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2018-2019學年高中物理 第二章 恒定電流 第3節(jié) 歐姆定律學案 新人教版選修3-1

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1、第3節(jié) 歐姆定律  1.知道電阻的定義式,理解電阻大小與電壓和電流無關(guān). 2.掌握歐姆定律的內(nèi)容及其適用范圍,并能用來解決有關(guān)電路的問題. 3.知道導體的伏安特性曲線,知道什么是線性元件和非線性元件. 一、歐姆定律 1.電阻 (1)定義:導體兩端的電壓與通過的電流的比值叫做導體的電阻. (2)定義式:R=. (3)物理意義:反映導體對電流的阻礙作用. (4)單位:歐姆,符號是Ω. 2.歐姆定律 (1)內(nèi)容:導體中的電流跟導體兩端的電壓U成正比,跟導體的電阻R成反比. (2)公式:I=. (3)適用條件:歐姆定律對金屬導體和電解質(zhì)溶液適用,但對氣態(tài)導體和半導體元件并

2、不適用. 二、導體的伏安特性曲線 1.概念:用縱坐標表示電流I、橫坐標表示電壓U,這樣畫出的I-U圖象叫做導體的伏安特性曲線. 2.圖線的形狀 (1)直線:伏安特性曲線是一條過原點的直線的電學元件叫做線性元件. (2)曲線:伏安特性曲線是過原點的曲線的電學元件叫做非線性元件. 判一判 (1)由I=知,通過一段導體中的電流跟加在它兩端的電壓成正比,與電阻R成反比.(  ) (2)電阻反映了導體對電流阻礙作用的大小,其定義式為R=,所以電阻的大小與電壓成正比,與電流成反比.(  ) (3)對于給定的導體,電阻是一定的,不管導體兩端有無電壓、導體中有無電流,電阻都是一定的,所以

3、不能說電阻與電壓成正比,與電流成反比.(  ) (4)導體的U-I圖線為曲線時,圖線上各點切線的斜率表示導體的電阻.(  ) (5)線性元件是指導體的伏安特性曲線為過原點的直線,即電流與電壓成正比的元件,如金屬導體、電解液等.(  ) 提示:(1)√ (2)× (3)√ (4)× (5)√ 想一想 線性元件與非線性元件的根本區(qū)別是什么? 提示:線性元件的電阻值不隨電壓和電流的改變發(fā)生變化,它的伏安特性曲線是一條經(jīng)過原點的直線;非線性元件的電阻值隨電壓和電流的改變發(fā)生變化,它的伏安特性曲線是一條經(jīng)過原點的曲線. 做一做 (2018·桂林期末)有四個金屬導體,它們的U-I圖象如圖所

4、示,電阻最小的導體是(  ) A.a(chǎn)            B.b C.c D.d 提示:選A.由U=IR可知電阻R等于U-I圖線斜率,圖線a的斜率最小,電阻最?。?  對歐姆定律的理解和應(yīng)用 1.歐姆定律的“兩性” (1)同體性:表達式I=中的三個物理量U、I、R對應(yīng)于同一段電路或?qū)w. (2)同時性:三個物理量U、I、R對應(yīng)于同一時刻. 2.公式I=和R=比較 比較項目 I= R= 意義 歐姆定律的表達形式 電阻的定義式 前后物理量的關(guān)系 I與U成正比,與R成反比 R是導體本身的性質(zhì),不隨U、I的改變而改變 適用條件 適用于金屬導體、電解液等

5、 適用于計算一切導體的電阻 命題視角1 對歐姆定律的理解  對于歐姆定律的理解,下列說法中錯誤的是(  ) A.由I=,通過電阻的電流跟它兩端的電壓成正比,跟它的電阻成反比 B.由U=IR,對一定的導體,通過它的電流越大,它兩端的電壓也越大 C.由R=,導體的電阻跟它兩端的電壓成正比,跟通過它的電流成反比 D.對一定的導體,它兩端的電壓與通過它的電流的比值保持不變 [思路點撥] (1)R由導體本身決定,與U、I無關(guān). (2)U由電源決定. (3)I由U和R共同決定. [解析] 根據(jù)歐姆定律可知,通過電阻的電流跟它兩端的電壓成正比,跟它的電阻成反比,A正確;對一定的導體,它

