高中物理粤教版 (2019)必修 第三册第五章 电能与能源的可持续发展本章综合与测试学案设计

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1.(多选)如图1所示，电源E对电容器C充电，当C两端电压达到80 V时，闪光灯瞬间导通并发光，C放电．放电后，闪光灯断开并熄灭，电源再次对C充电．这样不断地充电和放电，闪光灯就周期性地发光．该电路( )
图1
A．充电时，通过R的电流不变
B．若R增大，则充电时间变长
C．若C增大，则闪光灯闪光一次通过的电荷量增大
D．若E增大为95 V，闪光灯闪光一次通过的电荷量不变
答案 BCD
解析 给电容器充电过程中，随着两极板间所带电荷量增多，电路中的电流逐渐减小，A错误．
充满一次电，电容器增加的电荷量是相同的，即通过R的电荷量Q是一定的．电源电压恒定，R增大，则电流I减小，根据I＝eq \f(Q,t)可知，充电时间变长，B正确．
若C增大，电容器两端电压达到80 V时所带电荷量增多，即闪光时电容器释放的电荷量也增多，通过闪光灯的电荷量也增多，C正确．
因为C两端电压达到80 V时，电容器就不再充电，外接电源只要提供电压超过80 V，产生的效果均相同，闪光灯闪光一次通过的电荷量也相同，D正确．
2．(2019·浙江4月选考)电动机与小电珠串联接入电路，电动机正常工作时，小电珠的电阻为R1，两端电压为U1，流过的电流为I1；电动机的内电阻为R2，两端电压为U2，流过的电流为I2，则( )
A．I1eq \f(R1,R2)
C.eq \f(U1,U2)＝eq \f(R1,R2) D.eq \f(U1,U2)答案 D
解析 电动机与小电珠串联接入电路，则I1＝I2，A错误；小电珠为纯电阻用电器，即U1I1＝Ieq \\al(,1)2R1，则U1＝I1R1，电动机为非纯电阻用电器，U2I2＝Ieq \\al(,2)2R2＋P机，即U2I2>Ieq \\al(,2)2R2，则U2>I2R2，故eq \f(U1,U2)3.(多选)如图2，三个电阻R1、R2、R3的阻值均为R，电源的内阻r图2
A．R2消耗的功率变小
B．R3消耗的功率变大
C．电源输出的功率变大
D．电源内阻消耗的功率变大
答案 CD
解析 c为滑动变阻器的中点，滑片在c点时，总电阻最大．将滑动变阻器滑片由c点向a端移动，电路中的总电阻减小，总电流增大，电源内阻消耗的功率变大，故D正确；电源输出的功率在r＝R外时最大，外电阻大于电源内阻，外电阻减小，电源输出功率变大，故C正确；电路中电流变大，则路端电压变小，R1两端电压变大，R3与滑动变阻器右侧电阻两端的电压之和变小，R3与滑动变阻器右侧电阻的电阻之和变大，故通过R3的电流减小，R3消耗的功率变小，故B错误；电路中总电流变大，通过R3所在支路的电流减小，故通过R2所在支路的电流增大，R2消耗的功率变大，故A错误．
4.(多选)(2020·人大附中模拟考试)在如图3所示的电路中，电源电动势为12 V，内阻为2 Ω，四个电阻的阻值已在图中标出．闭合开关S，下列说法正确的有( )
图3
A．路端电压为10 V
B．电源的总功率为10 W
C．a、b间电压的大小为5 V
D．a、b间用导线连接后，电路的总电流为1 A
答案 AC
解析 开关S闭合后，外电路的总电阻为R＝10 Ω，路端电压U＝eq \f(ER,R＋r)＝10 V，A正确；电源的总功率P＝eq \f(E2,R＋r)＝12 W，B错误；由于两条支路的电流均为I′＝eq \f(U,2R)＝0.5 A，因此a、b间的电压大小为U′＝0.5×(15－5) V＝5 V，C正确；a、b间用导线连接后，外电阻R′＝2×eq \f(5×15,5＋15) Ω＝7.5 Ω，因此电路中的总电流I＝eq \f(E,R′＋r)＝eq \f(12,9.5) A≈1.26 A，D错误．
5.(2020·定远育才学校高二上期末)在如图4所示的电路中，电源电动势为E，内阻为r，R0为定值电阻，电容器的电容为C.闭合开关S，增大可变电阻R的阻值，电压表示数的变化量为ΔU，电流表示数的变化量为ΔI，电表均为理想电表，则( )
图4
A．电压表示数U和电流表示数I的比值不变
