2019高考物理一輪復習 微專題系列之熱點專題突破 專題45 閉合電路的動態(tài)分析與含電容器電路問題學案.doc

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突破45 閉合電路的動態(tài)分析與含電容器電路問題 一、電路動態(tài)分析 電路的動態(tài)分析問題是指由于斷開或閉合開關、滑動變阻器滑片的滑動等造成電路結構發(fā)生了變化，某處電路變化又引起其他電路的一系列變化.直流電路的動態(tài)變化分析是電學的常考點之一，幾乎每年都有該類試題出現(xiàn).該類試題能考查考生對閉合電路歐姆定律的理解，電路的結構分析及對電路中并聯(lián)特點的應用能力，兼顧考查學生的邏輯推訓能力. 1. 判定總電阻變化情況的規(guī)律 (1)當外電路的任何一個電阻增大(或減小)時，電路的總電阻一定增大(或減小)。 (2)若開關的通、斷使串聯(lián)的用電器增多時，電路的總電阻增大；若開關的通、斷使并聯(lián)的支路增多時，電路的總電阻減小。 (3)在如圖所示分壓電路中，滑動變阻器可視為由兩段電阻構成，其中一段R并與用電器并聯(lián)，另一段R串與并聯(lián)部分串聯(lián)。A、B兩端的總電阻與R串的變化趨勢一致。 2．程序法：遵循“局部－整體－部分”的思路，按以下步驟分析： 3．“串反并同”結論法 (1)所謂“串反”，即某一電阻增大時，與它串聯(lián)或間接串聯(lián)的電阻中的電流、兩端電壓、消耗的電功率都將減小，反之則增大。 (2)所謂“并同”，即某一電阻增大時，與它并聯(lián)或間接并聯(lián)的電阻中的電流、兩端電壓、消耗的電功率都將增大，反之則減小。 即：←R↑→ 4．極限法 因滑動變阻器滑片滑動引起電路變化的問題，可將滑動變阻器的滑片分別滑至兩個極端，讓電阻最大或電阻為零進行討論。 【典例1】在如圖所示的電路中，E為電源電動勢，r為電源內阻，和均為定值電阻，為滑動變阻器。當的滑動觸點在a端時合上開關S，此時三個電表、和V的示數分別為、和U。現(xiàn)將的滑動觸點向b端移動，則三個電表示數的變化情況是（ ） A．增大，不變，U增大 B．減小，增大，U減小 C．增大，減小，U增大 D．減小，不變，U減小 【答案】B 【典例2】如圖，電路中定值電阻阻值R大于電源內阻阻值r。將滑動變阻器滑片向下滑動，理想電壓表V1、V2、V3示數變化量的絕對值分別為ΔV1、ΔV2、ΔV3，理想電流表A示數變化量的絕對值ΔI，則（ ） A. A的示數增大 B. V2的示數增大 C. ΔV與ΔI的比值大于r D. ΔV1大于ΔV2 【答案】ACD 【解析】滑動變阻器的滑片向下滑動，導致滑動變阻器阻值變小，由于電壓表斷路，定值電阻和滑動變阻器為串聯(lián)，滑動變阻器阻值變小，總電阻變小，電源電動勢不變，總電流變大，即電流表示數變大，A正確；電壓表V1測量定值電阻R的電壓，電阻不變，總電流變大，所以電壓變大即V1示數增大。電壓表V2測量定值電阻和滑動變阻器總電壓即路端電壓，示數變小，B錯誤；電壓表V3的變化量ΔV3=ΔIR+r，所以ΔV3ΔI=R+r>r，C正確；根據閉合電路歐姆定律得V2=E-Ir，則得：ΔV2ΔI=r；ΔV1ΔI=R，由于R>r，則得ΔV1>ΔV2，D正確． 【跟蹤短訓】 1．在如圖所示電路中，當變阻器R3的滑片向b端移動時（ ） A. 電壓表示數變大，電流表示數變小 B. 電壓表示數變小，電流表示數變大 C. 電壓表示數變大，電流表示數變大 D. 電壓表示數變小，電流表示數變小 【答案】B 2．在如圖所示的電路中E為電源，其內阻為r，R1為定值電阻（R1>r），R2為電阻箱，R3光敏電阻，其阻值大小隨所受照射光強度的增大面減小，V為理想電壓表，A為理想電流表，閉合開關后，下列說法正確的是（ ） A. 