高中物理电路图的简化、电路动态分析、故障分析专题

高中物理电路图的简化、电路动态分析、故障分析专题

教案纸科目名称物理审批意见：课题恒定电流专题学生姓名任课教师温健平学生年级高二授课日期年月日时至时授课形式□AA□AB讲授内容专题一：等效电路图的画法电路化简原则①无电流的支路化简时可去除；②凡用导线直接连接的各点的电势必相等（包括用不计电阻的电流表连接的点）③等电势的各点化简时可合并；④凡接在同样两个等势点上的电器为并联关系。⑤在外电路，沿着电流方向电势降低。⑥理想导线可任意长短、变形；⑦理想电流表可认为短路，理想电压表可认为断路；⑧电压稳定时电容器可认为断路．　　一、简化电路的具体方法　　1．支路电流法：电流是分析电路的核心。从电源正极出发顺着电流的走向，经各电阻外电路巡行一周至电源的负极，凡是电流无分叉地依次流过的电阻均为串联，凡是电流有分叉地依次流过的电阻均为并联。　　例1：试判断图1中三灯的连接方式。 　　2．等电势法：将已知电路中各节点（电路中三条或三条以上支路的交叉点，称为节点）编号，按电势由高到低的顺序依次用1、2、3……数码标出来（接于电源正极的节点电势最高，接于电源负极的节点电势最低，等电势的节点用同一数码）。然后按电势的高低将各节点重新排布，再将各元件跨接到相对应的两节点之间，即可画出等效电路。例2：判断图2各电阻的连接方式。【解析】（1）将节点标号，四个节点分别标上1、2。（2）将各个节点沿电流的流向依次排在一条直线上。（3）将各个电路元件对号入座，画出规范的等效电路图，如图3所示。（4）从等效电路图可判断，四个电阻是并联关系。 【题后小结】等电势法，关键是找各等势点。在解复杂电路问题时，需综合以上两法的优点。二、综合法：支路电流法与等电势法的综合。注意点：（1）给相同的节点编号。（2）电流的流向：由高电势点流向低电势点（等势点间无电流），每个节点流入电流之和等于流出电流之和。 例3：由5个1Ω电阻连成的如图4所示的电路，导线的电阻不计，则A、B间的等效电阻为_______Ω。 　　　　【策略】采用综合法，设A点接电源正极，B点接电源负极，将图示电路中的节点找出，凡是用导线相连的节点可认为是同一节点，然后按电流从A端流入，从B端流出的原则来分析电流经过电路时的各电阻连接形式就表现出来了。　　【解析】由于节点A、D间是用导线相连，这两点是等势点（均标1），节点C、F间是用导线相连，这两点是等势点（均标2），节点E、B间是用导线相连，这两点是等势点（均标3），则A点电势最高，C（F）次之，B点电势最低，根据电流由高电势流向低电势，易得出各电阻的电流方向。　　由于电阻R1，R2均有一端接点1，另一端接点2；电阻R4，R5均有一端接点2，另一端接点3；电阻R3一端接点1，另一端接点3，易得其等效电路如图5所示。　或者用图4中所标电流方向，也可得其等效电路如图5，相比第一种方法更简单。故AB间总电阻力0．5Ω。　　【题后小结】在分析电路时，首先应找出各个节点，凡是用导线相连的两节点是等势点，可以等效为一个节点（如图4中的A与D、C与F、E与B），连在两个相邻的节点间的电阻是并联的（如图4中的电阻1和电阻2，电阻4和电阻5），当把最基本的电路等效后，再对高一级电路进一步分析，即电阻1、2并联后与电阻4、5并联后串联，之后再与电阻3并联。这种逐级分析的方法在分析等效电路中是很有效的。（此方法侧重于等电势法）　　但是，若将图4改为图6，即使画出等效电路图5，（按习惯总将电流表看作导线），也无济于事，而且将电流表置于图5中的合适位置更是难上加难。若根据图中的电流方向则易得：电流表A1测的是电阻R2和R3的电流之和；电流表A2测的是电阻R1和R2的电流之和；电流表A3测的是电阻R3和R4的电流之和。注：有些初学者凭感觉认为：电流可以沿A→C→D… 方向流动，这是错误的。因为电流由高电势点流向低电势点，不可能由点1（A）经点2（C）又流回点1（D）。