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第十二章 电能 能量守恒定律
12.2.1 闭合电路的欧姆定律
2022-2023学年高中物理同步备课必修第三册
目录
contents
闭合电路
01
02
电动势
03
欧姆定律及能量
04
路端电压跟负载R的关系
新课导入
电路中每个小灯泡的规格都相同，逐个点亮并联的小灯泡，发现小灯泡的亮度逐渐变暗，逐个断开开关，小灯泡又逐渐变亮，如何解释这一现象呢？
新课导入
闭合电路
01
由导线、电源和用电器连成的电路叫作闭合电路（closed circuit）。
闭合电路
2.外电路:电源外部的电路
导线、电源、用电器
1.闭合电路的结构：
3.内电路:电源内部的电路
闭合电路
正极
负极
+
+
+
+
+
+
灯泡要持续的发光，那么电路中将有持续的电流，那电路中将要有持续的电荷移动.
电路中要有持续的电荷移动，那持续移动的电荷哪里来，靠谁来维持？电源的作用是什么？
想一想
请结合右图，探究如下问题：
3.电源外部电路中能量是如何转化的？这种转化又是如何实现的？
1.判断电源外部电路中的电场方向。
2.正电荷在电源外部电路中如何移动？
（以正电荷定向移动形成电流为例）
正极
负极
+
+
+
+
+
+
沿导线从正极指向负极
在电场力作用下从正极向负极定向移动
电能转化为其他形式能；通过电流做功（流过用电器）
想一想
电源内部分析
+
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
+ + + + + + + +
-
-
-
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
+
3、在电源内部，正电荷（或自由电荷）所受的电场力方向与电荷移动方向相同还是相反？
相反；
结合电源示意图，探究如下问题：
1、在电源内部，电流方向如何？正电荷又是怎样移动的？如果没有这种移动，将会是什么结果？
从负极流向正极；正电荷从负极流向正极；不会有持续电流。
2、电源内部有电场吗？若有，方向如何？
有；从正极指向负极
正极
负极
电源
+
+
+
+
+
+
+
+
+
外电路
内电路
F电
F非
5．从做功与能量转化的角度，你是怎样理解电源在电路中的作用的？这种作用可以与生活中的什么现象类比？
4.试猜想一下，正电荷在电源内部移动的过程中，除静电力外，是否还受其它力作用，是否做功？
有非静电力；电场力做负功，非静电力做正功。
通过非静电力做功，电源将其他形式能转化为电能；与滑梯—升降机模型类似。
电路 玩滑梯 外电路 滑梯
电池内部 升降机
电场力对正电荷做
电势能
重力对人做 重力势能
非静电力对正电荷做
克服
电势能
拉力对人做
克服
重力势能
类比
正功
减小
正功
重力
增加
正功
减小
正功
增加
电场力
电源和电动势
02
(1)作用：使电路中产生持续电流（或电路两端保持一定电压）。
(2)在外电路中，电能转化为其他形式能；在内电路中，其他形式能转化为电能。
1、电源：电源就是通过非静电力做功，把其他形式的能转化为电能（电势能）的装置。（从能量转化的角度看）
电 源
2.非静电力
(1)非静电力的作用：把正电荷由______搬运到________，同时在该过程中非静电力做功，将___________________转化为电能。
(2)非静电力的实质：在电池中是指___________，在发电机中是指____________。
负极
正极
其他形式的能量
化学作用
电磁作用
(3)从力的角度，非静电力是电荷在电源内部受到的除静电力之外的其它力的统称。
不同的电源非静电力做功的本领是不同的，我们用电动势来表达电源的这种特性。
1、定义：非静电力把正电荷从负极移送到正极所做的功跟被移送的电荷量的比值。
4、物理意义：反映电源把其他形式的能转化为电能(电势能)本领的大小；（电动势在数值上等于非静电力把1C的正电荷在电源内部从负极移送到正极所做的功）。
3、单位：伏特 V (1V=1J/C)
2、公式：
eg、干电池的电动势为1.5V：表明在干电池内移送1C的电荷量时，可将1.5J的化学能转化为电势能。
手机电池的电动势为3.7V：表明在手机电池内移送1C的电荷量时，可将3.7J的化学能转化为电势能。
电动势（E）
5、特点：
（1）电动势E由电源中非静电力的特性（电源本身性质）决定，跟W、q无关，与电源的体积、形状无关，与是否联入电路及外电路的情况无关。
（2）电动势E越大，表明每移动1C的电荷，电源可把更多的其他形式的能量转化为电势能.