用光照射R3，電流表示數變大 B. 用光照射R3，電壓表示數變小 C. 將變阻箱R2阻值變大，電流表示數變大 D. 將變阻箱R2阻值變大，電壓表示數變小 【答案】ACD 故選ACD。 3．如圖所示的電路中，電源內阻為r，閉合電鍵，電壓表示數為U，電流表示數為I；在滑動變阻器R1的滑片P由a端滑到b端的過程中（　　） A. U先變大后變小 B. I先變小后變大 C. U與I的比值先變大后變小 D. U的變化量的大小與I的變化量的大小的比值等于r 【答案】ABC 【解析】由圖可知，滑動變阻器上下兩部分并聯(lián)，當滑片在中間位置時總電阻最大，則在滑動變阻器R1的滑片P由a端滑到b端的過程中，滑動變阻器R1的電阻先增大后減小，根據閉合電路歐姆定律可知電 二、含電容器電路問題 電容器在電路中有很重要的應用，經常牽涉到計算流過某一電阻的電荷量，在高考中要求我們對電路比較熟悉，對電路的串并聯(lián)結構的理解也要提高到一定的高度。 1．電路的簡化 不分析電容器的充、放電過程時，把電容器所在的電路視為斷路，簡化電路時可以去掉，求電荷量時再在相應位置補上。 2．電路穩(wěn)定時電容器的處理方法 電路穩(wěn)定后，與電容器串聯(lián)的電路中沒有電流，同支路的電阻相當于導線，即電阻不起降低電壓的作用，但電容器兩端的電壓與其并聯(lián)用電器兩端電壓相等。 3．電壓變化帶來的電容器變化 電路中電流、電壓的變化可能會引起電容器的充、放電。若電容器兩端電壓升高，電容器將充電；若電容器兩端電壓降低，電容器將通過與它連接的電路放電，可由ΔQ＝CΔU計算電容器上電荷量的變化量。 4. 含電容器電路問題的解題思路 第一步 理清電路的串、并聯(lián)關系 第二步 確定電容器兩極板間的電壓。在電容器充電和放電的過程中，歐姆定律等電路規(guī)律不適用，但對于充電或放電完畢的電路，電容器的存在與否不再影響原電路，電容器接在某一支路兩端，可根據歐姆定律及串、并聯(lián)規(guī)律求解該支路兩端的電壓U 第三步 分析電容器所帶的電荷量。針對某一狀態(tài)，由電容器兩端的電壓U求電容器所帶的電荷量Q＝CU，由電路規(guī)律分析兩極板電勢的高低，高電勢板帶正電，低電勢板帶負電 【典例3】 阻值相等的四個電阻、電容器C及電池E(內阻可忽略)連接成如圖所示電路。開關S斷開且電流穩(wěn)定時，C所帶的電荷量為Q1；閉合開關S，電流再次穩(wěn)定后，C所帶的電荷量為Q2。Q1與Q2的比值為(　　) A.　　　　　　　　　 B. C. D. 【答案】 C 【解析】斷開S和閉合S后等效電路分別如圖甲、乙所示。 根據串聯(lián)電路的電壓與電阻成正比可得甲、乙兩圖中電容器兩極板間的電壓U1＝E，U2＝E，C所帶的電荷量Q＝CU，則Q1∶Q2＝3∶5，選項C正確。 【典例4】如圖所示的電路中，電源電動勢E=6. 00 V，其內阻可忽略不計。電阻的阻值分別為=2.4 kΩ，4.8 kΩ，電容器的電容C=4.7。閉合開關S，待電流穩(wěn)定后，用電壓表測兩端的電壓，其穩(wěn)定值為1.50 V。 （1）該電壓表的內阻為多大？ （2）由于電壓表的接入，電容器的電荷量變化了多少？ 【答案】（1）4.8 kΩ （2） 聯(lián)立①②得： 代入數據得4.8 kΩ （2）電壓表接入前，電容器上的電壓等于電阻上的電壓，兩端的電壓為，則 又 接入電壓表后，電容器上的電壓為 由于電壓表的接入，電容器帶電荷量增加了 代入數據，可得。 【跟蹤短訓】 1. 如圖所示的電路中，電源電動勢E=6V，內阻r=1Ω，電阻R1=6Ω，R2=5Ω，R3=3Ω，電容器的電容C=210-5F。若將開關S閉合，電路穩(wěn)定時通過R2的電流為I；斷開開關S后，通過R1的電荷量為q。