1. 首页
  2. 物理
  3. 初中物理
  4. 欧姆定律及其应用电路故障分析串联电路的电流规律并联电路的电压规律电功率的计算

在如图所示的电路中,电源电压保持不变,当开关S1闭合,S2、S3均断开时,电阻R1消耗的电功率为9W;当开关S2、S3闭合,S1断开时,电阻R1消耗的电功率为16W,且通过R2的电流为

一、题文

在如图所示的电路中,电源电压保持不变,当开关S1闭合,S2、S3均断开时,电阻R1消耗的电功率为9W;当开关S2、S3闭合,S1断开时,电阻R1消耗的电功率为16W,且通过R2的电流为4A.求:
(1)画出两种电路状态的等效电路图;
(2)R1、R2的阻值各是多大?

考点提示:欧姆定律及其应用,电路故障分析,串联电路的电流规律,并联电路的电压规律,电功率的计算

二、答案

(1)当开关S1闭合,S2、S3均断开时,电阻R1与R2串联,等效电路图如图甲所示;
当开关S2、S3闭合,S1断开时,电阻R1与R2并联,等效电路图如图乙所示.



(2)图甲和图乙中,电阻R1消耗的电功率:
P1
P′1
=
I2R1
I21R1
=
I2
I21
=
9W
16W
=
9
16

解得:
I
I1
=
3
4

∵电源的电压不变,
I
I1
=
R1
R1+R2
=
3
4

解得:
R1
R2
=
3
1

图乙中:
P1=
U2
R1
=
U2
3R2
=
U
3
×
U
R2
=
U
3
×4A=16W,
解得:U=12V,
R2=
U
I2
=
12V
4A
=3Ω,
R1=3R2=3×3Ω=9Ω.
答:(1)等效电路图如上图所示;
(2)R1、R2的阻值分别为9Ω和3Ω.

三、考点梳理

知名教师分析,《在如图所示的电路中,电源电压保持不变,当开关S1闭合,S2、S3均断开时,电阻R1消耗的电功率为9W;当开关S2、S3闭合,S1断开时,电阻R1消耗的电功率为16W,且通过R2的电流为》这道题主要考你对 欧姆定律及其应用电路故障分析串联电路的电流规律并联电路的电压规律电功率的计算 等知识点的理解。

关于这些知识点的“解析掌握知识”如下:

知识点名称:欧姆定律及其应用,电路故障分析,串联电路的电流规律,并联电路的电压规律,电功率的计算

考点名称:欧姆定律及其应用
  • 内容:
    通过导体的电流与导体两端的电压成正比,与导体的电阻成反比;

    公式:

    I=U/R,U表示导体两端的电压,单位是V;R表示导体的电阻,单位是Ω;I表示通过导体的电流,单位是A。

    单位使用:
    使用欧姆定律时各物理量的单位必须统一,I的单位是A,U的单位是V,R的单位是Ω。

  • 解析“欧姆定律”:
         欧姆定律是电学中的基本定律和核心内容,是贯穿整个电学的主线,下面我们从以下几个方面进行深入分析.
    1.要理解欧姆定律的内容
    (1)欧姆定律中的关于成正比、成反比的结论是有条件的。如果说导体中的电流与导体两端的电压成正比,条件就是对于同一个电阻,也就是说在电阻不变的情况下;如果说导体中的电流与导体的电阻成反比,条件就是导体两端的电压不变。
    (2)注意顺序,不能反过来说,电阻一定时,电压跟电流成正比。这里存在一个逻辑关系,电压是原因,电流是结果。是因为导体两端加了电压,导体中才有电流,不是因为导体中通了电流才有了电压,因果关系不能颠倒。
        同样也不能说导体的电阻与通过它的电流成反比。我们知道,电阻是导体本身的一种性质,即使导体中不通电流,它的电阻也不会改变,更不会因为导体中电流的增大或减小而使它的电阻发生改变。