其它点同理可得电流流向。　　三、含电容器、电流表、电压表的复杂电路：画等效电路时，①电流表视为导线，电容器、电压表视为断路（若考虑内阻，则将其视为一个大电阻），与电容器、电压表串联的用电器视为短路即可。②画等效电路图的同时，根据图中电流方向将电流表接入电路；根据图中所标节点数字，将电压表和电容器接入电路。③无电流的支路删去即可专题二：直流电路的动态分析根据欧姆定律及串、并联电路的性质，来分析电路中由于某一电阻的变化而引起的整个电路中各部分电学量（如I、U、R总、P等）的变化情况，常见方法如下：一．程序法。基本思路是“局部→整体→局部”。即从阻值变化的的入手，由串并联规律判知R总的变化情况再由欧姆定律判知I总和U端的变化情况最后由部分电路欧姆定律及串联分压、并联分流等规律判知各部分的变化情况其一般思路为：（1）确定电路的外电阻R外总如何变化；①当外电路的任何一个电阻增大（或减小）时，电路的总电阻一定增大（或减小）②若电键的通断使串联的用电器增多，总电阻增大；若电键的通断使并联的支路增多，总电阻减小。③如图所示分压电路中，滑动变阻器可以视为由两段电阻构成，其中一段与电器并联（以下简称并联段），另一段与并联部分相路障（以下简称串联段）；设滑动变阻器的总电阻为R，灯泡的电阻为R灯，与灯泡并联的那一段电阻为R并，则会压器的总电阻为：由上式可以看出，当R并减小时，R总增大；当R并增大时，R总减小。由此可以得出结论：分压器总电阻的变化情况，R总变化与并联段电阻的变化情况相反，与串联段电阻的变化相同。④在图2中所示并联电路中，滑动变阻器可以看作由两段电阻构成，其中一段与串联（简称），另一段与串联（简称），则并联总电阻 由上式可以看出，当并联的两支路电阻相等时，总电阻最大；当并联的两支路电阻相差越大时，总电阻越小。（2）根据闭合电路欧姆定律确定电路的总电流如何变化；（3）由U内=I总r确定电源内电压如何变化；（4）由U外=E－U内(或U外=E-Ir)确定电源的外电压如何（路端电压如何变化）；（5）由部分电路欧姆定律确定干路上某定值电阻两的电压如何变化；I分U分（6）确定支路两端电压如何变化以及通过各支路的电流如何变化（可利用节点电流关系）。动态分析问题的思路程序可表示为：简单表示为：局部I分、U分的变化局部R的变化全局I总、U端的变化的变化例1、在右图所示电路中，电源的电功势为E、内阻为为定值电阻，R是一滑动变阻器，电路中的电压表和电流表均视为理想的。试讨论：当R的滑键向上滑动时，电源总功率及各电表示数如何变化？解析：本题等效电路如右下图所示。R的滑键上滑时，其阻值增大，导致电路中总电阻增大。由可知，电路中的总电流减小，即 表示数减小。因电源端电压，故端电压增大，即示数增大。电源的总功率减小。上的电压因总电流的减小而变小，变大，（）所以示数变大。上的电流强度变大，所以的示数变大。因总电流变小，变大，所以变小（），的示数变小，的示数变小。点评：（1）、根据全电路欧姆定律，分析总电流的变化情况和路端电压的变化情况。因此电源的电动势E和内电阻r是定值，所以，当外电阻R增大（或减小）时，由可知电流减小（或增大），由可知路端电压随之增大（或减小）。（2）根据串、并联电路的特点和局部电路与整个电路的关系，分析各部分电路中的电流强度I、电压U和电功率P的变化情况。一般来说，应该先分析定值电阻上I、U、P的变化情况，后分析变化电阻上的I、U、P的变化情况。例2、如图所示，电键闭合时，当滑动变阻器滑片P向右移动时，试分析L1、L2的亮度变化情况。分析与解：当P向右移动时，滑动变阻器的有效电阻变大，因此，整个电路的电阻增大，路端电压增大，总电流减小，流过L1的电流将减小，L1将变暗；同时L1分得的电压变小，L2两端电压增大，故L2变亮；我们注意到总电流减小，而L2变亮，即L2两端电流增大，可见L3上的电流比L1上的电流减小得还要多，因此L3也要变暗灯L1变暗UL2（↑）IL2（↓）IL3（↓）灯L2变亮P右移R滑（↑）R总（↑）I总（↓）灯L3变暗点评：（1）讨论灯泡亮度的变化情况，只需判断其电流或电压如何变化就可以。