12.5 电能 能量守恒定律 章末复习-2022-2023学年高二物理备课必备讲义（人教2019必修第三册 ）

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第十三章 电能 能量守恒定律12.5 电能 能量守恒定律 章末复习目标导航提示：将以下答案前的字母填入左侧正确的位置。A．电势能　　 B．电压UC．电流I D．电流的二次方E．I2Rt F．I2RG．U内＋U外 H．转移I．电阻之和 J.eq \f(E,R＋r)K．纯电阻 L．转化M．0 N.eq \f(E,r)O．0 P．电动势Q．不变 R．消失S．时间 T．电阻U．正极 V．通电时间tW．UIt X．负极Y．产生【答案】A　X　U　B　C　V　WD　T　S　E　F　G　Y　R　LH　Q　P　I　J　K　M　O　N知识精讲知识点01 闭合电路的动态分析闭合电路动态问题的分析方法(1)程序法：遵循“局部—整体—局部”的思路，按以下步骤分析(如图)： (2)结论法——“串反并同”“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、电功率都将增大．“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．【即学即练1】如图所示，E为内阻不能忽略的电池，R1、R2、R3为定值电阻，S0、S为开关，与分别为电压表与电流表．初始时S0与S均闭合，现将S断开，则(　　)A.的读数变大，的读数变小B.的读数变大，的读数变大C.的读数变小，的读数变小D.的读数变小，的读数变大【答案】B【解析】　将S断开，则电路的总电阻变大，总电流变小，由U＝E－Ir知，路端电压变大，故电压表的读数变大；总电流变小，则R1两端的电压IR1变小，故R3两端的电压变大，流过R3的电流变大，电流表的读数变大，选项B正确．知识点02 含电容器的电路1．在直流电路中，当电容器充、放电时，电路中有充、放电电流．如果电容器两端电压升高，电容器将充电；如果电容器两端电压降低，电容器将通过与它连接的电路放电．2．电路稳定后，电容器处电路可看成是断路，由于电容器所在支路无电流通过，所以在此支路中的电阻上无电压降低，因此电容器两极板间的电压就等于该支路两端的电压．3．当电容器和电阻并联后接入电路时，电容器两极间的电压与其并联电阻两端的电压相等．【即学即练2】如图所示，电源电动势E＝10 V，内阻可忽略，R1＝4 Ω，R2＝6 Ω，C＝30 μF， (1)S闭合后，求稳定时通过R1的电流；(2)S原来闭合，然后断开，求断开后流过R1的电荷量．【答案】　(1)1 A　(2)1.2×10－4 C【解析】　(1)S闭合后，电路稳定时，R1、R2串联，电流I＝eq \f(E,R1＋R2)＝1 A.(2)S闭合时，电容器两端电压UC＝U2＝IR2＝6 V，储存的电荷量Q＝CUC.S断开至达到稳定后电路中电流为零，此时UC′＝E，储存的电荷量Q′＝CUC′.电容器上的电荷量增加了ΔQ＝Q′－Q＝CUC′－CUC＝1.2×10－4 C．电容器上电荷量的增加是在S断开以后才发生的，则只有通过R1这条电路实现，所以流过R1的电荷量就是电容器所带电荷量的增加量．知识点03 闭合电路的功率问题1.电源的输出功率对于纯电阻电路，P出＝I2R＝eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(E,R＋r)))2R＝eq \f(E2,\f(R－r2,R)＋4r)，当R＝r时，电源的输出功率最大，其最大输出功率为Pm＝eq \f(E2,4r).电源输出功率随外电阻变化曲线如图所示．2．电源的效率指电源的输出功率与电源的总功率之比，即η＝eq \f(P出,P总)×100%＝eq \f(IU,IE)×100%＝eq \f(U,E)×100%.对于纯电阻电路，电源的效率η＝eq \f(I2R,I2R＋r)×100%＝eq \f(R,R＋r)×100%＝eq \f(1,1＋\f(r,R))×100%，所以当R增大时，效率η提高．