    2.要知道欧姆定律的公式和单位 欧姆定律的表达式,可变形为U=IR和R=,但这三个式子是有区别的。
    (1),是欧姆定律的表达式,它反映了通过导体的电流的大小跟导体两端所加的电压这个外部原因和导体本身的电阻这个内部原因之间的因果关系。
    (2)U=IR,当电流一定时,导体两端的电压跟它的电阻成正比。不能说成导体的电阻一定时导体两端的电压与通过的电流成正比,因为电压是形成电流的原因。电压的大小由电源决定,跟I、R无关,此式在计算比值时成立,不存在任何物理意义。
    (3),此公式也是一个量变式,不存在任何物理意义。不能误认为导体的电阻跟导体两端的电压成正比,跟导体中的电流成反比。公式中的I、U、R都要用国际单位,即电流的单位为安培,符号A;电压的单位为伏特,符号V;电阻的单位为欧姆,符号Ω,且有

    3.要明白定律的适用范围
    (1)定律只适用于金属导电和液体导电,对于气体、半导体导电一般不适用。
    (2)定律只适用于纯电阻电路。如:电路中只接有电阻器、电热器、白炽灯等用电器的电路。对于非纯电阻电路,如:电动机电路、日光灯电路等,则不能直接应用。

    4.要理解欧姆定律的注意事项
    (1)物理量的同一性。叙述欧姆定律时,在两个 “跟”字后面都强调了“这段导体”四个字,它是指对电路中同一导体或同一电路而言。所以在运用欧姆定律等进行计算时,必须注意同一性,即I、R、U必须是 同一导体或同一段电路中的物理量。在表示I、U、R 时,注意脚标的一一对应。
    (2)物理量的同时性。由于电路的连接方式发生改变,开关的断开或闭合,或滑动变阻器滑片的左右移动都可能使电路中总电阻发生变化,从而可能引起电路中电流和各部分电阻两端的电压发生变化。因此,必须注意在同一时刻、同一过程中的电压、电阻与电流的相互对应,不可将前后过程的I、R、U随意混用。

  • 利用欧姆定律进行计算:
       根据串、并联电路的特点和欧姆定律的公式可进行有关计算。
    解题的方法是:(1)根据题意画出电路图,看清电路的组成(串联还是并联);
    (2)明确题目给出的已知条件与未知条件,并在电路图上标明;
    (3)针对电路特点依据欧姆定律进行分析;
    (4)列式解答。
    例1如图所示的电路中,电阻尺。的阻值为10Ω。闭合开关S,电流表A1的示数为2A,电流表A2的示数为0.8A,则电阻R2的阻值为____Ω。

    解析:闭合开关s,R1与R2并联,电流表A1测 R1与R2中的电流之和,即;电流表A2测R2中的电流I2,则,电源电压,则=15Ω

    答案:15

    如何判断电压表、电流表的示数变化:
    1.明确电路的连接方式和各元件的作用
    例如:开关在电路中并不仅仅是起控制电路通断的作用,有时开关的断开和闭合会引起短路,或改变整个电路的连接方式,进而引起电路中电表示数发生变化。
    2.认清滑动变阻器的连入阻值例如:如果在与变阻器的滑片P相连的导线上接有电压表,如图所示,则此变阻器的连人阻值就是它的最大阻值,并不随滑片P的滑动而改变。
    3.弄清电路图中电表测量的物理量在分析电路前,必须通过观察弄清各电表分别测量哪部分电路的电流或电压,若发现电压表接在电源两极上,则该电压表的示数是不变的。
    4.分析电路的总电阻怎样变化和总电流的变化情况。
    5.最后综合得出电路中电表示数的变化情况。

    例1如图所示的电路中,电源两端电压保持不变,当开关S闭合时,灯L正常发光。如果将滑动变阻器的滑片P向右滑动,下列说法中正确的是(   )

    A.电压表的示数变大,灯L变亮
    B.电压表的示数变小,灯L变暗
    C.电压表的示数变大,灯L变暗
    D.电压表的示数变小,灯L变亮

    解析:题中L、R1、R2三元件是串联关系,R2的滑片P向右滑动时,电路中总电阻变大,电流变小,灯L 变暗,其两端电压变小,电压表测除灯L以外的用电器的电压,电源总电压不变,所以电压表示数变大。所以选C项。

    答案:C

    滑动变阻器滑片移动时,电表的示数变化范围问题:
         解决此类问题的关键是把变化问题变成不变问题,把问题简单化。根据开关的断开与闭合情况或滑动变阻器滑片的移动情况,画出等效电路图,然后应用欧姆定律,结合串、并联电路的特点进行有关计算。