（2）象这样的电路，由于滑动变阻器电阻的变化而引起整个电路的变化，一般不应通过计算分析，否则会很繁杂。处理的一般原则是：①主干路上的用电器，看它的电流变化；②与变阻器并联的用电器看它的电压变化；③与变阻器串联的电器看它的电流变化。（3）闭合电路动态分析的一般顺序是：先电阻后干路电流；先内电压，后外电压；先固定电阻的电压，后变化电阻的电压；先干电流后并联支路上的电流。二．“串反并同”①“串反” ：是指某一电阻增大时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小；某一电阻减小时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率将增大。②“并同”：是指某一电阻增大时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大；某一电阻减小时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小。例2、如图所示的电路中，R1、R2、R3、和R4皆为定值电阻，R5为可变电阻，电源的电动势为E，内阻为r，设电流表A的读数为I，电压表V的读数为U，当R5的滑动角点向图中a端移动时（）A．I变大，U变小B、I变大，U变大C、I变小，U变大D、I变小，U变小分析与解：本题中变量是R5，由题意知，R5的等效电阻变小。简化电路结构可各知，电压表V，电流表A均与R5间接并联，根据“串反并同”的原则，电压表V，电流表A的读数均与R5的变化趋势相同，即两表示数均减小。答案：选D。点评：（1）近几年高考对电路的分析和计算，考查的重点一般不放在基本概念的理解和辨析方面，而是重在知识的应用方面。本题通过5个电阻与电表的串、并联构成较复杂的电路，关键考查考生简化电路结构、绘制等效电路图的能力。然后应用“串反并同”法则，可快捷得到结果。（2）注意“串反并同”法则的应用条件：单变量电路。对于多变量引起的电路变化，若各变量对同一对象分别引起的效果相同，则该原则的结果成立；若各变量对同一对象分别引起的效果相反，则“串反并同”法则不适用。例3、如图（1）所示电路中，闭合电键S，当滑片P向右移动时，灯泡L1、L2的亮度变化如何？分析与解：本题中滑动变阻器左右两部分都接入电路，等效电路如图（2）所示，变阻器R分解得到两变量R1、R2，由图可知：滑片P向右移→R1（↑），R2（↓）对灯泡L1：R1（↑）R2（↓）L1变亮R1与L1并联R2与L1间接串联L1变亮L1变亮R1（↑）R2（↓）L2变暗R1与L2间接串联R2与L2串联L2变亮L2亮度变化不能确定对灯泡L2：由上述分析可知： 对L1，变量R1、R2变化均引起L1变亮，故L1将变亮；对L2，变量R1、R2变化引起L2的亮度变化不一致，故此法不宜判断L2的亮度变化。但若把变阻器R与L1的总电阻合成一个变量R合，则由上述结论可知，P右移时，R合减小，L2与R合串联，由“串反并同”法则可知，L2亮度变大。三．特殊值法与极限法：①极限法：即因滑动变阻器滑片滑动引起电路变化的问题，可将变阻器的滑动端分别滑至两个极端去讨论。②特殊值法：对于某些双臂环路问题，可以采取代入特殊值去判定，从而找出结论。例2、在图所示的四个电路中，当分别闭合开关S，移动滑动变阻器角头从左端至右端时，能使其中一个灯由暗变亮同时，另一个灯由亮变暗，则符合要求的电路是（）A图：对灯L1，可由“串反并同”法则判断其变亮；而对L2由于两个变量引起它亮度变化不一致，故“串反并同”不适用。现取特殊值法：取L1、L2的阻值均为10Ω，变阻器总阻值也为10Ω，电源电动势为6V；然后取极限值：取滑片P置于最左端和最右端时分别两灯实际工作时的电压即可判断两灯均变亮。