当R＝r(电源有最大输出功率)时，效率仅为50%，效率并不高．【即学即练3】如图所示，电源的内阻不可忽略，在滑片从最右端向最左端滑动的过程中，下列说法正确的是(　　)A．电源的内耗功率减小B．电源消耗的总功率增大C．电阻R1的功率增大D．电源的输出功率减小【答案】　B【解析】　滑片向左移动，R3减小，电路总电阻减小，总电流I增大，由Pr＝I2r，P＝IE，可知电源的内耗功率和电源消耗的总功率均增大，故A错误，B正确；由于总电流增大，因此内电压变大，路端电压减小，则电阻R1的功率将减小，故C错误；当外电路的电阻与电源的内阻相等时，电源的输出功率最大，由于电阻的阻值情况未知，因此输出功率的变化无法确定，故D错误．能力拓展考法01 U－I图像与闭合电路欧姆定律的应用【典例1】如图甲所示，电路中R1为定值电阻，R2为滑动变阻器，M为玩具电动机，电动机线圈电阻r1＝0.5 Ω，A、V1、V2均为理想电表。闭合开关S1、断开开关S2，在将滑动变阻器的滑片P从最右端滑到最左端的过程中，两个电压表的示数随电流表示数变化的完整图线如图乙所示。(1)求电源的电动势E和内阻r；(2)求滑动变阻器R2的最大功率Pm；(3)若滑动变阻器的滑片P滑到最左端后，再闭合开关S2，此时电流表的示数为I＝1.0 A，求此状态下电动机的输出功率P。【答案】(1)6 V　2 Ω　(2)0.9 W　(3)1.875 W【解析】 (1)由题图乙可知，图线B的延长线与纵轴的交点值表示电动势，即电源的电动势为E＝6 V，由图线A可知R1＝eq \f(ΔU,ΔI)＝eq \f(4.8－1.6,0.6－0.2) Ω＝8 Ω，电压表V2的示数变化ΔU2等效于电源内阻r和定值电阻R1分得的电压变化，则ΔU2与电流表示数的变化ΔI的比值为R1＋r，即eq \f(ΔU2,ΔI)＝R1＋r＝10 Ω，解得电源的内阻为r＝2 Ω。(2)由图线B知，滑动变阻器接入电路的最大阻值R2m＝eq \f(4,0.2) Ω＝20 Ω，根据等效电源原理可知，当R2＝R1＋r＝10 Ω时，滑动变阻器上消耗的电功率最大，此时电路的电流I1＝eq \f(E,R2＋R1＋r)＝0.3 A，滑动变阻器R2的最大功率为Pm＝Ieq \o\al(2,1)R2＝0.9 W。(3)当电流表的示数I＝1 A时，电源的路端电压为U＝E－Ir＝4 V，此时通过R1的电流为I1′＝eq \f(U,R1)＝0.5 A，此时通过电动机的电流为I2′＝I－I1′＝0.5 A，则电动机的输出功率P输出＝UI2′－I2′2r1＝1.875 W。考法02 安安法测电源的电动势和内阻【典例2】为测定干电池的电动势和内阻，提供的实验器材如下所示：A．干电池2节，每节干电池的电动势约为1.5 V，内阻约为0.9 ΩB．电流表A(0～0. 6 A，内阻约为0. 5 Ω)C．滑动变阻器R1(0～50 Ω，额定电流为3 A)D．滑动变阻器R2(0～1 000 Ω，额定电流为1 A)E．电流表G(0～3 mA，Rg＝10 Ω)F．定值电阻R3＝990 ΩG．定值电阻R4＝90 Ω(1)由于两节干电池的内阻较小，现将R0＝3 Ω的定值电阻与两节干电池串联后作为一个整体进行测量。在进行实验时，滑动变阻器应选用________，定值电阻应选用________；(填写实验器材前的编号)(2)在如图甲所示的虚线方框中补充完整本实验电路的原理图；(3)根据实验测得数据作出I2－I1的图线如图乙所示，其中I2为通过电流表G的电流，I1为通过电流表A的电流，根据该图线可知，两节干电池的总电动势为________ V，总内阻为________Ω。