則（ ） A. I=0.25A B. I=0.5A C. q=110-5C D. q=210-5C 【答案】C 2．電源電動勢為E內阻為r的電源和一個水平放置的電容為C的平行板電容器及三個電阻阻值分別為R1、R2、R3的電阻組成如圖所示的電路.當開關S閉合后，電容器中有一個帶電液滴正好處于靜止狀態(tài).現(xiàn)將開關S斷開，則以下判斷正確的是（ ） A. 液滴帶正電 B. 液滴將向下運動 C. S斷開前電容器上的帶電荷量為CR2Er+R2+R3 D. S斷開穩(wěn)定后電容器上的帶電量為CR1Er+R1+R3 【答案】C 3．如圖所示電路，水平放置的平行板電容器的一個極板與滑動變阻器的滑動端C相連接，電子以速度vo沿垂直于電場線方向射人并穿過平行板間的電場．在保證電子還能穿出平行板間電場的情況下，若使滑動變阻器的滑動端C上移，則電容器極板上所帶電荷量q和電子穿越平行板所需的時間t( ) A. 電荷量q增大，時間t不變 B. 電荷量q不變，時間t增大 C. 電荷量q增大，時間t減小 D. 電荷量q不變，時間t不變 【答案】A 【解析】當滑動變阻器的滑動端C上移時，跟電容器并聯(lián)的阻值增大，所以電容器的電壓U增大，根據q=UC得：電量q增大；電子在平行板電容器中做類平拋運動，沿極板方向做勻速直線運動，所以運動時間t=l/ v0與電壓的變化無關，所以時間t不變。故A正確，BCD錯誤；故選A。 課后作業(yè) 1．(多選)在如圖所示的電路中，電源的內阻為r，現(xiàn)閉合開關S，將滑動變阻器的滑片P向左移動一段距離后，下列結論正確的是(　　) A．燈泡L變亮 B．電壓表讀數變小 C．電流表讀數變小 D．電容器C上的電荷量增加 【答案】CD 2．如圖所示，R1＝R2＝R3＝R4＝R，開關S閉合時，間距為d的平行板電容器C的正中間有一質量為m、電荷量為q的小球恰好處于靜止狀態(tài)；則開關S斷開時，小球的運動情況為(　　) A．不動 B．向上運動 C．向下運動 D．不能確定 【答案】C 【解析】　開關S斷開，電路的總電阻變大，干路電流減小，R4兩端電壓減小，則電容器兩端的電壓也減小，勻強電場的場強減小，小球受到的電場力減小，所以小球所受合力向下，即小球向下運動，C正確。 3.如圖所示，接通開關S，在滑動觸頭由a端滑向b端的過程中，下列表述正確的是(　　) A．路端電壓變小 B．電流表的示數變大 C．電源內阻消耗的功率變小 D．電路的總電阻變大 【答案】A 4. 如圖所示的電路中，電源內阻不可忽略，開關S閉合前燈泡A、B、C均已發(fā)光。那么，當開關S閉合時，A、B、C三個燈泡的亮度變化情況是(　　) A．A亮度不變，B變亮，C變暗 B．A變暗，B變亮，C變暗 C．A變亮，B變暗，C變亮 D．A變暗，B變亮，C亮度不變 【答案】B 【解析】　當開關S閉合時，C、D并聯(lián)，電阻減小，外電路總電阻R減小，根據閉合電路歐姆定律可知，總電流I增大，A的電壓UA＝E－Ir減小，電流IA減小，A變暗。B的電流IB＝I－IA，增大，電壓UB增大，B變亮。C的電壓UC＝UA－UB，UA減小，UB增大，則UC減小，C變暗。故B正確。 5.如圖所示電路中，電源內阻不能忽略，兩個電壓表均為理想電表。當滑動變阻器R2的滑動觸頭P移動時，關于兩個電壓表V1與V2的示數，下列判斷正確的是(　　) A．P向a移動，V1示數增大、V2示數減小 B．P向b移動，V1示數增大、V2示數減小 C．P向a移動，V1示數改變量的絕對值小于V2示數改變量的絕對值 D．P向b移動，V1示數改變量的絕對值大于V2示數改變量的絕對值 【答案】AC 【解析】　P向a移動，R2連入電路的電阻減小，根據“并同串反”可知V2示數減小，V1示數增大，U內增大，A正確；同理，B錯誤；由E＝U內＋U外＝U內＋UV1＋UV2，且電源電動勢不變，可得：U內示數改變量的絕對值與V1示數改變量的絕對值之和等于V2示數改變量的絕對值，C正確；同理，D錯誤。 