B图：对L1，可由“串反并同”法则判断其变亮；对L2，采用合成变量法，再根据“串反并同”法则可判断其变亮。C图：采用极限值法。滑片P置于最左端时，L1被短路，不发光，而L2两端电压最大，亮度最大；滑片P置于最右端时，L1两端电压最大，亮度最大，而L2被短路，不发光。由此分析可知，该电路符合题目要求。D图：灯L1一直被短路，不发光，不合要求。综上分析有：符合要求的电路是（C）。四、小试身手：1．如图所示的电路中，电源的电动势为E，内阻为r。当可变电阻的滑片P向b点移动时，电压表V1的读数U1与电压表V2的读数U2的变化情况是：（）A．U1变大，U2变小B．U1变大，U2变大 C．U1变小，U2变小D．U1变小，U2变大A1A2VSR1R2R3abEr2.在如图所示的电路中，E为电源电动势，r为电源内阻，R1和R3均为定值电阻，R2为滑动变阻器。当R2的滑动触点在a端时合上开关S，此时三个电表A1、A2和V的示数分别为I1、I2和U。现将R2的滑动触点向b端移动，则三个电表示数的变化情况是（）A．I1增大，I2不变，U增大B．I1减小，I2增大，U减小C．I1增大，I2减小，U增大D．I1减小，I2不变，U减小3.如图所示是一实验电路图，在滑动触头由a端滑向b端的过程中，下列表述正确的是（）A．路端电压变小B．电流表的示数变大C．电源内阻消耗的功率变小D．电路的总电阻变大4.电动势为E、内阻为r的电源与定值电阻R1、R2及滑动变阻器R连接成如图所示的电路，当滑动变阻器的触头由中点滑向b端时，下列说法正确的是（）A.电压表和电流表读数都增大B.电压表和电流表读数都减小C.电压表读数增大，电流表读数减小D.电压表读数减小，电流表读数增大5、在右图所示电路中是定值电阻，是滑动变阻器，当的滑键由左端向右端滑动时，各个电表的示数怎样变化？答案：1、A2、B 3、A解析：当滑片向b端滑动时，接入电路中的电阻减少，使得总电阻减小D错；根据，可知总电流在增加，根据闭合电路中的欧姆定律有,可知路端电压在减小，A对；流过电流表的示数为，可知电流在减小，B错；根据，可知内阻消耗的功率在增大，C错。4、A解析：设滑动变阻器的触头上部分电阻为x，则电路的总电阻为,滑动变阻器的触头由中点滑向b端时，并联支路电阻x增大，故路端电压变大，同时并联部分的电压变大，故通过电流表的电流增大，故选项A正确。5、解析：当的滑键向右滑动时，由和组成的分压器的串联段电阻减小，所以电路的总电阻减小：根据可知干路中的电流强度增大，电流表的示数增大，再根据，可知路端电压减小，电压表的示数减小。因为为定值电阻，当干路中电流强度增大时，其两端电压随之增大，所以电压表的示数增大。根据，因U减小，增大，所以减小，电压表的示数减小。当滑动变阻器的滑键向右滑动时，的左段电阻与并联部分的电阻增大，且干路中的电流强度增大，根据部分电路欧姆定律可知电压表的示数增大，由于为定值电阻，且增大，根据部分电路欧姆定律可知电流表示数增大。根据并联分流原理，通过电流表的电流强度为：在上式中，分子为恒量，分母为关于的二次函数，且二次项的系数小于零，分母有极大值，由此可见，电流表的示数先减小后增大。五、规律小结 专题三：电路的故障分析一、电路故障的特点1、断路的特点：电路中发生断路，表现为电源电压不为零而电流强度为零，若外电路中任意两点之间的电压不为零，则这两点间有断点，而这两点与电源联结部分无断点。2、短路的特点：电路中发生短路，表现为有电流通过电路而电压为零。二、电路故障的分析方法1、仪器检测法（1）断路故障的判断：用伏特表与电源并联，若有电压时，再逐段与电路并联，若伏特表指针偏转，则该段电路中有断点。（2）短路故障的判断：用伏特表与电源并联，若有电压时，再逐段与电路并联；若伏特表示数为零时，该电路被短路；当伏特表示数不为零，则该电路不被短路或不完全被短路。