6、电动势的测量方法：
对于理想电压表（内阻为无穷大），测量值等于电动势；对于实际电压表（内阻为有限值），测量值小于电动势。电压表内阻越小，误差越大。
在没有接入外电路时，电源两极间的电压
电动势E与电压U的区别与联系
太阳能电池
干电池
铅蓄电池
锂电池
你了解电池吗
？
生活中常见的电池
内部
内阻
电动势
总电荷量
放电状态
体积
容量
内阻
电源的内阻在使用过程中变化较大，使用时间越长，内阻越大。
例如，15Ah的蓄电池以1.5A电流为用电器供电，大约可以工作10h。
电源有三个重要参数:电动势（E）、内阻（r）、容量
用导线把电源、用电器连成的一个完整的电路。
闭合电路：
电源外部的电路叫外电路 。
包括用电器、开关导线等。
外电路：
电源内部的电路叫内电路。
如发电机的线圈、电池的溶液等。
内电路：
r
E
R
S
A B
外电路
内电路
1、基本概念
闭合电路
2）内电路：
（1）内阻r（纯电阻）：内电路的电阻。
（2）内电压U内： 内电路上的电势的降落。
1）外电路：
（1）外电阻R：外电路的电阻。
（2）路端电压（外电压）U外：外电路两端的电压。
R
S
内电路
外电路
E
r
r
E
内电路
等 效
r
E
内电路
R
S
外电路
在外电路中，电流方向由正极流向负极，沿电流方向电势降低。
在内电路中，即在电源内部，通过非静电力做功使正电荷由负极移到正极，所以电流方向为负极流向正极。
2、闭合回路的电流方向
内电路与外电路中的总电流是相同的。
a
b
a
b
c
d
3、电路中的电势变化情况
（1）在外电路中，沿电流方向电势降低。
（2）在内电路中，一方面，存在内阻，沿电流方向电势也降低；另一方面，沿电流方向存在电势“跃升”。
a
b
a
b
c
d
b
d
a
c
设电源电动势为E，内阻为r，外电路的用电器都是纯电阻为R，闭合电路的电流为I。
1、在时间t内外电路中有多少电能转化为内能？
r
E
R
K
内电路
外电路
静电力做正功，电势能转化为内能。
E外=W电=UIt=I2Rt （纯电阻）
2、当电流通过内电路时，也有一部分电能转化为内能，是多少？
静电力做正功，电势能转化为内能E内= Q内=I2rt
3、电流流经电源时，在时间t内非静电力做多少功？
非静电力做正功，把化学能转化为电势能。W非=Eq=EIt
4、根据能量守恒定律，以上各能量之间有什么关系？
非
理论推导
EIt=I2Rt+I2rt
E=IR+Ir
I =
E
R+r
(闭合电路欧姆定律)
闭合电路中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．
电源和电动势
02
闭合电路中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．
1、内容:
E＝U外＋Ir
2、表达式:
3、推导式:
E＝U外＋U内
E＝IR＋Ir
U外＝E－Ir
只适用于外电路为纯电阻的闭合回路
既适用于外电路为纯电阻电路也适用于非纯电阻电路
说明：
1、 是外电路上总的电势降落，习惯上叫路端电压.
2、 是内电路上的电势降落，习惯上叫内电压.
闭合电路欧姆定律
闭合电路欧姆定律的表达形式
表达式 物理意义 适用条件
I＝ 电流与电源电动势成正比，与电路总电阻成反比 纯电阻电路
E＝I(R＋r)（1） E＝U外＋Ir（2） E＝U外＋U内（3） 电源电动势在数值上等于电路中内、外电压之和 （1）式适用于纯电阻电路；（2）（3）式普遍适用
EIt＝I2Rt＋I2rt（4） W＝W外＋W内（5） 电源提供的总能量等于内、外电路中电能转化为其他形式的能的总和 （4）式适用于纯电阻电路，（5）式普遍适用
例：在如图所示的电路中，电源的电动势为1.5V，内阻为0.12Ω，外电路的电阻为1.38Ω,求电路中的电流和路端电压.