    例1如图甲所示电路中,电源电压为3V且保持不变,R=10Ω,滑动变阻器的最大阻值R’=20Ω,当开关s闭合后,在滑动变阻器的滑片由A端移动到B 端的过程中,电流表示数的变化范围是______。

    解析:把滑片在A点和B点时的电路图分别画出来,如图乙、丙所示,应用欧姆定律要注意I、U、R的同一性和同时性。滑片在A端时, 0.3A;滑片在B端时 =0.1A。

    答案:0.3~0.1A

  • 欧姆定律知识梳理:
  • 用欧姆定律分析短路现象:

         导线不通过用电器而直接连到电源两极上,称为短路,要是电源被短路,会把电源烧坏。还有一种短路,那就是用电器被短路。如图所示的电路中,显然电源未被短路。灯泡L1的两端由一根导线直接连接。导线是由电阻率极小的材料制成的,在这个电路中,相对于用电器的电阻来说,导线上的电阻极小,可以忽略不计。图中与L1并联的这段导线通过灯泡L2接在电源上,这段导线中就有一定的电流,我们对这段导线应用欧姆定律,导线两端的电压U=IR,由于R→0,说明加在它两端的电压U→0,那么与之并联的灯泡L1两端的电压U1=U→0,在L1上应用欧姆定律知,通过L1 的电流,可见,电流几乎全部通过这段导线,而没有电流通过L1,因此L1不会亮,这种情况我们称为灯泡L1被短路。
         如果我们在与L1并联的导线中串联一只电流表,由于电流表的电阻也是很小的,情形与上述相同,那么电流表中虽然有电流,电流表有读数,但不是L1中的电流,电路变成了电流表与L2串联,电流表的读数表示通过L2的电流,L1被短路了。

    例:在家庭电路中,连接电灯电线的绝缘皮被磨破后可能发生短路,如果发生短路,则会造成(   )
    A.电灯两端电压增大
    B.通过电灯的电流减小
    C.电路中保险丝熔断
    D.电灯被烧坏

    解析由于发生短路时,电路中电阻非常小,由 欧姆定律知,电路中的电流将非常大,所以保险儿丝将熔断。

    答案:C

    注意防雷:
    1.雷电现象及破坏作用
         雷电是大气中一种剧烈的放电现象。云层之间、云层和大地之间的电压可达几百万伏至几亿伏。根据,云与大地之间的电压非常高,放电时会产生很大的电流,雷电通过人体、树木、建筑物时,巨大的热量和空气的振动都会使它们受到严重的破坏。因此,我们应注意防雷。避雷针就可以起到防雷的作用。

    2.  避雷针
         避雷针是金属做的,放在建筑物的高处,当电荷传至避雷针尖上时极易沿着金属线流入大地。这一电流通道可使云层和建筑物间的正、负电荷中和,使云层放出的电荷完全通过避雷针流人大地而不会损坏建筑物。

考点名称:电路故障分析
  • 串联电路的故障现象:
    一般归纳为两类:
    1.开路:(亦作“断路”).所有用电器都不工作,电流表无示数,只有垮在断点两边的电压表有示数,且示数接近(或等于)电源电压。
    2.短路:被短路的部分用电器不工作,电流表有示数,接在被短路用电器两端的电压表无示数,接在其他用电器两端的电压表有示数。
  • 电路故障分析:
    一、常见故障:
    故障1:闭合开关后,灯泡忽明忽暗,两表指针来回摆动;
    原因:电路某处接触不良;
    排除方法:把松动的地方拧紧。