2、假设法：已知电路发生某种故障，寻求故障发生在何处时，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，运用电流定律进行正向推理，推理结果若与题述物理现象不符合，则故障不是发生在这部分电路；若推理结果与题述物理现象符合，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。 【例题】如图所示，电路中灯泡L1和L2都不亮，用电压表测得各部分电压为：Uab=0，Ubc=U，Udc=0，Uda=U。则电路的故障为（B）A．变阻器R短路B．变阻器R断路C．灯泡L1断路D．灯泡L1和L2都断路【例题】如图所示，、、是三个完全相同的小灯泡，串联后接在电压为6V的电路中，原来三个小灯泡都正常发光，现在三个小灯泡都不亮了．用电压表接在a、c两端时，示数是6V；接在a、b两端时，示数是0．接在b、d两端时，示数也是0，那么灯丝断了的小灯泡是（B）A、、、这三个小灯泡中的某一个B、和C、和D、和【例题】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）A．R1断路B．R2断路C．R3短路D．R4短路★解析：把原电路改画为如图所示的电路，才便于分析．由于电流表示数减小、灯L2变暗，可推知电路中的总电流减小，路端电压增大，表明外电阻增大，可排除R3、R4短路的可能．又灯L1变亮、灯L2变暗，表明灯L1两端电压增大、灯L2两端电压减小，由欧姆定律可判断：只能是R1发生断路．答案：A同步练习1．在图所示的电路中，电源电压保持不变。闭合电键S，电路正常工作。过了一会儿，灯L熄灭，两个电表中只有一个电表的示数变大，则下列判断中正确的是A、一定是灯L断路，电流表的示数变小。B、可能是灯L短路，电压表的示数变大。 C、一定是电阻R断路，电流表的示数变小。D、可能是电阻R短路，电压表的示数变大。4．在图所示的电路中，闭合电键S，灯L不亮，电压表V无示数。若电路中各处均接触良好，除灯L和电阻R中的某一个外，其余元件均完好，则下列判断中正确的是（）RLSVAA一定是电阻R短路，电流表的示数变大。B可能是电阻R断路，电流表的示数变小。C一定是灯L断路，电流表的示数变小。D可能是灯L短路，电流表的示数变大。5．在如图所示的电路中，闭合电键后，发现灯L1、L2都不发光，电流表无示数，为了找出发生故障的原因，现用电压表进行检测，发现a、b间的电压和a、c间的电压都为6伏，b、c间的电压为零，则电路故障可能是()A、L1断路B、L1短路C、L2断路D、L2短路图176．如图示电路中，电源电压不变，闭合电键S，灯L1、L2都发光，一会儿，其中一灯突然熄灭，两个电表中只有一个示数减小，则产生这一现象的原因可能是（）(A)一定是灯L1短路，A表示数减小(B)可能是灯L1断路，V表示数减小(C)可能是灯L2短路，V表示数减小(D)一定是灯L2断路，A表示数减小7．在图所示的电路中，闭合电键S，灯L不亮，已知电路中各处均接触良好，除灯L和电阻R外，其余元件均完好。（1）请判断该电路中存在的故障可能是。（请将三种可能填写完整）百度文库-让每个人平等地提升自我（2）为进一步确定故障，小明同学将一个电压表正确并联在灯的两端，闭合电键S,观察电压表的示数情况。若电压表有示数，说明故障是；若电压表无示数，说明故障是。（3）为进一步确定故障，小华同学再在电路中串联一个电流表，请判断他能否查找出电路的故障，并说明理由。8．如图所示的电路中，电源电压保持不变，闭合电键S后，电路正常工作，一会儿后，电灯突然变亮（没有烧毁），则下列关于电压表、电流表读数的判断正确的是（）A．电压表读数变小，电流表示数变小。B．电压表读数变大，电流表示数变大。 C．电压表读数变大，电流表示数变小。D．电压表读数变小，电流表示数变大。在如图所示电路中，电源电压保持不变。闭合电键S，电路正常工作。