学习《恒定电流》时应注意的“三个问题”.doc

关于高中物理学习，由于惯性思维，或者是害怕心理，不少学生很容易导致知识重点把握不准，知识难点理解不透，知识运用难以灵活。为了更为有效地实施《恒定电流》的教学，根据初高中知识的衔接和教学大纲的重点要求，结合近些年高考的考查频率和要求，我们尤其着重于以下三个方面：
1．电功和电功率在不同直流电路上的计算问题
根据前一章知识容易得出公式：电功W=UIt和电功率P=UI,这两个公式对任何电路的电功和电功率的计算均适用，但是，结合部分电路欧姆定律所推导出来的电功公式W=以及电功率公式P=均只能适用于遵守部分电路欧姆定律的纯电阻电路了，这是因为在纯电阻的电路上电流做功将电能全部转化为热能；一旦电流流入非纯电阻电路，例如电动机、电解槽等用电器的电路，电流做功时只有少量电能转化为热能，而将大部分电能转化为机械能、化学能等，这种电路显然不遵守部分电路欧姆定律，并且有U＞IR，上述电功和电功率推导式就不再适用了。
[例1]某电动机的额定功率是 W,额定电流是5.0A，其内部线圈的直流电阻是0.4Ω不计转动时的摩擦。现让该电动机接通电源后正常工作，通电2s,求：
⑴电动机的输入电压是多少？
⑵电动机线圈的直流电阻上电压是多少？
⑶电动机线圈的直流电阻上产生的热量是多少？
⑷电流做的电功是多少？
⑸电流做功使电动机输出的机械能是多少？
解析：⑴，⑵，⑶
⑷，⑸由能量转化和守恒定律可得
评析：⑴电动机线圈的直流电阻上电压和电动机的输入电压不同，且＞。
⑵电流做的电功不能用W=来计算，因为电动机属于非纯电阻电路。
2．闭合电路欧姆定律在电路上的分析推理和计算问题
在学习闭合电路欧姆定律前，我们首先要弄清电源电动势E和内电路电压、外电路电压（也叫路端电压）三者之间的关系，即为E= +，且该关系对于任何闭合电路都适用。
如果某闭合电路的内、外电路均为纯电阻电路，则自然有 =Ir、 =IR，因此可得闭合电路欧姆定律，可见，闭合电路欧姆定律也只能适用于纯电阻电路了。在本定律的常见考查中，一般以闭合电路的动态定性分析或具体的定量计算形式呈现。
E

P

L1

L2

L3

S

r
[例2]如图所示，电路中电源的电动势为E、内阻为r，
电键 S闭合后，当滑动变阻器的滑片P从滑动变阻器的中
点位置向左滑动时，电路中的小灯泡L1、L2、L3的亮度变化
情况是（ ）
A. L1灯变亮，L2灯变暗，L3灯变亮
B. L1灯变暗，L2灯变亮，L3灯变暗
C. L1 、L2两灯都灯变亮，L3灯变暗
D. L1 、L2两灯都灯变暗，L3灯变亮
L1

P

L2

L3

E

S

r
解析：本题首先应分析电路结构，不难发现，从L2灯流出的电流将经过L1灯和滑动变阻器两条支路流回电源负极，所以L1灯和滑动变阻器两条支路并联后与L2灯串联再与L3灯并联，具体的简化电路图如下图所示。依题意，当滑动变阻器的滑片P向左滑动时，滑动变阻器的有效阻值变大，则整个电路的外电路的阻值R变大，根据
闭合电路欧姆定律可知干路电流变小，
再由 = E- Ir容易得知路端电压变大，
所以L3灯变亮，而流过L2灯的电流I2 =I干-I3 ,
所以L2灯变暗，又由于L1灯两端的电压等于L3灯
两端电压减去L2灯两端的电压，故L1灯变暗。选A。
“局部 整体 局部”，
评析：本题旨在考查直流电路动态变化的分析推理能力，基本思路是
一般是由于电路中某一局部位置由于某元件的短路或断路故障、滑动变阻器的调节、电键的闭合或断开均会导致局部支路阻值发生变化，从而根据闭合电路欧姆定律确认干路电流I干以及路端电压的变化情况，进而根据部分电路欧姆定律和串并联电路的性质分析出各个局部变化情况。
E