解：由闭合电路欧姆定律，电路中的电流为
路端电压
R
S
E
r
反馈练习
例.如图所示，R1 = 8.0 Ω，R2 = 5.0 Ω ，当单刀双掷开关 S 扳到位置 1 时，测得的电流 I1 = 0.2 A；当S 扳到位置 2 时，测得电流 I 2 = 0.3 A。求电源电动势E 和内电阻r。
r
S
E
A
R
1
R
2
1
2
答案：r=1.0 Ω，E=1.80V
电源和电动势
02
R
I
U内
U外
E. r 一定
I =
E
R+r
U内= Ir
E=U外+U内
R
I
U内
U外
E. r 一定
I =
E
R+r
U内= Ir
E=U外+U内
1.理论根据：
（1）闭合电路欧姆定律
（2）部分电路欧姆定律
3.结论：路端电压随着外电阻的增大（减小）而增大（减小）。
2.逻辑推理：
闭合开关S，将外电路的滑动变阻器R向左移动(增大R)，观察电压表的示数将会做什么变化？
E、r
s
R
A
V
若R向右移动呢？
路端电压跟负载R(电路中消耗电能的元件)的关系
4.两种特例：
R=0
I=E/r
U内=E
U外=0
E. r 一定
I =
E
R+r
U内= Ir
E=U外+U内
（1）短路
（2）断路
R=∞
I=0
U内=0
U外=E
E. r 一定
I =
E
R+r
U内= Ir
E=U外+U内
5.结论：当外电路短路时，电路中的电流I短=E/r，內电压等于电动势；当外电路断路时，路端电压等于电动势。
物理来自生活
为什么晚上7、8点钟的时候家里面的灯看起来很昏暗，而夜深人静时又变亮了呢？
R
I
U内
U外
E. r 一定
I =
E
R+r
U内= Ir
E=U外+U内
你现在能解释刚才的现象了吗？
s1
s2
L1
L2
L3
s3
为何新旧电池不能混用？
解释：电池用久后，里面的物质由于电化学反应发生变化，导致内电阻变大，内电阻分压增大，输出的电压就减小。
例、一块太阳能电池，测得它的开路电压为800 mV，短路电流为40 mA，若将该电池与一阻值为20 Ω的电阻器构成一闭合电路，则它的路端电压是(　　)
A．0.10 V　　　B．0.20 V
C．0.30 V D．0.40 V
D
电源和电动势
02
E、r
s
R1
A
V
R0
路端电压与电流的关系
2．电源的U I图像
(1)图像的函数表达式：U＝E－Ir。
(2)图像表示：电源的外电路的特性曲线(路端电压U随电流I变化的图像)，如图所示是一条斜向下的直线。
(3)当外电路断路时(即R―→∞，I＝0)：纵轴上的截距表示电源的电动势E(E＝U端)；
当外电路短路时(R＝0，U＝0)：横坐标的截距表示电源的短路电流I短=E/r。(条件：坐标原点均从0开始)
(4)图线的斜率：其绝对值为电源的内电阻，即r＝E/I短 ＝ 。
(5)某点纵坐标和横坐标值的乘积：为电源的输出功率，在图中的那块矩形的“面积”表示电源的输出功率。
闭合电路的U-I图象
U
o I
E
U0 M（I0,U0）
β
α
b a
N
I0 Im
1）图中a为闭合电路的U-I
图象b为部分电路(外电阻)的U-I图象
2）两者的交点坐标表示该电阻接入电路时的路端电压与电流（即工作时的实际电压和实际电流——实际功率P实=U0I0）
3）a的斜率的绝对值表示电源内阻的大小、b的斜率的绝对值表示接入电路中外电阻的的大小
电源的输出电流与外电路电阻关系:
拓展：I-R图像
拓展学习
O
R
I
r
拓展：U-R图像
电源的路端电压与外电路电阻的关系:
O
R
U
r
拓展学习
部分电路中电阻的U－I图象与闭合电路中电源的U－I图象的区别
电阻 电源
U－I图象
研究对象 对某一固定电阻而言，两端电压与通过的电流成正比关系 对电源进行研究，路端电压随干路电流的变化关系
图象的物 理意义 表示导体的性质R＝ ，R不随U与I的变化而变化 表示电源的性质，图线与纵轴的交点表示电源电动势，图线斜率的绝对值表示电源的内阻
联系 电源的电动势和内阻是不变的，正是由于外电阻R的变化才会引起外电压U外和总电流I的变化 【归纳总结】
【小试牛刀】
C
AD
例.一电源与电阻R组成串联电路，电源的路端电压U随电流的变化图线及外电阻的U－I图线分别如图所示，求：
(1)电源的电动势和内阻；
(2)电源的路端电压；
(3)电源的输出功率．
纵坐标为电源的电动势
横坐标为短路电流
图线斜率的绝对值为内电阻
图线交点坐标即为工作电流和电压
解：(1)由题图所示U－I图线知：电源电动势E＝4V，短路电流I短＝4A．
故内阻r＝ ＝1 Ω.
(2)由图象知：电源与电阻串联电流I＝1A，此时对应路端电压U＝3 V.
(3)由图象知R＝3Ω.故P出＝I2R＝3W.
由图线可以求出外电阻阻值
【例题】（多选）如图所示，直线A为某电源的U—I图线，曲线B为某小灯泡L的U—I图线的一部分，用该电源和小灯泡L串联起来组成闭合回路时灯泡L恰能正常发光，则下列说法中正确的是（　　）
A．灯泡L的额定电压为2V，额定功率为4W
B．此电源的内电阻为0.5Ω，此时灯泡L的电阻大于1Ω
C．此时电源内阻的热功率为4W
D．把灯泡L换成阻值恒为0.5Ω的纯电阻，电源的输出功率将增大，但效率降低
AD
感谢您的耐心聆听
I'd like to finish by saying how grateful I am for your attention.

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