    故障2:闭合开关前灯泡发光闭合开关后灯泡不亮了两表也无示数
    原因:开关与电源并联导致所有东西都被短路
    后果:极容易烧坏电源

    故障3(也就是做题最常见的故障):闭合开关后灯泡不亮电流表几乎无示数电压表所呈示数几乎为电源电压
    原因1:灯泡断路故电压表串联到了电路中
    说一下啊一般判断电路时都是把电压表当做断路是应为它的电阻很大很大所以呢如果电压表与一灯泡并联而这个灯泡断路了就相当于直接把这个电压表串联在电路中I=U/R因为电压是恒定的电阻巨大所以电流表的示数就很小了而串联式靠电阻分压的由于电压表的电阻巨大在这么大的电阻前灯泡的电阻就显得微不足道所以电压表显示的几乎是电源电压;
    原因2:电流表与电压表位置互换
    这样灯泡就被几乎没有电阻的电流表(它接到了电压表的位置上)短路故不亮电路中只串联了一个电流表和一个电压表因为电压表的电阻很大所以几乎分到了全部电压而由于电压表的电阻大所以电流表几乎无示数;
    补充一下啊:有时做题会问你如果在测小灯泡电阻的实验中(或是电路图中只有一个灯泡两表)如果电流表与电压表位置互换会有什么后果就答:灯泡不亮电流表几乎无示数(其实就是没示数)电压表所示几乎为电源电压(其实就是电源电压)


    故障4:闭合开关后无论怎样移动滑动变阻器的滑片灯泡亮度与两表示数均无改变;
    原因:变阻器没有按照一上一下的方法来接
    补充一下:变阻器全接上接线柱时:相当于导线(这是极不安全的容易造成电路电流过大)变阻器全接下接线柱是:相当于一个定值电阻。

    故障5:闭合开关后,无论怎样移动滑片灯泡都不亮
    原因1:电路某一处断路
    原因2:灯泡被导线或电流表短路

    故障6:灯泡亮两表指针反向偏转;
    原因:两表的正负接线柱接反了
    “症状”1:用电器不工作。诊断:
    (1)若题中电路是串联电路,看其它用电器能否工作,如果所有用电器均不能工作,说明可能某处发生了断路;如果其它用电器仍在工作,说明该用电器被短路了。
    (2)若题中电路是并联电路,如果所有用电器均不工作,说明干路发生了断路;如果其它用电器仍在工作,说明该用电器所在的支路断路。
    “症状”2:电压表示数为零。诊断:
    (1)电压表的两接线柱到电源两极之间的电路断路;
    (2)电压表的两接线柱间被短路。
    “症状”3:电流表示数为零。诊断:
    (1)电流表所在的电路与电源两极构成的回路上有断路。
    (2)电流表所在电路电阻非常大,导致电流过小,电流表的指针几乎不动(如有电压表串联在电路中)。
    (3)电流表被短路。
    “症状”4:电流表被烧坏。诊断:
    (1)电流表所在的电路与电源两极间直接构成了回路,即发生了短路。
    (2)电流表选用的量程不当。

    初中物理电学故障只有几类:短路(包括电源短路和局部用电器短路);断路;电流、电压表正负接反;电压表串接等等。
    首先,看它给出的电路图或者实物图,用电流的流向法(电流从电源正极出发,通过用电器,流回负极)判断,各个用电器的工作情况。具体问题具体分析吧。 常用到的一些重要方法有:电流表看成导线,电压表看成断路。
    例如:灯不亮,用电器不工作,可能的原因有:
    1)断路。电路中有个地方断开了,包括开关、用电器自身,接触不良等等;
    2)短路。用电器被某条导线或者电流表短路了。

    涉及到电压表的一些问题:
    1)电压表有读数。但电流表无读数(或很弱),灯不亮,用电器不工作,原因:与电压表并联的部分(电压表是并联使用的)断路。这样,电压表相当于串联在电路中。
    2)电压表无读数。
    a.电流表无读数,灯不亮,用电器不工作,则,与电压表并联的电路**以外**的地方断路。
    b.电流表有读数,与电压表并联部分不工作,则,与电压表并联部分被短路,这时,电压表相当与与导线并联,导线两端的电压为0.
    等效电路图的意思:比如,我说当开关闭合,灯泡1和灯泡2串联,则,我们就可以在草稿纸上面就可以直接画灯泡1和灯泡2串联,闭合的开关当作导线,这样就可以简化电路。方便我们计算和分析。
    如果电压表有示数,说明电压表的两个接线柱与电源两极间连接良好,并且电压表没被短路。
    如果电流表有示数,说明电流表所在电路是通路,电路故障很可能是某处短路。

    二、开路,短路的判断:
    (一)开路的判断
    1、如果电路中用电器不工作(常是灯不亮),且电路中无电流,则电路开路。
    2、具体到那一部分开路,有两种判断方式:
    ①把电压表分别和各处并联,则有示数且比较大(常表述为等于电源电压)则电压表两接线柱之间的电路开路(电源除外);
    ②把电流表分别与各部分并联,如其他部分能正常工作,电流表有电流,则当时与电流表并联的部分断开了。(适用于多用电器串联电路)