(结果均保留2位有效数字)【答案】(1)C　F　(2)如解析图所示　(3)3.0　2.0【解析】　(1)电源为两节干电池，电动势为3 V，比较小，电源的内阻也较小，为多测几组实验数据，方便实验操作，应选最大阻值较小的滑动变阻器，因此滑动变阻器应选C；上述器材中没有直接给电压表，但给了两个电流表，将电流表G与定值电阻串联改装成电压表，改装后电压量程应约不小于3 V，根据串联电路规律可知，应串联的电阻为R＝eq \f(3,3×10－3)－10 Ω＝990 Ω，故选F；(2)用改装后的电压表测量电压值，用电流表A与滑动变阻器串联测电路电流，如图所示；(3)由电路图，根据闭合电路的欧姆定律可得E＝I2(R3＋Rg)＋(I1＋I2)(R0＋r)整理得I2＝－eq \f(R0＋r,R3＋Rg＋R0＋r)I1＋eq \f(E,R3＋Rg＋R0＋r)设图像与纵轴的交点为b，图像的斜率为k，可得b＝eq \f(E,R3＋Rg＋R0＋r)|k|＝eq \f(R0＋r,R3＋Rg＋R0＋r)联立上式，代入数据解得E＝3.0 V，r＝2.0 Ω。考法03 电路故障分析1．常见故障：断路、短路．2．常用方法：假设法假设某电阻发生断路(或短路)，根据闭合电路动态分析方法判断实际现象与题中情景是否相符，进而找出电路故障．【典例3】如图所示，灯泡L1、L2原来都正常发光，在两灯突然熄灭后，用电压表测得c、d间电压比灯泡正常发光时的电压高，故障可能是(假设电路中仅有一处故障)(　　)A．a、c间断路 B．c、d间断路C．b、d间断路 D．b、d间短路【答案】B【解析】　因电路中L1、L2、R及电源串联，电路中只有一处故障且两灯不亮，故电路中必是断路，D错误．电路中无电流，但c、d间电压升高，是因为c、d间断路，c、d两点分别与电源正、负极等电势，故B正确．分层提分题组A 基础过关练1．某简易电吹风简化电路如图所示，其主要部件为电动机M和电热丝，部分技术参数如下表，电吹风在220V电压下工作。下列说法正确的是（　　）A．开关、都闭合时电吹风吹冷风B．吹热风时通过电热丝的电流为4AC．吹热风时电热丝的功率为990WD．该电吹风中电动机的内电阻为【答案】B【解析】A．开关、都闭合时，电热丝工作，电吹风吹热风，故A错误；BC．吹热风时电热丝的功率为通过电热丝的电流为故B正确，C错误；D．若电动机是纯电阻，电阻为但电动机是非纯电阻，所以内阻不等于440Ω，故D错误。故选B。2．两根由同种材料制成的均匀电阻丝，并联在电路中，的长度为，直径为；的长度为，直径为，那么通电后在相同的时间内产生的热量之比为（　　）A． B．C． D．【答案】B【解析】由题意可知，长度之比为：，直径比为：，则横截面积比为：，根据电阻定律知，电阻之比为：，根据可知，电流相等，则热量之比为：，ACD错误，B正确。故选B。3．如图1所示，用充电宝为一手机电池充电，其等效电路如图2所示。在充电开始后的一段时间内，充电宝的输出电压、输出电流可认为是恒定不变的，设手机电池的内阻为，则时间内（　　）A．充电宝输出的电功率为 B．充电宝产生的热功率为C．手机电池产生的焦耳热为 D．手机电池储存的化学能为【答案】D【解析】A．充电宝的输出电压U、输出电流I，所以充电宝输出的电功率为UI，故A错误；B．充电宝内的电流也是I，但其内阻未知，所以无法判断充电宝产生的热功率，故B错误；C．U是充电宝的输出电压，不是手机电池的内电压，所以不能用，计算手机电池产生的焦耳热，手机电池产生的焦耳热应为，故C错误；D．充电宝输出的电能一部分转化为手机电池储存的化学能，一部分转化为手机电池产生的焦耳热，故根据能量守恒定律可知手机电池储存的化学能为：，故D正确。故选D。4．如图所示，电表均为理想电表，两灯泡的电阻均为2r，r为电源内阻的大小，闭合开关S，此时两灯泡正常发光。将滑动变阻器滑片向下滑动，电压表、示数变化量的绝对值分别为、，电流表A示数变化量的绝对值为，则（　　）A．灯泡变亮，灯泡变暗B．、的示数增大C．电源的输出功率减小，效率增大D．与的比值大于与的比值【答案】C【解析】电路可简化为如图所示电路A．将滑片向下滑动，电路中的总电阻增大，总电流减小，通过两串联灯泡的电流始终一样且减小，两灯泡逐渐变暗，故A错误；B．