第六章 电路和电流定律

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  【考点梳理】
  1. 电荷,电荷量,摩擦起电,电荷的相互作用,导体和绝缘体.
  2. 电路的组成及各组成部分的基本作用,常用电路元件的符号,通路、断路、短路及电源短路的危害.
  3. 串联电路和并联电路的连接特点,串、并联电路的电流、电压关系.
  4. 电流的形成和单位,电压的单位,常用电源两端的电压值,电流表和电压表的使用.
  5. 电阻及其单位,决定导体电阻大小的因素,滑动变阻器的构造、原理和使用,电阻箱的使用和读数.
  6. 欧姆定律及其应用,串、并联电路的等效电阻,测量电阻的原理与方法.
  
  【考题精讲】
  例1 现有丝绸、玻璃、塑料薄膜三种材料,通过实验发现:当被丝绸摩擦过的玻璃棒与丝绸摩擦过的塑料薄膜靠近时,两者相互吸引.据此排出三种材料的顺序,使前面的材料与后面的材料摩擦后,前者总是带负电,此顺序为( ).
  A. 丝绸、玻璃、塑料薄膜
  B. 塑料薄膜、玻璃、丝绸
  C. 塑料薄膜、丝绸、玻璃
  D. 丝绸、塑料薄膜、玻璃
  [分析] 用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷为正电荷,丝绸带负电荷.由于同种电荷互相排斥、异种电荷互相吸引,将丝绸摩擦过的玻璃棒与丝绸摩擦过的塑料薄膜靠近时,两者互相吸引,表明塑料薄膜带负电荷,丝绸带正电荷.要使前面的材料与后面的材料摩擦后前者总是带负电荷,则三种材料的顺序应为塑料薄膜、丝绸、玻璃.
  [解答] 本题应选C.
  对于摩擦起电,应注意以下几点:
  (1) 摩擦起电的实质是电子从一个物体转移到另一个物体,是两个物体正负电荷的重新组合,其总电荷数不会改变.
  (2) 摩擦起电时,转移的只是电子,原子核中的质子不会转移.
  (3) 两物体摩擦起电后,各自带上等量异种电荷.
  (4) 同种物体相互摩擦不能起电.只有原子核对核外电子束缚能力不同的两个物体相互摩擦时,才有可能发生电子的转移,才能起电.
  例2 如图6-1所示电路,闭合开关,两只灯泡都不亮,且电流表和电压表的指针均几乎不动.在查明电路中各接线柱与导线接触良好的情况下,现将开关S与电流表的位置对调,将两灯泡L1和L2的位置也对调,再次闭合开关时发现两只灯泡仍不亮,电流表指针仍几乎不动,但电压表指针却有了明显的偏转.根据上述现象,试分析可能是哪些电路器件出现故障?
  [分析] 由图6-1所示电路可知,两灯泡构成串联电路.当开关闭合后两灯均不亮,且电流表和电压表的指针都几乎不动,并经检查得知,电路中各接线柱与导线接触良好.据此现象可作出两种可能的故障判断:1. 电源已失去供电功能;2. 开关、电流表、灯泡L2至少有一处发生断路故障.
  将开关S与电流表的位置对调,将两灯泡L1和L2的位置也对调,再次闭合开关时发现两只灯泡仍不亮,表明电路中仍然存在断路故障.但此时电压表指针却有了明显的偏转,据此现象可重新作出判断:1. 电源仍有供电功能;2. 电压表完好;3. 电压表两接线柱已分别经过电流表、开关及灯泡L1与电源接通,表明电流表、开关及灯泡L1没有发生断路故障.但由于灯泡仍不亮,因此灯泡L2断路的可能性仍未排除.
  [解答] 出现的故障是灯泡L2发生断路.
  例3 如图6-2所示,当开关S闭合时,甲、乙两表的示数分别为1.2和3.0,已知R1=2R2,求R1阻值.
  [分析] 本题的关键是分析电路的组成.在图6-2中,乍一看似乎是R1与R2串联,乙表是电流表,甲表是电压表.但进一步的分析可以发现:如果乙表是电流表,R1、R2与电流表串联,则R2、电流表被导线短路,此时电流表不可能有示数.因此可以断定乙表不是电流表而只能是电压表.知道了乙表是电压表,也就不难判断出甲表是电流表了.
  [解答] 图6-2是并联电路,甲表是电流表,测量的是R2两端的电压(也是R1两端的电压、电源电压),乙表是电流表,测量的是通过R2的电流.根据两表的示数可知,电源电压U=3.0V,通过R2的电流I2=1.2A,则
  