B．变化过程中ΔU和ΔI的比值保持不变
C．电阻R0两端电压减小，减小量为ΔU
D．电容器的带电荷量减小，减小量为CΔU
答案 B
解析 由题图分析知R＝eq \f(U,I)，R增大，则电压表的示数U和电流表的示数I的比值变大，故A错误．根据闭合电路欧姆定律得U＝E－I(R0＋r)，由数学知识得知，eq \f(ΔU,ΔI)＝R0＋r，保持不变，故B正确．闭合开关S，增大可变电阻R的阻值后，总电阻增大，电路中电流减小，路端电压增大，由欧姆定律分析可知，电阻R0两端电压减小，R两端电压增大，所以电阻R0两端的电压减小量小于R两端的电压增加量，即小于ΔU，故C错误．电容器两极板间的电压等于R两端的电压，可知电容器两极板间电压增大，带电荷量增大，增大量为CΔU，故D错误．
6.如图5所示电路，闭合开关S，两个灯泡都不亮，电流表指针几乎不动，而电压表指针有明显偏转，该电路的故障可能是( )
图5
A．电流表坏了或未接好
B．从点a经过灯L1到点b的电路中有断路
C．灯L2的灯丝断了或灯座未接通
D．电流表和灯L1、L2都坏了
答案 B
解析 由于闭合开关，两灯不亮，电流表没有示数，可以断定电路中某处断路，由于电压表有示数，则经开关、电流表、电压表、L2线路没有断路，故应是点a经L1到点b间的电路中有断路，故B正确．
7.(多选)如图6所示，直线A为电源a的路端电压与电流的关系图线；直线B为电源b的路端电压与电流的关系图线；直线C为电阻R的两端电压与电流的关系图线．将这个电阻分别接到a、b两电源上，那么( )
图6
A．R接到b电源上时电源的效率高
B．R接到b电源上时电源的输出功率较大
C．R接到a电源上时电源的输出功率较大，但电源效率较低
D．R接到a电源上时电阻的热功率较大，电源效率也较高
答案 AC
解析 由题图知Ea＞Eb，内阻ra＞rb，当电阻R接到电源两极时，电源的效率为η＝eq \f(I2R,I2R＋r)＝eq \f(R,R＋r)，所以R接到b电源上时，电源的效率高，A正确，D错误；由题图知，R接到a电源上时，电源的输出电压和电流均比接到b上时大，故R接到a电源上时，电源的输出功率较大，B错误，C正确．
8.如图7所示的电路中，已知电容C1＝C2，电阻R1＝R2，电源电动势为E，内阻为r，当开关S由闭合状态断开时，下列说法中正确的是( )
图7
A．电容器C1的电荷量增多，电容器C2的电荷量减少
B．电容器C1的电荷量减少，电容器C2的电荷量增多
C．电容器C1、C2的电荷量都增多
D．电容器C1、C2的电荷量都减少
答案 C
解析 开关S闭合时，电容器C1两端的电压与R2两端的电压相等，C2两端的电压与R1两端的电压相等；开关S断开时，电容器C1、C2两端的电压均等于电源电动势E，由Q＝CU知，电容器C1、C2的电荷量均增多，C正确，A、B、D错误．
9．(2016·全国卷Ⅱ)阻值相等的四个电阻、电容器C及电池E(内阻可忽略)连接成如图8所示电路．开关S断开且电流稳定时，C所带的电荷量为Q1；闭合开关S，电流再次稳定后，C所带的电荷量为Q2.Q1与Q2的比值为( )
图8
A.eq \f(2,5) B.eq \f(1,2) C.eq \f(3,5) D.eq \f(2,3)
答案 C
解析 设四个电阻的阻值均为R，S断开时等效电路图如图甲所示．
电容器两端电压为U1＝eq \f(E,R＋\f(2,3)R)×eq \f(2,3)R×eq \f(1,2)＝eq \f(1,5)E；
S闭合时等效电路图如图乙所示．
电容器两端电压为U2＝eq \f(E,R＋\f(1,2)R)×eq \f(1,2)R＝eq \f(1,3)E，
由Q＝CU得eq \f(Q1,Q2)＝eq \f(U1,U2)＝eq \f(3,5)，故选项C正确．
二、非选择题
10．(2020·山东卷)实验方案对实验测量的精度有直接的影响，某学习小组对“测量电源的电动势和内阻”的实验方案进行了探究．实验室提供的器材有：
干电池一节(电动势约1.5 V，内阻小于1 Ω)；
电压表V(量程3 V，内阻约3 kΩ)；
电流表A(量程0.6 A，内阻约1 Ω)；
滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)；