    (二)短路的判断
    1、串联电路或者串联部分中一部分用电器不能正常工作,其他部分用电器能正常工作,则不能正常工作的部分短路。
    2、把电压表分别和各部分并联,导线部分的电压为零表示导线正常,如某一用电器两端的电压为零,则此用电器短路。
    ※根据近几年中考物理中出现的电路故障,总结几条解决这类问题的常用的主要判断方法:
    “症状”1:用电器不工作。
    诊断:
    (1)若题中电路是串联电路,看其它用电器能否工作,如果所有用电器均不能工作,说明可能某处发生了断路;如果其它用电器仍在工作,说明该用电器被短路了。
    (2)若题中电路是并联电路,如果所有用电器均不工作,说明干路发生了断路;如果其它用电器仍在工作,说明该用电器所在的支路断路。
    “症状”2:电压表示数为零。诊断:
    (1)电压表的两接线柱到电源两极之间的电路断路;
    (2)电压表的两接线柱间被短路。
    “症状”3:电流表示数为零。诊断:
    (1)电流表所在的电路与电源两极构成的回路上有断路。
    (2)电流表所在电路电阻非常大,导致电流过小,电流表的指针几乎不动(如有电压表串联在电路中)。
    (3)电流表被短路。
    “症状”4:电流表被烧坏。诊断:
    (1)电流表所在的电路与电源两极间直接构成了回路,即发生了短路。
    (2)电流表选用的量程不当。

    三、分析归纳:
    串联电路中,断路部位的电压等于电源电压,其它完好部位两端电压为0V;
    串联电路中,短路部位的电压等于0V,其它完好部位两端有电压,且电压之和等于电源电压。
    不管“短路、断路”成因是多么复杂,其实质却很简单,我们可以认为“短路”的用电器实质就是电阻很小,相当于一根导线,“断路”的用电器实质就是电流无法通过相当于断开的电键。在分析中用导线代替“短路”的用电器,用断开的电键代替“断路”的用电器,往往会收到意想不到的效果。
    形成故障的原因很多,比如“短路”有可能是用电器两个接线柱碰线造成,也可能是电流过大导致某些用电器内部击穿,电阻为零;“断路”有可能是导线与用电器接触不良造成,也可能是电流过大将用电器某些部分烧断造成。

    实验过程中如何分析电路故障:
       在做探究串、并联电路中电流的规律的实验时,可能会遇到各种各样的电路故障,一般可以根据故障的现象推断产生的原因。以下就此实验中可能出现故障的现象进行分析诊断。
    1.在串联电路(甲图)中的故障

    (1)只有一个灯泡亮,如L1亮,其他电路完好,说明问题出在不发光的灯泡L2上,检查灯泡L2的灯丝和灯座是否有短路故障。
    (2)两灯都不亮,则电路中一定有断路,可以用一只好灯泡检测故障部位,将检验灯泡分别与灯泡L1、 L2、电流表、开关、电源并联,或与多个元件并联,直到检验灯泡发光,说明所并电路部分存在着断路故障。例如:将检验灯泡L与灯泡L1并联(乙图),如果L发光,说明灯泡L1处断路;如果L不亮,则其他元件处有断路情况。

    2. 在并联电路(丙图)中的故障

    (1)只有一个灯泡亮,如L1亮,只能是不发光的灯泡L2支路上存在断路故障,检查灯丝是否烧断,灯座、导线是不是没有接好。
    (2)两灯都不亮,一般属于干路故障,检查电源、开关、电流表及干路导线中是否断路,也有可能是两条支路同时断路。
考点名称:串联电路的电流规律
  • 串联电路特点:
    串联电路中,电流处处相等,即I=I1=I2=…=In。在串联电路中只要测出任何一个位置的电流,就知道了其他位置的电流。

  •  实验探究串联电路的电流规律:
    1. 实验电路:


    2. 实验步骤:
    (1)根据串联电路的电路图,组装好实验装置
    (2)选用电流表的最大量程,并把电流表接在电路的a处。
    (3)合上开关,测出a处的电流值。
    (4)把电流表先后改接在电路中的b、c处,分别测出电流值,并对电路中Ia、Ib、Ic进行比较分析。