过了一会儿，灯熄灭了，已知电路中各处均接触良好，除电灯L和电阻R外，其它元件均完好，且电灯L和电阻R的故障不同时发生。（1）、请判断该电路中存在的故障可能是________________。（请将三种可能填写完整）（2）、请根据图中电表进一步确定故障原因：A、如果两只电表均无示数，说明故障是__________________________。B、如果两只电表均有示数，说明故障是_________________________。C、如果电路中只有一只电表有示数，说明故障是______________________。RASV1V2L9．在图所示的电路中，电源电压保持不变。闭合电键S后，电路正常工作。过了一会儿，三个电表中有一个电表的示数变大、一个电表的示数变小，则下列判断中正确的是（）A电流表A示数可能变小，灯L一定熄灭。B电流表A示数一定变大，灯L可能熄灭。C电压表V2示数可能变大，灯L可能熄灭。D电压表V2示数一定变小，灯L一定熄灭。RSL在图所示的电路中，闭合电键S，灯L不亮。已知电路中各处均接触良好，除灯L和电阻R外，其它元件均完好。（1）若电路中只有一处出现故障，请判断故障可能是_____________________（选填“R断路”“L断路”、“R短路”、或“L短路”）。（2）小明同学为进一步确定故障，将一个电流表正确串联在图18所示的电路中，请判断：他________（选填“能”或“不能”）查找出电路的故障。（3）小华同学继续进行实验。他在小明已串联好电流表的电路中，将电压表V正确并联在灯L两端，闭合电键S，观察电流表和电压表的示数情况。请判断：他________（选填“能”或“不能”）查找出电路的故障。若闭合电键S，电流表无示数，电压表有示数，说明电路的故障是_________________________。10．在上图的电路中，电源电压不变。闭合电键S，电路正常工作。一段时间后，发现其中一个电压表的示数变大，则（）A．灯L一定变暗。B．电阻R可能短路。C．灯L亮度可能不变。D．电阻R可能断路。LSRV22V1LASRV 11．如图所示的电路中，电源电压保持不变。闭合电键S后，电路正常工作。过了一会儿，灯L熄灭，两个电表中只有一个电表的示数变小，则下列判断中正确的是（）A.可能是灯L断路，电压表的示数变大B.可能是电阻R断路，电压表的示数变小C.一定是灯L短路，电压表的示数变小D.一定是电阻R短路，电流表的示数变大12.在图所示的电路中，电源电压保持不变。闭合电键后，电路正常工作。当滑动变阻器的滑片向左移动时，有一只电表的示数突然为零。发生这一现象的原因，下列判断正确的是（）。A.可能R1断路。B.可能R2断路。你C.可能R1短路。D.可能R2短路。13．在图所示的电路中，电源电压保持不变。闭合电键S，电路正常工作。过了一会儿，其中有两个电表的示数都变小，则下列判断中正确的是（）A．灯L的亮度可能不变。B．灯L可能不亮。C．灯L的亮度一定不变。D．灯L一定不亮。14.在图所示的电路中，电源电压保持不变。闭合电键S，电路正常工作。经过一段时间，电流表突然无示数。若电路中只有一处故障，且只发生在电阻R1或R2上。（1）该电路中存在的故障可能是。（2）为进一步确定故障，小强同学用一只完好的灯L替换电路中的电阻R1，闭合电键S，观察灯的亮暗情况。若灯L亮，说明故障是；若灯L不亮，说明故障是。答案1．C4．C5．A6．D7．（1）L短路、R断路、L断路。（2）L断路；L短路或R断路。（3）能。若电流表有示数，表明L短路；若电流表无示数，表明R断路。8．A；（1）小灯断路、小灯短路、电阻断路；（2）A、小灯断路；B、小灯短路。C、电阻断路9．A；（1）L断路（或R断路、或L短路）。（2）说明：根据第（1）题答案判断本题是否正确。（3）能。L断路。10．B11．A12．A13.D14．（1）Rl断路或R2断路；（2）Rl断路；R2断路。 课堂练习课后作业作业完成情况学生课堂表现学生主要问题家长签字：