  例4 在一次实验中需要测量小灯泡两端的电压和流过它的电流.聪明而粗心的小刚连接了如图6-3所示的电路.同组的小林发现有错,主张拆了以后重新连接,可是时间来不及了,小刚眼珠一转,在图示电路中只增加了一根导线,电路就正常工作了.问:
  (1) 如果闭合图示电路中的开关,电压表的读数约为多少?电流表的读数约为多少?小灯泡发光情况如何?
  (2) 在图中画出小刚连接的那条导线.
  [分析] 该电流连接的错误在于将电压表串联在电路中,电流表与串联的小灯泡和定值电阻并联,此时的电路是开路,电路如图6-4所示.当闭合开关时,电压表的示数为电源电压6V,电流表的示数为0,小灯泡不能发光.
  要测量小灯泡两端的电压和流过它的电流,就必须使电压表与小灯泡并联,使电流表与小灯泡串联.要在不改变原有接线的前提下只增加一根导线将原来的错误电路改为正确的电路,只需要用一根导线将小灯泡右侧的接线柱与电压表左侧的“-”接线柱相连接即可.在用一根导线将小灯泡右侧的接线柱与电压表的“-”接线柱相连接后,电压表与小灯泡并联,电流表与小灯泡串联.此时定值电阻与它们并联,通过定值电阻的电流不通过电流表,因此对小灯泡电压和电流的测量没有影响.在改变电路的连接时,还需要对电压表和电流表的“+”、“-”接线柱是否发生改变予以注意.如果电压表或电流表的“+”、“-”接线柱由于连接导线的调整而发生改变,不仅测量无法进行,而且会损坏测量电表.
  改正后的电路如图6-5所示,将图6-5所示电路图稍作整理就变成如图6-6所示更为直观的电路图.改正后的实物连接图如图6-7所示.
  [解答] (1) 电压表的读数约为6V,电流表的读数约为0,小灯泡不发光.电路连接如图6-7所示.
  例5 某暗箱内有三只电阻器,箱子的外部有三个接线柱A、B、C,如图6-8所示.为了研究暗箱内电阻器的阻值大小及连接方法,某同学用一个电压不变的6V电源、一只电压表和一只电流表以及几根导线进行实验.他先把电源接在A、C两点之间,用电压表测得B、C两点之间的电压为4V,用电流表测得B、C两点之间的电流为0.3A;他再把电源接在B、C两点之间,用电压表测得A、C两点之间的电压为3V.请根据这些测量数据求出三只电阻器的阻值,并画出暗箱内三只电阻器的连接方法.
  [分析] 根据题意,这三只电阻全部串联或全部并联的情况应该排除,同样也可以将A、C之间两只电阻并联后和B、C之间一个电阻串联以及B、C之间两只电阻并联后和A、C之间一个电阻串联的情况排除(因为在后两种情况下,当电源接在A、C两点之间时,B、C两点间的电压为零).据此可以推测出这三只电阻器的连接方法只可能是“△”形或“Y”形这两种,如图6-9和图6-10所示.
  (1) 若按照“△”方法连接,当A、C两端加6V电压,B、C两端接一只电压表时,该电路是R1和R3串联后再与R2并联.已知总电压U=6V,电压表测量的是R3两端的电压U3=4V.此时R1两端的电压U1=U-U3=6V-4V=2V.
  