6、兩端的電壓與通過它的電流的比值保持不變,即電阻不變,電流與電壓成正比, 通過它的電流越大,它兩端的電壓也越大,B、D正確;導體的電阻與電壓的大小無關(guān),是由導體本身決定的,C錯誤. [答案] C 命題視角2 歐姆定律的應(yīng)用  若加在某導體兩端的電壓變?yōu)樵瓉淼臅r,導體中的電流減小了0.4 A;如果所加電壓變?yōu)樵瓉淼?倍,則導體中的電流為多大? [思路點撥] 解答本題時應(yīng)把握以下三點: (1)不特別說明認為導體的電阻不變; (2)每次改變電壓后對應(yīng)的U、I比值不變; (3)對應(yīng)同一導體,=. [解析] 法一:依題意和歐姆定律得 R== 所以I0=1.0 A 又因為R==,所以

7、I2=2I0=2.0 A. 法二:由R===,得I0=1.0 A. 又R==,所以ΔI2=I0,I2=2I0=2.0 A. 法三:畫出導體的I-U圖象,如圖所示, 設(shè)原來導體兩端的電壓為U0時,導體中的電流為I0, 當U=時,I=I0-0.4 A. 當U′=2U0時,電流為I2. 由圖知=== 所以I0=1.0 A,I2=2I0=2.0 A. [答案] 2.0 A 歐姆定律公式及變形 (1)I=是歐姆定律的數(shù)學表達式,表示通過導體的電流I與電壓U成正比,與電阻R成反比,常用于計算一段電路加上一定電壓時產(chǎn)生的電流,適用條件是金屬或電解液導電(純電阻電路). (2)

8、R=是電阻的定義式,比值表示一段導體對電流的阻礙作用.對給定的導體,它的電阻是一定的,與導體兩端是否加電壓,導體中是否有電流無關(guān).因此,不能說電阻與電壓成正比,與電流成反比. (3)U=IR是電勢降落的計算式,用來表示電流經(jīng)過一電阻時的電勢降落,常用于進行電路分析時,計算沿電流方向上的電勢降落,是歐姆定律的變形,所以適用條件與歐姆定律的適用條件相同. 【題組突破】 1.根據(jù)歐姆定律,下列判斷正確的是(  ) A.導體兩端的電壓為零,電阻即為零 B.導體中的電流越大,電阻就越小 C.比較幾個電阻的I-U圖象可知,電流變化相同時,電壓變化較小的圖象是屬于阻值較大的那個電阻的圖象 D.

9、由I=可知,通過一段導體的電流跟加在它兩端的電壓成正比 解析:選D.導體的電阻由導體本身的性質(zhì)決定,公式R=只提供了測定電阻的方法,R與只是在數(shù)值上相等,當我們不給導體兩端加電壓時,導體的電阻仍存在,因此不能說導體的電阻與加在它兩端的電壓成正比,與導體中的電流成反比,A、B錯誤.由R=知C錯誤. 2.(多選)(2018·龍巖高二檢測)已知兩個導體的電阻之比R1∶R2=2∶1,那么(  ) A.若兩導體兩端電壓相等,則I1∶I2=2∶1 B.若兩導體兩端電壓相等,則I1∶I2=1∶2 C.若導體中電流相等,則U1∶U2=2∶1 D.若導體中電流相等,則U1∶U2=1∶2 解析:選B

10、C.當電壓相等時,由I=得I1∶I2=R2∶R1=1∶2,B對,A錯;當電流相等時,由U=IR得,U1∶U2=R1∶R2=2∶1,C對,D錯.  對伏安特性曲線的理解和應(yīng)用 1.伏安特性曲線即I-U圖線,橫軸表示電壓,縱軸表示電流,圖線反映了電流隨電壓變化的規(guī)律. 2.線性元件的I-U圖象是一條過原點的傾斜直線,斜率表示電阻的倒數(shù),線性元件的U-I圖象也是一條過原點的傾斜直線,但斜率表示電阻,要加以區(qū)別.如圖所示,在圖甲中R2<R1,圖乙中R2>R1.   3.非線性元件的I-U圖線是曲線,導體電阻Rn=,即電阻等于圖線上點(Un,In)與坐標原點連線的斜率的倒數(shù),而不等于該點切線斜

