閉合電路

閉合電路

閉合電路是指電荷沿電路繞一周后可回到原位置的電路。一個簡單的閉合電路由電源、用電器、導線和開關組成。閉合電路中的總電流是由電源和電路電阻決定,對一定的電源,,r視為不變,因此,的變化總是由外電路的電阻變化引起的。上述通過兩組實驗數據求解電動勢和內電阻的方法,由於偶然誤差的原因,誤差往往比較大,為了減小偶然因素造成的偶然誤差,比較好的方法是通過調節變阻器的阻值,測量5組~8組對應的U、I值並列成表格,然後根據測得的數據在U--I坐標系中標出各組數據的坐標點,作一條直線,使它通過儘可能多的坐標點,而不在直線上的坐標點能均等分布在直線兩側,如圖所示:這條直線就是閉合電路的U--I圖像,根據,U是I的一次函式,圖像與縱軸的交點即電動勢,圖像斜率。

概述

閉合電路閉合電路

閉合電路 :bì hé diàn lù 電荷沿電路繞一周后可回到原位置的電路。一個簡單的閉合電路由電源、用電器、導線和開關組成。電源是提供電能的,用電器是消耗電能的,導線是輸送電能的,開關是控制電流通斷的。電源一般有電池和發電機,用電器就是像燈泡一類的。

物理簡介

全電路歐姆定律(閉合電路歐姆定律)公式:I=E/(R+r)

其中E為電動勢,r為電源內阻,內電壓U內=Ir,E=U內+U外

適用範圍:純電阻電路

物理公式

閉合電路中的能量轉化:

E=U+Ir

EI=UI+I^2R

P釋放=EI

P輸出=UI

純電阻電路中

P輸出=I^2R

=E^2R/(R+r)^2

=E^2/(R+2r+r^2/R)

當 r=R時 P輸出最大,P輸出=E^2/4r

(均值不等式)

基本規律

1、電動勢:電動勢是描述電源把其他形式的能轉化為電能本領的物理量。要注意理解:(1)是由電源本身所決定的,跟外電路的情況無關。(2)物理意義:電動勢在數值上等於電路中通過1庫侖電量時電源所提供的電能或理解為在把1 庫侖正電荷從負極(經電源內部)搬送到正極的過程中,非靜電力所做的功。(3)注意區別電動勢和電壓的概念。電動勢是描述其他形式的能轉化成電能的物理量,是反映非靜電力做功的特性。電壓是描述電能轉化為其他形式的能的物理量,是反映電場力做功的特性。

2、閉合電路的歐姆定律:

(1)意義:描述了包括電源在內的全電路中,電流強度與電動勢及電路總電阻之間的關係。

(2)公式:;常用表達式還有:。

3、路端電壓U,內電壓U’隨外電阻R變化的討論:

外電阻R 總電流內電壓路端電壓

增大減小減小增大

(斷路)OO等於

減小增大增大減小

(短路)(短路電流)

閉合電路中的總電流是由電源和電路電阻決定,對一定的電源,,r視為不變,因此,的變化總是由外電路的電阻變化引起的。根據,畫出U--R圖像,能清楚看出路端電壓隨外電阻變化的情形。

還可將路端電壓表達為,以,r為參量,畫出U--I圖像。

這是一條直線,縱坐標上的截距對應於電源電動勢,橫坐標上的截距為電源短路時的短路電流,直線的斜率大小等於電源的內電阻,即。

4、在電源負載為純電阻時,電源的輸出功率與外電路電阻的關係是:

。由此式可以看出:當外電阻等於內電阻,即R = r時,電源的輸出功率最大,最大輸出功率為,電源輸出功率與外電阻的關係可用P--R圖像表示。

電源輸出功率與電路總電流的關係是:

。顯然,當時,電源輸出功率最大,且最大輸出功率為:。P--I圖像如圖所示。

選擇路端電壓為自變數,電源輸出功率與路端電壓的關係是:

顯然,當時,。P--U圖像如圖所示。

綜上所述,恆定電源輸出最大功率的三個等效條件是:(1)外電阻等於內電阻,即。(2)路端電壓等於電源電動勢的一半,即。(3)輸出電流等於短路電流的一半,即。除去最大輸出功率外,同一個輸出功率值對應著兩種負載的情況。一種情況是負載電阻大於內電阻,另一種情況是負載電阻小於內電阻。顯然,負載電阻小於內電阻時,電路中的能量主要消耗在內電阻上,輸出的能量小於內電阻上消耗的能量,電源的電能利用效率低,電源因發熱容易燒壞,實際套用中應該避免。

5、同種電池的串聯:

n個相同的電池同向串聯時,設每個電池的電動勢為,內電阻為r,則串聯電池組的總電動勢,總內電阻,這樣閉合電路歐姆定律可表示為,串聯電池組可以提高輸出的電壓,但應注意電流不要超過每個電池能承受的最大電流。

6、電阻的測量:

(1)伏安法:伏安法測電阻的原理是部分電路的歐姆定律,測量電路有安培表內接或外接兩種接法,如圖甲、乙:

兩種接法都有系統誤差,測量值與真實值的關係為:當採用安培表內接電路(甲)時,由於安培表內阻的分壓作用,電阻的測量值;當採用安培表外接電路(乙)時,由於伏特表的內阻有分流作用,電阻的測量值,可以看出:當和時,電阻的測量值認為是真實值,即系統誤差可以忽略不計。所以為了確定實驗電路,一般有兩種方法:一是比值法,若時,通常認為待測電阻的阻值較大,安培表的分壓作用可忽略,應採用安培表內接電路;若時,通常認為待測電阻的阻值較小,伏特表的分流作用可忽略,應採用安培表外接電路。若時,兩種電路可任意選擇,這種情況下的電阻叫臨界電阻,,待測電阻和比較:若>時,則待測電阻阻值較大;若<時,則待測電阻的阻值較小。>

二是試接法:在、未知時,若要確定實驗電路,可以採用試接法,如圖所示:如先採用安培表外接電路,然後將接頭P由a點改接到b點,同時觀察安培表與伏特表的變化情況。若安培表示數變化比較顯著,表明伏特表分流作用較大,安培表分壓作用較小,待測電阻阻值較大,應採用安培表內接電路。若伏特表示數變化比較顯著,表明安培表分壓作用較大,伏特表分流作用較小,待測電阻阻值較小,應採用安培表外接電路。

(2)歐姆表:歐姆表是根據閉合電路的歐姆定律製成的。

a.歐姆表的三個基準點。

如圖,虛線框內為歐姆表原理圖。歐姆表的總電阻,待測電阻為,則

,可以看出,隨按雙曲線規律變化,因此歐姆表的刻度不均勻。當= 0時,--指針滿偏,停在0刻度;當時,--指針不動,停在電阻刻度;當時,--指針半偏,停在刻度,因此又叫歐姆表的中值電阻。如圖所示。

b.中值電阻的計算方法:當用1檔時,,即錶盤中心的刻度值,當用檔時,。

c.歐姆表的刻度不均勻,在“”附近,刻度線太密,在“0”附近,刻度線太稀,在“”附近,刻度線疏密道中,所以為了減少讀數誤差,可以通過換歐姆倍率檔,儘可能使指針停在中值電阻兩次附近範圍內。由於待測電阻雖未知,但為定值,故讓指針偏轉太小變到指在中值電阻兩側附近,就得調至歐姆低倍率檔。反之指針偏角由太大變到指在中值電阻兩側附近,就得調至歐姆高倍率檔。

(3)用安培表和伏特表測定電池的電動勢和內電阻。

如圖所示電路,用伏特表測出路端電壓,同時用安培表測出路端電壓時流過電流的電流I1;改變電路中的可變電阻,測出第二組數據;根據閉合電路歐姆定律,列方程組:解之,求得

上述通過兩組實驗數據求解電動勢和內電阻的方法,由於偶然誤差的原因,誤差往往比較大,為了減小偶然因素造成的偶然誤差,比較好的方法是通過調節變阻器的阻值,測量5組~8組對應的U、I值並列成表格,然後根據測得的數據在U--I坐標系中標出各組數據的坐標點,作一條直線,使它通過儘可能多的坐標點,而不在直線上的坐標點能均等分布在直線兩側,如圖所示:這條直線就是閉合電路的U--I圖像,根據,U是I的一次函式,圖像與縱軸的交點即電動勢,圖像斜率。

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