电压表V2测量的是路端电压，电压表V1测量的是灯泡L1两端的电压，因为总电流减小，所以V1的示数减小，V2的示数增大，故B错误；C．当外电路电阻越接近电源内阻时，电源输出功率越大，滑动变阻器滑片向下滑动，外电阻与电源内阻相差越来越大，电源输出功率变小，电源的效率由于外电阻增大，则效率增大，故C正确；D．根据闭合电路欧姆定律可知，则ΔU2与ΔI的比值小于ΔU1与ΔI的比值，故D错误。故选C。5．如图所示的图像中，直线为某电源的路端电压与电流的关系，直线Ⅱ为某一电阻的伏安特性曲线，用该电源直接与电阻连接成闭合电路，由图像可知（　　）A．的阻值为 B．电源内阻为C．电阻功率为 D．电源内阻消耗功率为【答案】C【解析】A．由图象Ⅱ可知，外电阻故A错误；B．根据，由图象I可知，电源电动势短路电流电源内阻故B错误；C．由两图象的交点坐标，可得电源的路端电压为，干路电流为，电阻功率故C正确；D．由两图象的交点坐标，流过电阻的电流为，电源内部消耗的功率为故D错误。故选C。6．在如图所示的电路中，两只电表均为理想电表，已知电源的内阻，定值电阻闭合开关、断开开关时，定值电阻、消耗的总电功率为；同时闭合开关和时，定值电阻消耗的电功率为，且。则（　　）A．开关闭合与断开时，电压表的示数相等B．定值电阻、的大小可能为、C．定值电阻、的大小可能为、D．开关断开与闭合时，电压表示数的变化量大小与电流表示数的变化量大小的比值与定值电阻、有关【答案】C【解析】A．根据开关断开时，电压表的示数开关闭合时，电压表的示数由可得A错误；BC．由则将、代入方程成立，而将、代入方程不成立， B错误C正确；D．根据闭合电路欧姆定律得则电压表示数的变化量大小与电流表示数的变化量大小的比值为与定值电阻、无关，D错误。故选C。7．如图甲所示的电路中，定值电阻。可变电阻的功率随自身阻值变化的函数关系如图乙所示，由此可知（　　）A．电源电动势B．内阻C．增大，电源效率增大D．增大，电源效率可能增大，也可能减小【答案】C【解析】AB．将定值电阻与电源看成新的电源，当新的电源内阻与可变电阻的阻值相等时，可变电阻的功率最大，新的电源的输出功率最大，则有解得由功率的定义可知，此时流过可变电阻的电流为其两端电压为干路电流为根据闭合电路欧姆定律有AB错误；CD．电源效率，增大，路端电压增大，电源效率增大，C正确，D错误。故选C。8．在如图所示的电路中，、为定值电阻，V与A均为理想电表。闭合开关S，使滑动变阻器的滑片向右滑动，则下列说法正确的是（       ）A．电压表示数变大B．电流表示数变大C．滑动变阻器消耗的功率变大D．电池的输出功率变大【答案】B【解析】A.画出电路图，如图所示使滑动变阻器的滑片向右滑动，外电路的总电阻变小，电路的总电流变大，路端电压变小，即电压表示数变小，故A错误；B．电阻两端的电压变小，通过电阻的电流变小，而总电流变大，所以电流表示数变大，故B正确；CD．由于不知道电池内阻、定值电阻的阻值以及滑动变阻器的最大阻值，所以滑动变阻器消耗的功率变化无法判断，电池的输出功率变化无法判断，故CD错误。故选B。题组B 能力提升练9．（多选）交警使用的某型号酒精测试仪工作原理如图所示，传感器电阻R的电阻值随酒精气体浓度的增大而减小，电源的电动势为E，内阻为r，电路中的电表均为理想电表。当一位酒驾驾驶员对着测试仪吹气时，下列说法中正确的是（　　）A．电压表的示数变大，电流表的示数变小B．电压表的示数变小，电流表的示数变大C．酒精气体浓度越大，电源的输出功率越大D．电压表示数变化量与电流表示数变化量的绝对值之比保持不变【答案】BD【解析】AB．由于传感器电阻R的电阻值随酒精气体浓度的增大而减小，而酒驾驾驶员吹气时，酒精气体浓度变大，R变小，由闭合电路的欧姆定律可知I＝U＝E－I（R0＋r）可知电流表示数变大，电压表示数变小，故A错误，B正确；C．电源的输出功率与外电阻R外的关系图像如图所示由图可知，当R外＝r时电源的输出功率最大，而酒精气体浓度增大导致R＋R0减小，若开始时R＋R0>r则随着R减小，电源的输出功率增大，若开始时R＋R0