11、率的倒數(shù),如圖丙. 命題視角1 線性元件的伏安特性曲線  如圖所示的圖象所對應(yīng)的兩個導體: (1)電阻關(guān)系R1∶R2為多少? (2)若兩個導體中的電流相等(不為零)時,電壓之比U1∶U2為多少? (3)若兩個導體的電壓相等(不為零)時,電流之比I1∶I2為多少? [解析] (1)因為在I-U圖象中,R==, 所以R1= Ω=2 Ω, R2= Ω= Ω, 所以R1∶R2=2∶=3∶1. (2)由歐姆定律得U1=I1R1,U2=I2R2, 由于I1=I2,則U1∶U2=R1∶R2=3∶1. (3)由歐姆定律得I1=,I2=, 由于U1=U2,則I1∶I2=R2∶R1

12、=1∶3. [答案] (1)3∶1 (2)3∶1 (3)1∶3 命題視角2 非線性元件的伏安特性曲線  (多選)某導體中的電流隨其兩端電壓的變化如圖所示,則下列說法中正確的是(  ) A.該元件是非線性元件,所以不能用歐姆定律計算導體在某狀態(tài)下的電阻 B.加5 V電壓時,導體的電阻是5 Ω C.由圖可知,隨著電壓的增大,導體的電阻不斷減小 D.由圖可知,隨著電壓的減小,導體的電阻不斷減小 [思路點撥] (1)R=可以計算任何情況下的電阻. (2)根據(jù)各點與坐標原點連線的斜率變化判斷導體電阻變化. [解析] 雖然該元件是非線性元件,但可以用歐姆定律計算各狀態(tài)的電阻值,A

13、錯誤;當U=5 V時,I=1.0 A,R==5 Ω,B正確;由題圖可知,隨電壓的增大,各點到坐標原點連線的斜率越來越小,電阻越來越大,反之,隨電壓的減小,電阻減小,C錯誤,D正確. [答案] BD 利用I-U圖象或U-I圖象求電阻應(yīng)注意的問題 (1)明確圖線斜率的物理意義,即斜率等于電阻R還是等于電阻的倒數(shù).  (2)某些電阻在電流增大時,由于溫度升高而使電阻變化,伏安特性曲線不是直線,但對某一狀態(tài),歐姆定律仍然適用. (3)利用I-U圖象或U-I圖象求導體的電阻時,應(yīng)利用ΔU和ΔI的比值進行計算,而不能用圖象的斜率k=tan α,因為坐標軸標度的選取是根據(jù)需要人為規(guī)定的,同一

14、電阻在坐標軸標度不同時直線的傾角α是不同的. 【題組突破】 1. 如圖所示為一小燈泡的伏安特性曲線,橫軸和縱軸分別表示電壓U和電流I.圖線上點A的坐標為(U1,I1),過點A的切線與縱軸交點的坐標為(0,I2).當小燈泡兩端電壓為U1時,其電阻等于(  ) A.         B. C. D. 解析:選B.小燈泡兩端電壓為U1時,通過小燈泡的電流為I1,根據(jù)歐姆定律得R=. 2.如圖所示是某晶體二極管的伏安特性曲線,下列說法正確的是(  ) A.加正向電壓時,二極管電阻較小,且隨著電壓的增大而增大 B.加反向電壓時,二極管電阻較大,無論加多大電壓,電流都很小 C

15、.無論是加正向電壓還是加反向電壓,電壓和電流都不成正比,所以二極管是非線性元件 D.二極管加正向電壓時,電流隨電壓變化是一條直線 解析:選C.由題圖可知,二極管加正向電壓時電流較大,電阻較小,且隨電壓的增大,圖線與原點連線的斜率在增大,故電阻在減小.加反向電壓時開始電流很小,但當反向電壓很大時,二極管被擊穿,電流劇增.故C項正確. [隨堂檢測] 1.(多選)根據(jù)歐姆定律,下列說法中正確的是(  ) A.由關(guān)系式U=IR可知,導體兩端的電壓U由通過它的電流I和它的電阻R共同決定 B.由關(guān)系式R=U/I可知,導體的電阻跟導體兩端的電壓成正比,跟導體中的電流成反比 C.由關(guān)系式I