  而在B、C两端改接入一只电流表时,电阻R3被电流表短路,变成了R1与R2并联,加在电阻器R1两端的电压就等于电源电压U′1=U=6V.
  电流表测量的是通过R1的电流I1=0.3A,可知
  
  当把电源接在B、C两点之间,再把电压表接在A、C两点之间时,该电路是R1、R2串联后再与R3并联.电压表测量的是R2两端的电压U2=3V.此时R1两端的电压U1=U-U2=6V-3V=3V,
  
  (2) 若按照“Y”方法连接,当A、C两端加6V电压,B、C两端接一只电压表时,该电路是R1与R3串联.电压表测量的是R3两端的电压U3=4V.已知总电压U=6V,因此R1两端的电压U1=U-U3=6V-4V=2V.
  
  而在B、C两端改接入一只电流表时,该电路变成了R2与R3并联后再和R1串联.此时,电流表测量的是通过R2的电流I2=0.3A.
  
  所以,R2与R3并联后的总电阻等于R1的电阻.而此时电路中的总电阻也就等于R1阻值的2倍.据此解得三只电阻器的阻值分别是:R1=5Ω,R2=10Ω,R3=10Ω.
  [解答] 暗箱内三只电阻器的连接方法分别如图6-9和图6-10所示.当如图6-9连接时,R1=R2=20Ω,R3=40Ω.当如图6-10连接时,R1=5Ω,R2=10Ω,R3=10Ω.
  例6 有一种测量人的体重和身高的电子秤,其测体重部分的原理图如图6-11中的虚线框所示,它主要由三部分构成:踏板和压力杠杆ABO,压力传感器R(电阻值会随所受压力大小发生变化的可变电阻),显示体重大小的仪表A(实质是电流表).其中AO∶BO=5∶1,压力传感器R表面能承最大压强为2×106Pa,且已知压力传感器R的电阻与所受压力的关系如下表所示.
  设踏板和杠杆组件的质量可以忽略不计,接通电源后,压力传感器两端的电压恒为4.68V.请回答:
  (1) 该秤零起点(即踏板空载时)的刻度线应标在电流表刻度盘多少毫安处?
  (2) 如果某人站在该秤踏板上,电流表刻度盘的示数为20mA,这个人的体重是多少?
  (3) 若压杆与压力传感器之间的接触面积是2cm2,则该秤的最大称量值是多少?
  [分析] (1) 根据题意,电子秤空载时压力传感器受到的压力F1=0N,由表可知,此时压力传感器的电阻为R1=300Ω.
  
  所以,该秤零起点的刻度线应标在电流表刻度盘的15.6mA处.
  
  [解答] (1) 该秤零起点的刻度线应标在电流表刻度盘的15.6mA处. (2) 这个人的体重是110N. (3) 该秤的最大称量值是2000N.
  
  【夺标训练】
  1. 手边有一根1m长粗细均匀的镍铬合金线,加在它两端的电压为6V时,通过的电流是0.24A,现需要一根10Ω的电阻丝,只要在这根镍铬合金线上截取________cm长的一段就可以了.
  2. 如图6-12所示电路,电阻R1=2Ω,某同学在闭合开关后记录了一组三只电表的读数,但均漏记了单位.记下的一组数据分别是:1______、2______、3______,请你把漏记的单位分别补上,然后就可计算出这位同学所用的电源电压U=______V.
  
  4. 测量电流表本身电阻的一个方法,是将电流表和一个电阻箱串联在一起,连到电压保持不变的电源上,如图6-14所示.当电阻箱接入电路的电阻为R1时,闭合开关后电流表的示数为I1;当电阻箱接入电路的电阻为R2时,闭合开关后电流表的示数为I2,则此电流表本身的电阻为______Ω.
  5. 有一种半导体材料的电阻值随着温度的变化如下表所示:
  