    3. 结论:串联电路:各处电流都相等Ia=Ib=Ic。

  • 串联电路中短路的特殊作用:
    1.跟某个用电器并联的开关,可起到控制电路的作用。闭合开关时,被控制的用电器因短路而停止工作;断开开关时,被控制的用电器可与其他用电器一起工作。
    2.报警电路,用于防盗与防逃。用电线与电铃并联,线断后电铃发声。
考点名称:并联电路的电压规律
  • 并联电路电压规律:
    在并联电路中,各支路两端电压相等,都等于电源电压,即U=U1=U2=…=Un
  • 实验探究并联电路电压规律:
    1.实验器材:电源、导线、开关、灯座、小灯泡、电压表。

    2.实验电路图:如图甲所示。
     

    3.实验步骤:
    (1)按实验电路图连接好电路。连接电路过程中,开关应处于断开状态。
    (2)将电压表并联在灯L1两端,测出Ll两端电压U1。在不超过量程的前提下,电压表量程应首选“0~3V”。
    (3)合上开关后,将电压表的示数记录在下表中。
    (4)用电压表分别测出L2两端电压U2、电路总电压U总,记下电压表示数,并填入表中。

    4. 结论:串联电路中U=U1=U2

  • 串、并联电路中电流和电压关系的比较:
    电流关系电压关系
    串联电路串联电路中的电流各处都相等,表达式:I =I1=I2=…=In 串联电路两端的总电压等于各串联导体两端电压之和,表达式:U=U1 +U2+…+Un
    并联电路并联电路中干路电流等于各支路电流之和,表达式:I =I1+I2+…+In 并联电路各支路两端电压都相等,表达式:U=U1 =U2=…=Un
考点名称:电功率的计算
  • 电功率的计算公式:
    1. 定义式:P=W/t

    2. 常用公式:P=W/t=UIt/t=UI,即P=UI
  • 并、串联电路的总功率:
    1.并联电路的总功率
    因为P1=I1U,P2=I2U
    P=IU=(I1+I2)U=I1U+I2U,所以P=P1+P2
    即并联电路的总功率等于各并联用电器的电功率之和。
    并联电路电功率的分配:
    因为P1=I1U,P2=I2U,
    所以
    又因为,所以
    即并联电路中,电功率的分配跟电阻成反比。

    2. 串联电路的总功率
    因为P1=I1U,P2=I2U
    P=IU=(I1+I2)U=I1U+I2U,所以P=P1+P2
    即串联电路中总功率等于各串联电器的电功率之和。
    串联电路电功率的分配:
    因为P1=I1U,P2=I2U
    所以
    又因为,所以
  • 灯泡铭牌问题
      “铭牌问题”是电功率知识与实际生活相结合的热点问题,做这类题目时,首先要读懂用电器的“铭牌”。
    如图:灯泡上的铭牌。“PZ”是“普通照明灯泡”中 “普”和“照”的汉语拼音的第一个字母,表示灯泡的型号。另外可知:U=220V,P=25W。

    例:甲、乙两灯泡分别标有“220V 40W”和 “110V 40W”字样,将它们串联起来接入220V电路中,比较两灯的亮度,则(  )
    A.甲灯亮B.乙灯亮 C.一样亮D.无法判断

    解析:灯的亮度决定于灯的实际功率,串联时电流相同,根据P=I2R,电阻大的实际功率大,灯更亮一些。根据,R=,所以,甲灯更亮一些。


    公式法计算电功率:

    1.
         这是电功率的定义式,此公式适用于各种用电器和电路。
    2. P=UI
         这是电功率的决定式,即电功率是由用电器两端的电压和通过它的电流之积来决定的。此公式适用于所有电路,它是“伏安法”测小灯泡电功率的理论依据。该公式表明,用电器的实际功率等于实际电压与实际电流的乘积。常常借助于用电器的铭牌用此公式来计算用电器的额定电流,进而计算用电器的电阻;当然这个公式的最大用处还是用来计算各类用电器实际消耗的电功率或电路的总功率。

本文来自投稿,不代表本站立场,如若转载,请注明出处:https://www.planabc.net/wuli/582032.html