定值电阻R1(阻值2 Ω)；
定值电阻R2(阻值5 Ω)；
开关一个，导线若干．
(1)该小组按照图9甲所示的电路进行实验，通过调节滑动变阻器阻值使电流表示数逐渐接近满偏，记录此过程中电压表和电流表的示数，利用实验数据在U－I坐标纸上描点，如图乙所示，结果发现电压表示数的变化范围比较小，出现该现象的主要原因是________．(单选，填正确答案标号)
A．电压表分流
B．干电池内阻较小
C．滑动变阻器最大阻值较小
D．电流表内阻较小
图9
(2)针对电压表示数的变化范围比较小的问题，该小组利用实验室提供的器材改进了实验方案，重新测量得到的数据如下表所示．
请根据实验数据，回答以下问题：
①图10中已标出后3组数据对应的坐标点，请标出前4组数据对应的坐标点并画出U－I图像．
图10
②根据实验数据可知，所选的定值电阻为________(填“R1”或“R2”)．
③用笔画线代替导线，请按照改进后的方案，将图11所示实物图连接成完整电路．
图11
答案 (1)B (2)①见解析图(a) ②R1 ③见解析图(c)
解析 (1)电压表示数的变化范围小，原因是外电阻的阻值远大于干电池内阻，选项B正确．
(2)①根据数据描点并连成一条直线，如图(a)所示．
②由图像可知E＝1.55 V，U＝0时I＝0.59 A，故r′＝eq \f(E,I)≈2.63 Ω，
由于2 Ω又r′＝r＋R(r为电源内阻，R为定值电阻)，
故所选的定值电阻只能是R1.
③先画出原理图，如图(b)，然后依据原理图将各仪器依次连接起来，如图(c)．
11.(2020·重庆十一中模拟)某辆以蓄电池为驱动能源的环保汽车，总质量m＝3×103 kg.当它在水平路面上以v＝36 km/h的速度匀速行驶时，蓄电池的输出电流I＝50 A，输出电压U＝200 V．在此行驶状态下，该环保汽车能够将蓄电池输出功率的90%转化为用于牵引汽车前进的机械功率P机．(g取10 m/s2)
图12
(1)求汽车所受阻力；
(2)若该环保汽车的驱动电机的内部结构如图12所示，其中R1＝0.1 Ω，R2＝1 950 Ω，求电动机M的热功率．
答案 (1)900 N (2)730.5 W
解析 (1)蓄电池输出功率P＝UI＝200 V×50 A＝1×104 W
机械功率P机＝90%P＝Fv
解得F＝900 N
汽车匀速行驶过程中受力平衡，则F阻＝F＝900 N
(2)电动机M两端电压U′＝U－IR1＝195 V
R2中电流I2＝eq \f(U′,R2)＝0.1 A
电动机输入电流I′＝I－I2＝49.9 A
电动机输入功率P入＝U′I′＝9 730.5 W
机械功率P机＝9 000 W
电动机M的热功率P热＝P入－P机＝730.5 W.
12.在如图13所示的电路中，定值电阻R1＝7 Ω、R2＝3 Ω、R3＝1 Ω、R4＝4 Ω、R5＝5 Ω，电容器的电容C＝2 μF，电源的电动势为E＝20 V，忽略电源的内阻．若将开关S闭合，求：
图13
(1)电容器所带的电荷量；
(2)如果在工作的过程中R2被烧断，流过R5的电荷量．
答案 (1)2×10－5 C (2)2.8×10－5 C
解析 (1)由电路图可知
UR1∶UR2＝R1∶R2＝7∶3
且UR1＋UR2＝20 V
解得：UR1＝14 V，UR2＝6 V
同理可得：UR3＝4 V，UR4＝16 V
假设d点为零电势点，则φd＝0
则有UR2＝φa－φd＝6 V
UR4＝φb－φd＝16 V
因此φa＝6 V，φb＝16 V
由于b点电势高，则电容器的下极板带正电，所以Uba＝φb－φa＝10 V
则电容器所带的电荷量为
Q＝CUba＝2×10－6×10 C＝2×10－5 C.
(2)若工作过程中R2被烧断，则有Uab＝UR3＝4 V
则电容器所带的电荷量为
Q′＝CUab＝2×10－6×4 C＝8×10－6 C
此时电容器的下极板带负电，则流过R5的电荷量为ΔQ＝Q＋Q′＝2.8×10－5 C.序号
1
2
3
4
5
6
7
I/A
0.08
0.14
0.20
0.26
0.32
0.36
0.40
U/V
1.35
1.20
1.05
0.88
0.73
0.71
0.52