16、=U/R可知,導體中電流跟導體兩端的電壓成正比,跟導體的電阻成反比 D.由關(guān)系式R=U/I可知,對一個確定的導體來說,所加的電壓跟通過導體的電流的比值是一定值 解析:選CD.U=IR和I=U/R的意義不同,可以說I由U和R共同決定,但不能說U由I和R共同決定,因為電流產(chǎn)生的條件是導體兩端存在電勢差,A錯誤,C正確;可以利用R=U/I計算導體的電阻,但R與U和I無關(guān),B錯誤,D正確. 2.(多選)如圖所示是電阻R的I-U圖象,圖中α=45°,由此得出(  ) A.通過電阻的電流與兩端電壓成正比 B.電阻R=0.5 Ω C.因I-U圖象的斜率表示電阻的倒數(shù),故R=1/tan α=1

17、.0 Ω D.在R兩端加上6.0 V的電壓時,每秒通過電阻橫截面的電荷量是3.0 C 解析:選AD.由I-U圖象可知,圖線是一條過原點的傾斜直線,即I和U成正比,A正確;而電阻R== Ω=2 Ω,B錯誤;由于縱橫坐標的標度不一樣,故不能用tan α計算斜率表示電阻的倒數(shù),C錯誤;在R兩端加上6.0 V電壓時,I== A=3.0 A,每秒通過電阻橫截面的電荷量q=It=3.0×1 C=3.0 C,D正確. 3.(多選)兩個電阻R1、R2的伏安特性曲線如圖所示,由圖可知(  ) A.R1為線性元件,R2為非線性元件 B.R1的電阻R1=tan 45°=1 Ω C.R2的電阻隨電壓的

18、增大而減小 D.當U=1 V時,R2的電阻等于R1的電阻 解析:選AD.由圖可知R1的伏安特性曲線為過原點的直線,故R1為線性元件,R2的伏安特性曲線為曲線,故R2是非線性元件,故A正確;R1的電阻不等于tan 45°,應(yīng)為U與I的比值,大小為2 Ω,故B錯誤;R2為非線性元件,其中電阻大小仍等于某一時刻U與I的比值,D正確;由圖可知R2隨電壓增大而增大,故C錯誤. 4.(2018·煙臺二中月考)某同學做三種導電元件的導電性能的實驗,根據(jù)所測量數(shù)據(jù)分別繪制了三種元件的I-U圖象,如圖所示,則下述判斷正確的是(  ) A.只有乙圖正確 B.甲、丙圖的曲線肯定是誤差太大 C.甲、丙

19、不遵從歐姆定律,肯定不可能 D.甲、乙、丙三個圖象都可能正確,并不一定有較大誤差 解析:選D.甲、乙、丙三個圖象都可能正確,乙是定值電阻.甲的電阻隨U增大而減小,丙的電阻隨U增大而增大,都是可能存在的,并不一定有較大的誤差,故D選項正確. [課時作業(yè)] [學生用書P133(單獨成冊)] 一、單項選擇題 1.在5 min內(nèi),經(jīng)過導體橫截面的電荷量為5 C,導體的電阻為60 Ω,則加在導體兩端的電壓為(  ) A.1 V          B.60 V C.3 600 V D.5 V 解析:選A.電流I== A= A,則U=IR=×60 V=1 V. 2. 一個阻值為R的

20、導體兩端加上電壓U后,通過導體橫截面的電荷量q與通電時間t之間的關(guān)系為過坐標原點的直線,如圖所示,此圖線的斜率表示(  ) A.U          B.R C. D. 解析:選C.在q-t圖象中,圖線的斜率代表,即電流,由歐姆定律I=可知,C正確. 3.(2018·杭州高二檢測)某同學對四個電阻各進行了一次測量,把每個電阻兩端的電壓和通過它的電流在U-I坐標系中描點如圖,分別用Ra、Rb、Rc、Rd代表電阻的阻值,則(  ) A.Ra>Rd       B.Rd>Ra C.Rc>Rb D.Rb>Rc 解析:選A.連接aO、bO、cO、dO,U-I 圖線的斜率表示電阻的大

