的电流大小
④电源的供电效率
[例1]如图所示,电压表 Vl、V2串联接入电路中时,示数分别为8 V和4 V,当电压表V2接入电路中时,如图(2)所示,示数为 10 V,求电源的电动势为多少?
解析:当两电压表接入电路时,电路中的电流强度为Il,当一个电压表接入电路时,电路中的电流强度为I2,则由图可知
I1=(E一12)/r= 4/Rv2……①
I2=(E-10)/r=10/Rv2……②
(l)÷(2)后得(E一12)/(E-10)=4/10 解得 E= 13.3 V
点评:还可以根据串联电路的电压分配与电阻成正比列出关系式.(E一12)/4=r/Rv2和
(E-10)/10=r/Rv2,等量代换后,即得E=13.3V.
[例2] 如图所示,RB= 4Ω,A、C、D是额定电压和额定功率均相同的三个用电器、电源内阻是lΩ.S闭合后,当变阻器的电阻调为5Ω时,各用电器均正常工作.
(1)S断开后,若仍要各用电器正常工作,变阻器电阻R应调为多少?
(2)S闭合和断开时, RB上的电功率之比PB∶PB/=?变阻器上消耗的功率之比 P∶ P/=?
解析:(1)在图所示的电路中,A、C、D三个用电器是并联的,且正常工作,其额定功率相等,说明三个用电器的电流均相等,设每个用电器的额定电流为I,
若S闭合,有3I=(E-U)/(RB+R+r)………①
若 S断开,则有2I=(E-U)/(RB+Rx+r)………②
由①、②解得Rx= 10Ω
(2)在 S闭合和断开两种情况下,电阻RB上消耗的电功率之比应为其通过电流的平方比
PB∶PB/=(3I/2I)2=9/4,变阻器上消耗的功率应等于通过的电流平方与电阻乘积之比
P∶ P/=(3I/2I)2×(R/Rx)=9/8
[例3]在图电路中,直流发电机E=250V,r=3Ω,R1=R2=1Ω,电热器组中装有50只完全相同的电热器,每只电热器的额定电压为 200V,额定功率为1000W,其它电阻不计,并且不计电热器电阻随温度的变化.问:
(1)当接通几只电热器时,实际使用的电热器都能正常工作?
(2)当接通几只电热器时,发电机输出功率最大?
(3)当接通几只电热器时,电热器组加热物体最快?
(4)当接通几只电热器时,电阻R1、R2上消耗的功率最大?
(5)当接通几只电热器时,实际使用的每只电热器中电流最大?
解析:不计用电器电阻随温度的变化,则每只电热器的电阻R0==40Ω,每只电热器的额定电流I0==5A
(1) 要使用电器正常工作,必须使电热器两端的实际电压等于额定电压200V ,因此干路电流
而每只电热器额定电流为5A,则电热器的只数n1=10/5=2只
(2)要使电源输出功率最大,必须使外电阻等于内电阻,由此可得电热器总电阻为R=r-(R1+R2)=3-(1+1)=1Ω,故有n2=R0/R=40/1=40只
(3)要使电热器组加热物体最快,就必须使电热器组得到的电功率最大,把R1、R2视为等效(电源)内电阻,则其总电阻为
R/=R1+R2+r=1+l+3=5Ω 所以n3=R0/R/=40/5=8只,
(4)要使R1、R2上消耗功率最大,必须使其电流为最大,由此电路中总电阻必须是小.即当50只电热器全接通时,可满足要求.所以n4=50只.
(5)要使实际使用的每只电热器中电流最大.则须使UAB最大,这样A、B间的电阻应最大,所以n5=1只
[例4]如图所示,直线AOC为某一电源的总功率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变化的图象.若A、B对应的横坐标为2A,那么线段AB表示的功率及I=2A时对应的外电阻是( ).
A.2W,0.5Ω; B.4W,2Ω;C.2W,lΩ;D.6W,2Ω;
解析:由图象知,直线OAC表示电源的P总-I的关系,即P总=E·I
在C点,I=3A, P总=9W,所以 E=P总/I=9/3V=3V
抛物线OBC表示电源的Pr-I的关系,即Pr=I2 r,
在C点,I=3A,Pr=9W,所以r=Pr/I2=9/32=lΩ
根据闭合电路的欧姆定律,当I=2A时,
线段AB表示的功率即电源的输出功率,有PAB=UI=I2R=22×0.5=2W
规律方法
1、两个U-I图象的比较
(1) 路端电压与电流的关系:U=E-Ir,可用图甲表示,图象表示在E、r不变的前提下,U随I单调递减,U是I的一次函数,由图甲说明
A. 图中表示电流为I1时,路端电压为U1,对应内电压为U′
B. 过E点的平行于横轴的虚线表示电流为零时,路端电压不随I而改变,且始终等于电源电动势,就是理想电源的情况
C. 图线斜率表示电源内阻的大小
图中Im表示外电阻等于零(即短路)时,回路中的电流,即Im=E/r
(2)一段导体两端的电压与通过的电流关系:U=IR,可用图乙表示。图象表明在电阻R不变的条件下,U与I成正比,斜率表示导体的电阻
[例5]将电阻和分别接到同一电池组的两极时消耗的电功率相同.电池组向两个电阻供电时的电流分别是和,电池组内阻消耗的功率分别为和,电池组的效率分别是和,电阻两端的电压分别是和.若已知电流,则有
(A) (B) (C) (D)
解析:依题意可画出电源的外电压特性曲线和R1、R2的伏安特性曲线,因U1I1=U2I2,I1<I2,所以R1、R2的相对关系如图示,由图可知,R1>R2,U1>U2,AB对,又η=UI/EI=U/E可知,η1>η2,C对;又P1=I2r,故D错,答案为ABC
3.电动势是标量.要注意电动势不是电压;
2.电动势:非静电力搬运电荷所做的功跟搬运电荷电量的比值,E=W/q。表示电源把其它形式的能转化成电能本领的大小,在数值上等于电源没有接入电路时两极间的电压。单位:V
1.电源是将其它形式的能转化成电能的装置.
14.某个分压电阻串接在电压表上,使测量电压的量程扩大到n倍;另一个分压电阻串接在电压表上,量程扩大到m倍.如果把这两个电阻并联后再串接到该电压表上,它的量程将扩大到
A.倍 B.倍
C.(m+n)倍 D.|m-n|倍
[解析] 设电压表内阻为Rg,正常电流为Ig,则
(Rg+R1)·Ig=nRgIg ①
(Rg+R2)Ig=mRgIg ②
(Rg+)Ig=xRgIg ③
由①②③得
x=
[答案] A
第三单元 闭合电路欧姆定律
知识目标
13.如图所示,将一个改装的电流表接入电路进行校准,发现待测表的读数比标准表的读数偏大一些,如表头的IG是准确的,出现的误差可能是下述哪种原因引起的
①RG的测量值比真实值偏大
②RG的测量值比真实值偏小
③所并联的R并比公式R并′=计算出的R并′小
④所并联的R并比公式R并′=计算出的R并′大
以上判断正确的是
A.①③ B.②④ C.①④ D.②③
[解析] 待测表读数偏大,表明通过待测表的电流比准确时应通过的电流大,使?的指针偏转较大,也说明R并支路分去的电流过少,即R并过大.
[答案] C
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