高二物理人教版选修3-12.4含容电路和电路故障分析.doc

高二物理人教版选修3-1 2.4含容电路和电路故障分析
含容电路和电路故障分析

重/难点
重点：含电容电器的分析与计算方法, 电路故障的分析方法。
难点：含电容电器的分析与计算方法, 电路故障的分析方法。
重/难点分析
重点分析：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，在电容器处电路可看作是断路，简化电路时可去掉它。简化后若要求电容器所带电量时，可接在相应的位置上。
难点分析：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：仪表检测法和假设法。
突破策略
一、含电容电器的分析与计算方法
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，在电容器处电路可看作是断路，简化电路时可去掉它。简化后若要求电容器所带电量时，可接在相应的位置上。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）当电容器和电阻并联后接入电路时，电容器两极间的电压与其并联电阻两端的电压相等。
（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，电容器将通过与它连接的电路放电。
【例1】如图所示，电源电动势E＝12V，内阻r＝1Ω，电阻R1＝3Ω，R2＝2Ω，R3＝5Ω，电容器的电容C1＝4μF，C2＝1μF。求：
(1)当S闭合时间足够长时，C1和C2所带的电量各是多少?
(2)然后把S断开，S断开后通过R2的电量是多少?

解：(1)当S闭合时间足够长时，C1两端的电压等于R2两端的电压；C2两端的电压等于路端电压
回路电流
C1两端的电压
C1的带电量为：
C2两端的电压
C2的带电量为：
（2）断开S后，电容器C1通过电阻R2、R3放电；电容器C2通过电阻R1、R2、R3放电，放电电流均流过R2，且方向相同。
因此，通过R2的电量为：
【例2】如图，已知源电动势，内电阻不计。电容C＝1μF，R1∶R2∶R3∶R4＝1∶2∶6∶3，则电容a极板所带电量为：（ ）
A、－8×10－6C B、4×10－6C C、－4×10－6C D、8×10－6C

解：
所以 UCD＝6－4＝4V 因此a极板带正电荷
【例3】右图电路中，电源电动势E＝10V、内阻忽略不计，定值电阻R1＝4Ω，R2＝6Ω，电容C＝30μF。
（1）闭合开关S，电路稳定后通过电阻R1的电流多大？
（2）然后将开关S断开，求这以后流过电阻R1的总电量？
（3）开关断开以后，电源还输出多少电能？

解：(1) 闭合开关S后，电路达到稳定时，电容器相当于断路，由闭合电路欧姆定律知，通过R1的电流为

(2)断开前,电容器两极上电压等于R2两端的电压，即

电容器的带电量为

S断开后，电容器两极间电压等于电源电动势E，其带电量为

流过R1的总电量等于电容器带电量的增加，即

（3）开关断开以后，电源又释放的电能为

二、电路故障的分析方法
（一）故障的特点：
1、断路的特点：电路电压不为零而电流为零。
2、短路的特点：有电流通过电路而电压为零。
（二）故障的分析方法
1、电压表检测法
电压表示数为零，说明电压表无电流通过，可能是电压表并联部分无电阻（短路），或该并联电路之外断路（电路中无电流）。
如果电压表有示数，说明电压表有电流流过，则该并联电路无断路且该并联电路内无短路。
2、假设法
已知电路发生某种故障，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，运用电流定理进行正向推理，推理结果若与题述物理现象不符合，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。
3、排除法
在明确电路结构的基础上，从分析比较故障前后电路中电流、电压的变化入手，确立故障原因并对电路中元件逐一分析，排除不可能情况，寻找故障所在。针对故障前后电路的两种状态，可根据不同状态物理量间的关系求解有关量。
【例1】如图所示的电路中，闭合电键，灯L1、L2正常发光，由于电路出现故障，突然发现灯L1变亮，灯L2变暗，电流表的读数变小，根据分析，发生的故障可能是：（ ）
（A）R1断路 （B）R2断路
（C）R3短路 （D）R4短路
分析与解： 首先应对电路进行标准化，如图所示为其标准化后的电路。当R1断路时，总电阻增大所以通过电源的总电流减小，灯L2变暗，电流表的读数变小，而路端电压增大，所以L1两端电压增大，灯L1变亮，所以A选项正确。
当R2断路时，总电阻增大，所以通过电源的总电流减小，灯L1变暗，而路端电压增大，所以L2两端电压增大，灯L2变亮，所以B选项不正确。
当R3短路时，总电阻减小，所以通过电源的总电流增大，灯L1变亮，而路端电压减小，所以L2两端电压减小，灯L2变暗，因为总电流增加，而通过L2的电流减小，电流表的读数变大，所以C选项不正确。
当R4短路时，总电阻减小，所以通过电源的总电流增大，灯L1变亮，而路端电压减小，所以L2两端电压减小，灯L2变暗，因为总电流增加，而通过L2的电流减小，电流表的读数变大，所以D选项不正确。
【例2】如图所示，电路中L1、L2、L3是三盏完全相同的白炽小灯泡，把它们串联后接在电压恒为6 V的电源上，三个小灯泡都正常发光，后来三个小灯泡都不亮了，用电压表接ac两端时，示数是6 V；接bd两端时，电压表示数为零。接ab两端时，示数也为零。导线连接良好，则灯丝烧断的小灯泡可能是（ ）
A．仅是L1 B．仅是L2 C．L1和L2 D．Ｌ2和L3
【解析】 由Ubd＝0，知L1断；Uab＝0，可知L2断。【答案】 C。
突破反思
但本节课在理论上和解题技巧上对课本知识进行了梳理和升华，学生限于理论修养和经验都很难在短时间内进行高度的总结和概括。所以本次课主要依靠教师的循循善诱，使学生对老师的讲解内容深刻领会。
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