21、小,故Ra>Rd,A正確,B錯誤;又因為O、b、c三點在一條直線上,故Rb=Rc,故C、D錯誤. 4.(2018·嘉興校級月考)某一導體的伏安特性曲線如圖AB段(曲線)所示,關(guān)于導體的電阻,以下說法正確的是(  ) A.B點的電阻為12 Ω B.B點的電阻為40 Ω C.導體的電阻因溫度的影響改變了1 Ω D.導體的電阻因溫度的影響改變了9 Ω 解析:選B.B點的電阻為:RB== Ω=40 Ω,故A錯誤,B正確;A點的電阻為:RA= Ω=30 Ω,故兩點間的電阻改變了(40-30) Ω=10 Ω,故C、D錯誤. 5.(2018·瀏陽校級月考) 如圖所示,電壓U不變,閉合

22、開關(guān)S,先調(diào)節(jié)電阻箱R的電阻值到R1,使電流計指針轉(zhuǎn)到滿刻度,再把R調(diào)節(jié)到R2,使電流計的指針轉(zhuǎn)到滿刻度的,電流計的內(nèi)阻等于(  ) A.R2-R1 B.2R2-R1 C.R2-3R1 D.2R2-3R1 解析:選D.調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值至R1,電流計的指針達到滿偏,則:Im=,把電阻箱R的電阻值調(diào)到R2,電流計的指針轉(zhuǎn)到滿刻度的,則:Im=,解得:Rg=2R2-3R1,故D正確. 6.在如圖甲所示的電路中,電源電動勢為3.0 V,內(nèi)阻不計,L1、L2、L3為3個相同規(guī)格的小燈泡,這種小燈泡的伏安特性曲線如圖乙所示.當開關(guān)S閉合后(  ) A.通過L1的電流為通過L2的電流的2

23、倍 B.L1的電阻為7.5 Ω C.L1消耗的電功率為0.75 W D.L2消耗的電功率為0.375 W 解析:選C.因L1兩端電壓為3.0 V,由題圖乙讀出此時通過L1的電流為0.25 A;L2、L3串聯(lián)后與L1并聯(lián)在電源兩端,故L2、L3每個小燈泡兩端電壓均為1.5 V,由題圖乙讀出此時通過L2、L3支路的電流為0.20 A.由以上分析可知A項不正確;L1的電阻R1= Ω=12 Ω,B項不正確;L1消耗的電功率P1=I1U1=0.25×3.0 W=0.75 W,C項正確;L2消耗的電功率P2=I2U2=0.20×1.5 W=0.3 W,D項不正確. 二、多項選擇題 7.

24、如圖所示是某導體的伏安特性曲線,下列判斷正確的是(  ) A.導體的電阻是20 Ω B.導體的電阻是0.05 Ω C.導體兩端的電壓是10 V時,通過導體的電流是0.5 A D.通過導體的電流是0.1 A時,導體兩端的電壓是2.5 V 解析:選AC.根據(jù)圖象,由歐姆定律可得,導體電阻R== Ω=20 Ω,故A正確,B錯誤;當導體兩端電壓是10 V時,通過導體的電流I== Ω=0.5 A,故C正確;當通過導體的電流是0.1 A時,導體兩端的電壓U2=I1R=0.1 A×20 Ω=2 V,故D錯誤. 8.(2018·西寧校級期中)某導體中的電流I隨其兩端電壓U的變化如圖所示,則下列說法