6.在某控制電路中，需要連成如圖所示的電路，主要由電動勢為E、內阻為r的電源與定值定阻R1、R2及電位器(滑動變阻器)R連接而成，L1、L2是紅、綠兩個指示燈，當電位器的觸頭由弧形碳膜的中點逆時針滑向a端時，下列說法中正確的是(　　) A．L1、L2兩個指示燈都變亮 B．L1、L2兩個指示燈都變暗 C．L1變亮，L2變暗 D．R1兩端電壓增大 【答案】BD 7．在如圖所示的電路中，R0為定值電阻，R為光敏電阻(光照減弱時阻值增大)，C為電容器，現(xiàn)減弱對光敏電阻R光照的強度，下列說法正確的是（ ） A. 電流表的示數減小 B. 電容器C的電荷量增大 C. 電壓表的示數變小 D. 電源內部消耗的功率變大 【答案】AB 【解析】弱對光敏電阻R光照的強度，R增大，根據閉合回路歐姆定律可得路端電壓增大，即電壓表示數增大，總電流減小，即電流表示數減小，電容器兩端的電壓增大，根據以及C不變，U增大可得Q增大，電源內部消耗的電功率，I減小，內阻不變，所以P減小，故AB正確． 8．如圖所示，電源電動勢E＝12V，內阻r＝1.0Ω，電阻R1＝4.0Ω，R2＝7.5Ω，R3＝5.0Ω，電容器的電容C＝10 μF.閉合開關S，電路達到穩(wěn)定后電容器的電荷量為 A. 4.510－5 C B. 6.010－5 C C. 7.510－5 C D. 1.210－4 C 【答案】B 點睛：本題是含有電容器的電路，分析電路時要抓住電路穩(wěn)定時，電容器相當于開關斷開，所在電路沒有電流，其電壓等于所在支路兩端的電壓。 9．如圖所示的電路中，電源內阻不能忽略，R1、R2、R3均是可變電阻，將S1、S2都閉合，下列說法正確的是( ) A. 只將R1阻值調大，C1、C2的帶電量都增大 B. 只將R2或R3的阻值調大，C1、C2的帶電量都減小 C. 只斷開開關S2，C1、C2的帶電量都增大 D. 只斷開開關S1，C1、C2的帶電量均不變 【答案】C 【解析】A項：當開關都閉合時，只將R1阻值調大，外電路總電阻增大，干路中總電流減小，路端電壓增大，流過電阻箱R2、R3的電流增大，所以電容器C1、C2兩端電壓減小，所以C1、C2的帶電量都減小， D項：只斷開開關S1，C1、C2放電，電量將減小，故D錯誤。 10．如圖所示，平行金屬板中帶點質點P原來處于靜止狀態(tài)，不考慮電流表和電壓表對電路的影響，R1的阻值和電源內阻r相等。當滑動變阻器R4的滑片向b端移動時，則（ ） A. R1上消耗的電功率逐漸減小 B. 電流表讀數減小，電壓表度數增大 C. 電源的輸出功率逐漸增大 D. 質點P將向上運動 【答案】C 【解析】A．當滑動變阻器R4的滑片向b端移動時，其接入電路的電阻減小，外電路總電阻減小，根據閉合電路歐姆定律分析得知干路電流I增大，R1上消耗的電功率逐漸增大，故A錯誤； B． R3的電壓U3=E?I(R1+r)減小，流過R3的電流I3減小，流過電流表的電流IA=I?I3，I增大，I3減小，則IA增大，所以電流表讀數增大。R4的電壓U4=U3?U2，U3減小，U2增大，則U4減小，所以電壓表讀數減小。故B錯誤； C．由于R1的阻值和電源內阻r相等，則外電路總電阻大于電源的內阻r，當外電阻減小時，電源的輸出功率逐漸增大。故C正確； D．電容器板間電壓等于R3的電壓，減小，電容器板間場強減小，質點P所受的電場力減小，所以質點P將向下運動。故D錯誤。 故選：C. 11．如圖所示，開關 S 閉合后，豎直放置的平行板電容器 C 兩板間有一帶電微粒m處于靜止，現(xiàn)將滑動變阻器 R 的滑動片 P 向下滑動一些（A 燈與B燈均未被燒壞），待電路穩(wěn)定后，與滑動片P滑動前相比，下列說法正確的是 A. A燈變暗，B燈變亮 B. 