  用这种材料制成的热敏电阻与电压表等元件连成如图6-15所示电路.电源电压为6V,电压表量程为0~3V,R0阻值为500Ω.若把电压表的刻度盘改为指示水温的刻度盘,则下列说法正确的是( ).
  A. 水温刻度均匀,水温越高,对应电压表读数越小
  B. 水温刻度不均匀,水温越高,对应电压表读数越大
  C. 水温刻度盘上的100℃与电压表1V对应
  D. 水温刻度盘的0℃与电压表3V对应
  6. 在如图6-16所示的电路中,电源电压不变,电流表、电压表都是理想电表,当滑动变阻器R′的滑片P从a端移到b端的过程中( ).
  A. V表示数先减少后增大,A表示数增大
  B. V表示数先增大后减小,A表示数减小
  C. V表示数先减少后增大,A表示数先增大后减小
  D. V表示数先增大后减小,A表示数先减小后增大
  7. 如图6-17所示电路,滑动变阻器M的总电阻为10Ω,滑动变阻器N的总电阻为200Ω,电阻R的阻值约为20Ω.为了使电压表的示数略微增大,应该( ).
  A. 把N的滑片向左移一小段距离
  B. 把M的滑片向左移一小段距离
  C. 把N的滑片向右移一小段距离
  D. 把M的滑片向右移一小段距离
  8. 如图6-18所示电路中,电源电压U=18V保持不变,定值电阻R1的阻值是20Ω,滑动变阻器R2的最大阻值是150Ω,电流表的量程为0~0.6A,电压表的量程为0~15V.问:当开关S闭合后,滑动变阻器允许接入电路中的阻值必须在什么范围内变化才能保证电流表和电压表不致被损坏?
  9. 已知盒内有一个电源和四个阻值相同的电阻组成的电路,盒外有四个接线柱A、B、C、D,如图6-19所示.用电压表测得UAB=5V,UCD=3V,UAC=2V,UBD=0V.试画出盒子里的电路.
  10. 在“用电压表测电压”的实验中,晓聪同学先测得电池组两端的电压为3.0V,然后将两只灯泡L1、L2并联在电池组两端,测得L1、L2两端的电压U1、U2均为2.5V,如图6-20所示.由此得到:并联电路中,各支路两端电压______.
  此时他发现了问题:并联的两个灯泡的电压小于3.0V,0.5V的电压哪儿去了呢?经过分析和检查,他提出猜想:电池内部可能有电阻.如果是这样的话,我们把并联的两个灯泡等效成一个电阻,则电池内部电阻与这个等效电阻相当于是______联的,这个内电阻就应分得一定的电压.根据欧姆定律,若增大外部电路中的电阻,电路的总电流就会______(选填“增大”、“减小”或“不变”,下同),电池内部电阻分得的电压就会______,那么,外部电路得到的电压就会______.想到这,他立刻找来了滑动变阻器,设计了一个电路,进行实验,结果与猜想完全一致,他高兴极了…….过后,他又有了新的思考,提出了新的问题.请你:
  (1) 在右边的虚线框内画出他设计的电路图.
  (2) 他可能又提出了什么问题?
  ______________________________
  (写出一个问题即可)
  11. 育才中学科技小组设计了一个可以测量电阻值的多量程欧姆表,图6-21中所示为其中两个量程的测试电路,G为灵敏电流表,其内阻R0=100Ω、电表灵敏度(即指针在满刻度时流过灵敏电流表的电流)Ig=100μA,R为可调电阻,阻值变化范围为0~5kΩ,R1和R2为定值电阻,R1=15Ω,R2=11kΩ,E为1.5V干电池,S为量程选择开关.测量时把待测电阻两端分别与A、B两接相连.为了能从灵敏电流表上直接读出待测电阻的阻值,需要表盘上重新标注示数.
  请回答:
  (1) 在指针满偏处,盘面应标注的示数是多少?
  (2) 当A、B间断开时,指针所指的位置处,盘面应标注的示数是多少?
  (3) 开关分别置于1和2位置时,在表盘正中间位置处应标注的示数各是多少?请简要说明理由.
  (4) 该欧姆表表盘上的刻度是否均匀?请从电路原理上说明理由.
  
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