25、中正確的是(  ) A.加5 V電壓時,導體的電阻為0.2 Ω B.加12 V電壓時,導體的電阻為8 Ω C.隨著電壓的增大,導體的電阻不斷增大 D.隨著電壓的增大,導體的電阻不斷減小 解析:選BC.加5 V電壓時,電流為1.0 A,則由歐姆定律可知,R== Ω=5 Ω,故A錯誤;加12 V電壓時,電流為1.5 A,則可得電阻為:R′= Ω=8 Ω,故B正確;由題圖可知,隨電壓的增大,圖象中的點與坐標原點的連線的斜率減小,則可知導體的電阻越來越大,故C正確,D錯誤. 9.(2018·諸城期中) 如圖,四個虛線框均為正方形,A、B分別表示兩個電阻RA、RB的U-I圖線,則(

26、  ) A.RA=4RB B.RB=4RA C.當A、B中的電流相等時,UA=4UB D.當A、B中的電壓相等時,IB=4IA 解析:選ACD.U-I圖線的斜率表示電阻值,由題圖可知,A的斜率為B斜率的4倍,故有RA=4RB,故A正確,B錯誤;當電流相等時,電壓與電阻成正比,故UA=4UB,故C正確;當A、B中的電壓相等時,電流與電阻成反比,故有IB=4IA,故D正確. 10.小燈泡通電后其電流I隨所加電壓U變化的圖線如圖所示,P為圖線上一點,PN為圖線的切線,PQ為U軸的垂線,PM為I軸的垂線,則下列說法中正確的是(  ) A.隨著所加電壓的增大,小燈泡的電阻增大 B.對

27、應(yīng)P點,小燈泡的電阻為R= C.對應(yīng)P點,小燈泡的電阻為R= D.隨著所加電壓的增大,小燈泡的電阻減小 解析:選AB.由圖象可知,U越大,I-U圖線的斜率越小,表示小燈泡的電阻越大,即A對,D錯;R=中的U、I與小燈泡所處狀態(tài)下的電壓與電流相對應(yīng),即B對,C錯. 三、非選擇題 11.加在某導體上的電壓變?yōu)樵瓉淼?倍時,導體中的電流增加了0.9 A,如果所加電壓變?yōu)樵瓉淼臅r,導體中的電流變?yōu)槎嗌伲? 解析:設(shè)導體電阻為R,導體上原來的電壓為U0,通過的電流為I0,則當電壓變?yōu)樵瓉淼?倍時,由歐姆定律得: I0=,I0+0.9=, 由以上兩式解得:=0.45 A. 當電壓為U0時,

28、 I==×0.45 A=0.225 A. 答案:0.225 A 12.某同學利用如圖所示的電路,研究加在標有“3.8 V,0.3 A”的小燈泡兩端的電壓和通過它的電流的關(guān)系,得到如下所示的數(shù)據(jù). 序號 1 2 3 4 5 6 U/V 0 0.10 0.20 0.40 0.60 1.00 I/A 0 0.050 0.100 0.124 0.140 0.160 序號 7 8 9 10 11 12 U/V 1.60 2.20 2.60 3.00 3.40 3.80 I/A 0.200 0

29、.230 0.258 0.274 0.290 0.310 根據(jù)以上這些數(shù)據(jù)完成下列問題: (1)描繪出小燈泡的U-I曲線. (2)比較U1=1.0 V和U2=3.0 V時小燈泡的電阻大小,并說明其原因. (3)小燈泡兩端的電壓從零到額定電壓變化時,小燈泡的最大電阻是多少?最大電功率是多少? 解析:(1)小燈泡的U-I圖線如圖所示. (2)R1= Ω=6.25 Ω,R2= Ω≈10.9 Ω,R1<R2,原因是隨著電壓的增大,通過小燈泡的電流增大,同時小燈泡的發(fā)熱功率增加,隨著溫度的升高,小燈泡燈絲的電阻率增大,則小燈泡的電阻增大. (3)由圖象可知,電流、電壓達到最大時,小燈泡的電阻最大,因此,小燈泡的最大電阻為: Rmax== Ω≈12.3 Ω 此時的電功率也最大: Pmax=UI=3.80×0.310 W=1.178 W. 答案:(1)見解析圖 (2)R1<R2 隨著電壓的增大,通過小燈泡的電流增大,同時小燈泡的發(fā)熱功率增加,隨著溫度的升高,小燈泡燈絲的電阻率增大,則小燈泡的電阻增大 (3)12.3 Ω 1.178 W 15

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