內阻 r消耗的熱功率減小 C. 帶電微粒 m將加速向上運動 D. 通過滑動變阻器 R的電流增大 【答案】D 12．在如圖所示電路中，R1、R2為定值電阻，閉合電鍵S后，帶電粒子恰處于靜止狀態(tài)，現(xiàn)將滑動變阻器的滑片向下滑動，理想電壓表V1，V2，V3示數變化量的絕對值分別為ΔU1、ΔU2、ΔU3，理想電流表A示數變化量的絕對值為ΔI，則(　　) A. V1示數減小， V2和V3示數增大 B. 帶電粒子將向上運動 C. ΔU3＞ΔU1 D. 此過程中ΔU2ΔI保持不變 【答案】BCD 【解析】將滑動變阻器的滑片向下滑動，滑動變阻器的阻值減小，電路的總電阻減小，由閉合電路歐姆定律知，總電流增大，則V1示數U1增大。內電壓增大，路端電壓U減小，而路端電壓U=U1+U3，可知，V3示數U3減小。R2兩端電壓增大，所以V2示數減小，故A錯誤；R2兩端電壓增大，則電容器板間電壓增大，板間場強增大，帶電粒子所受的電場力增大，因此帶電粒子將向上運動，故B正確；因為U=U1+U3，U3減小，U1增大，而U減小，所以ΔU3＞ΔU1 ．故C正確；根據閉合電路歐姆定律知：U2=E-I(R1+R2+r) 得 ΔU2ΔI=R1+R2+r，保持不變，故D正確。綜上分析，BCD正確。 【點睛】本題是電路的動態(tài)分析問題，關鍵要搞清電路的結構，明確電表各測量哪部分電路的電壓或電流，理想電壓表內阻無窮大，相當于斷路．理想電流表內阻為零，相當短路．分析電路的連接關系，根據歐姆定律進行分析． 13．A、B兩塊正對的金屬板豎直放置，在金屬板A的內側表面系一絕緣細線，細線下端系一帶電小球（可視為點電荷）。兩塊金屬板接在如圖所示的電路中，電路中的R1為光敏電阻（其阻值隨所受光照強度的增大而減?。?，R2為滑動變阻器，R3為定值電阻。當R2的滑片P在中間時閉合電鍵S，此時電流表和電壓表的示數分別為I和U，帶電小球靜止時絕緣細線與金屬板A的夾角為θ。電源電動勢E和內阻r一定，下列說法中正確的是（ ） A. 若將R2的滑動觸頭P向a端移動，則θ變小 B. 保持滑動觸頭P不動，用較強的光照射R1，則小球重新達到穩(wěn)定后θ變小 C. 若將R2的滑動觸頭P向b端移動，則I減小，U減小 D. 保持滑動觸頭P不動，用較強的光照射R1，則U變化量的絕對值與I變化量的絕對值的比值不變 【答案】BD 故B正確； D、保持滑動觸頭P不動，逐漸增加照射R1的光強，總電阻減小，電流I增大，外電壓U減小，根據閉合電路歐姆定律得：U=E-Ir,ΔUΔI=r，可見|ΔUΔI|保持不變，故D正確； 故選BD。 14．如圖所示，電源的電動勢為10 V，內阻為1 Ω，R1=3 Ω，R2=6 Ω，C=30 μF求： （1）閉合電鍵S，穩(wěn)定后通過電阻R2的電流． （2）再將電鍵S斷開，再次穩(wěn)定后通過電阻R1的電荷量． 【答案】（1）1 A （2）1.210﹣4C 15．如圖所示的電路中，兩平行金屬板A、B水平放置，兩板間距離d＝40 cm，電源電動勢E＝10 V，內電阻r＝1 Ω，定值電阻R＝8Ω。閉合開關S，待電路穩(wěn)定后，將一帶負電的小球從B板小孔以初速度v0＝3 m/s豎直向上射入板間．已知小球帶電荷量q＝110－2 C，質量為m＝210－2 kg，不考慮空氣阻力。(g取10 m/s2) （1）要使小球在A、B板間向上勻速運動，則滑動變阻器接入電路的阻值為多大？ （2）若小球帶正電，只改變滑動變阻器劃片位置，其它量不變，那么，A、B板間電壓為多大時，小球恰能到達A板？此時電源輸出功率是多大？ 【答案】(1)39 Ω （2）UAB＝1 V. P=9 W 【解析】（1）由mg=qUAB/d