r

R2

P

R1

S

A

V
[例3]如图所示，电灯L标有“4V,1W”字样，滑动变阻器R2的总电阻为50Ω，当滑片P滑至某位置时，灯L恰好正常发光，此时电流表示数为0.45A；由于外电路发生故障，电灯L突然熄灭，此时电流表示数变为0.5A，电压表示数为10V；已知导线完好，电路中各处接触良好。试问：⑴发生的故障是短路还是断路？发生在何处？
⑵发生故障前，滑动变阻器接入电路的阻值为多大？
⑶此电路中的电源的电动势和内电阻为多大？
解析：⑴根据题意，电路发生故障后，电流表示数I增大，
说明路端电压 =IR1增大，由 = E- I干r和可知
外电路的总阻值增大了，所以一定在外电路上某处发生断路，由
于电流表有示数，R1不可能断路，电压表也有示数，则滑动变阻
器R2也不可能断路，因此，只可能是灯L发生断路。
⑵灯L发生断路后，因无电流通过R2，外电路只有R1了，故电压表示数为10V即为路端电压。
U1 ==10V,则可得出R1 =，灯L未发生断路时恰好正常发光，则UL=4V,IL= ,而此时的路端电压 =· R1=9V,故可求得滑动变阻器接入电路的阻值R2 =
⑶根据闭合电路欧姆定律E=U外+I干r可得方程式如下
故障发生前有E=9+（0.25+0.45）r
故障发生后有E=10+0.5r
联立求解可得E=12.5V, r=5
评析：本题通过电路由于发生故障而引起的直流电路故障检查和动态分析，旨在考查利用闭合电路欧姆定律进行定性分析、推理和定量计算电路问题的能力。关键是能够及时判断出故障，还要明确故障前后的电路结构，解决此类问题才能胜券在握。
3．电流表和电压表在电学实验中作为实际仪表的分析和应用问题
初中学习阶段，我们均将电流表和电压表视为理想的仪表，认为电流表是内阻为零的、电压表内阻是无穷大的。在高中物理中，有时将电流表和电压表视为理想的仪表，有时又将电流表和电压表作为实际仪表要考虑和分析仪表的内阻，这就要问题的要求或条件而定，也就是具体问题具体分析了。但是，在高中电学实验中，务必要将电流表和电压表作为实际仪表认真考虑和分析仪表的内阻，才能设计出科学合理的实验方案，才能进一步正确分析实验的系统误差。这也是多年来高考实验题命题倾向最大、命题频率最高的知识领域。
⑴在将灵敏电流表（即G表）改装成实验用的电流表（即A表）和电压表（即B表）时，不仅要考虑G表的内阻，而且高中教材要求我们会用半偏法的实验方法测出G表的内阻Rg ,至于 G表的满偏电流Ig可以直接从刻度盘读出来，然后才可利用串或并联电路的分压或分流原理将G表改装成所需的电流表或电压表。
R

G

R/

S1

S2
关于半偏法的实验电路如右图所示，基本要求就是滑动
变阻器R接入电路的阻值要比电阻箱R/量程范围大得多。测
量开始前滑动变阻器R的阻值打到最大值，然后只闭合电键
S1 ，调节滑动变阻器R的滑片，直至G表达到满偏，再闭合
电键S2 ，调节电阻箱R/的阻值直至G表达到半偏。此时，流
V
过电阻箱R/的电流和流过G表的电流基本认为相等，即，因此侧得的G表的内阻Rg≈R/ 。例如，现在想将G表改装为所需的电压表 ,只需串联一个合适的分压电阻，并将改成电压表
量程下的刻度盘即可。
⑵利用电流表和电压表进行伏安法测电阻时，就需要研究待测电阻与电流表和电压表内阻的差异程度，才能选择电流表内接方式或者是外接方式更合理。
目

项

析

分

式

方

接

连

电流表内接方式
电流表外接方式
电路连接图
Rx

A

V

Rx

A

V

系统误差特点
测量值Rx=
测量值Rx=
系统误差原因
由于电流表A的分压导致测得的U
值偏大，因而测量值Rx总是偏大
由于电压表V的分流导致测得的I值
偏大，因而测量值Rx总是偏小
适合测量对象
大阻值的电阻（更接近于RV）
小阻值的电阻（更接近于RA）
当然，利用电流表和电压表进行伏安法测电阻时,除如何选择更合理电流表连接方式之外，还常常要考虑电流表和电压表量程的选择等等，这也要求我们依据待测电阻Rx具体分析确定。
⑶利用电流表和电压表测定电源的电动势和内电阻的实验时，认真分析后会发现，实验电路图要运用更科学合理的连接方式。
连

接

方

式

分

析

项

目

电流表内接方式
电流表外接方式
电路连接图
r

E

R

A

V

S

r

E

R

A

V

S

测量式
U=E测-Ir测
U=E测-Ir测
修正式
U+IRA=E真-Ir真
U= E真-（I+）r真
修正式变形式
U =E真-I（r真+RA）
U=（） E真-I（）r真
对比结果
E测= E真
r测=（r真+RA）
E测=（）E真
r测=（）r真
结果说明
此方式导致r测系统误差太大
此方式E测和r测系统误差很小
综上研究分析可知，利用电流表和电压表测定电源的电动势和内电阻的实验时，实验的电路图必须采用电流表外接方式。
例如，[2005年高考全国卷I中22题（2）]
测量电源B的电动势E及内阻r（E约为4.5V，r约为1.5Ω）。
器材：量程3V的理想电压表V，量程0.5A的电流表A（具有一定内阻），固定电阻R=4Ω，滑线变阻器R′，电键K，导线若干。
①画出实验电路原理图。图中各无件需用题目中给出的符号或字母标出。
②实验中，当电流表读数为I1时，电压表读数为U1；当电流表读数为I2时，电压表读数为U2。则可以
求出E= ，r= 。
（用I1，I2，U1，U2及R表示）