第二章 专题强化8　闭合电路的功率　故障分析--教科版高中物理必修第三册同步课件+讲义+专练（新教材）

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DIERZHANG第二章专题强化8　闭合电路的功率　故障分析 1.会计算闭合电路的功率和效率，理解电源输出功率随外电阻变化的图像。2.结合闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律分析电路故障。学习目标 学习目标内容索引一、闭合电路的功率二、电路故障分析专题强化练一闭合电路的功率如图所示，电路中电源的电动势为E、内阻为r，R为滑动变阻器，R0为定值电阻。闭合开关S，则：(1)当满足什么条件时，定值电阻R0上消耗的功率最大？最大为多少？讨论交流答案　定值电阻R0上消耗的功率可以表示为：P＝I2R0，因为R0不变，当电流最大时功率最大，此时应有电路中电阻最小，即当R＝0时，R0上消耗的功率最大为：(2)当满足什么条件时，电源的输出功率最大？最大为多少？(3)当电源的输出功率最大时，电源的效率也是最大吗？为什么？　如图所示，电路中E＝3 V，r＝0.5 Ω，定值电阻R0＝1.5 Ω，滑动变阻器的最大阻值为10 Ω。(1)滑动变阻器接入电路的阻值R为多大时，定值电阻R0上消耗的功率最大？最大为多大？答案　见解析根据公式P＝I2R0，当电流最大时，定值电阻R0上消耗的功率最大，根据闭合电路欧姆定律，有所以当R＝0时，电流最大，定值电阻R0上消耗的功率最大，此时I＝1.5 A，最大消耗功率P1＝I2R0＝3.375 W。(2)滑动变阻器接入电路的阻值R为多大时，电源的输出功率最大？最大为多大？答案　见解析当外电阻的阻值越接近电源内阻时，电源的输出功率越大，所以当R＝0时，电源的输出功率最大，电源的最大输出功率为P2＝U′I′＝2.25×1.5 W＝3.375 W。(3)滑动变阻器接入电路的阻值R为多大时，滑动变阻器上消耗的功率最大？最大为多大？答案　见解析将电阻R0和电源看作等效电源，则滑动变阻器上消耗的功率相当于等效电源的输出功率。当R＝R0＋r＝2 Ω时，等效电源的输出功率最大，即滑动变阻器上消耗的功率最大，此时滑动变阻器两端的电压U＝1.5 V，功率最大值的求解方法1.对定值电阻来说，其电流最大时功率也最大。2.电源的输出功率在外电阻等于内阻时最大，若不能相等，外电阻越接近内阻，电源的输出功率越大。3.如图，求解滑动变阻器R2消耗的最大功率时，可把定值电阻R1等效为电源内阻的一部分，则R2＝R1＋r时，R2上消耗的功率最大。 　(多选)(2022·绥化市第一中学高二期末)如图所示，电动势为E、内阻为r的电池与定值电阻R0、滑动变阻器R串联，已知R0＝r，滑动变阻器的最大阻值是3r。当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时，下列说法中正确的是A.路端电压变大B.电源的输出功率先变大后变小C.滑动变阻器消耗的功率变小D.定值电阻R0上消耗的功率变小√√当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时，其接入电路的电阻变大，回路总电阻变大，干路电流变小，由P0＝I2R0可知，定值电阻R0上消耗的功率变小，D正确；路端电压为U＝E－Ir，故路端电压变大，A正确；由题意可知，外电路的总电阻由r变为4r，如图为电源输出功率随外电阻的变化曲线，由图可知，电源的输出功率逐渐变小，B错误；分析滑动变阻器消耗的功率时，把定值电阻R0看成电源内阻，故电源等效内阻为2r，等效外电阻由0变为3r的过程，参考B解析可知，滑动变阻器消耗的功率(等效电源的输出功率)先变大后变小，C错误。　如图所示，线段A为某电源的U－I图线，线段B为某电阻R的U－I图线，由上述电源和电阻组成闭合电路时，求：(1)电源的输出功率P出是多大？答案　4 W从图线A可读出，电源的电动势E＝3 V，从图像的交点可读出：路端电压U＝2 V，电路电流I＝2 A，则电源的输出功率为P出＝UI＝2×2 W＝4 W。(2)电源内部损耗的电功率P内是多少？答案　2 W电源内部损耗的电功率P内＝I2r＝22×0.5 W＝2 W(3)电源的效率η是多大？答案　66.7%电源的总功率为P总＝IE＝2×3 W＝6 W1.稳定电路的U－I图像有两种：一是电源的U－I图像(如图中a)；二是用电器的U－I图像，而用电器的U－I图像又分两类：线性(图中b)和非线性(图中c)。2.两种图像的交点坐标表示该用电器单独与电源串联的工作电流和路端电压(也是用电器两端的电压)。如图，电源的输出功率分别为Pb＝U1I1，Pc＝U2I2。　(多选)(2022·乌鲁木齐市八一中学高二期末)某同学将一直流电源的总功率PE、输出功率PR和电源内部的发热功率Pr随电流I变化的图线画在了同一坐标系上，如图中的a、b、c所示，以下判断正确的是A.直线a表示电源的PE－I图线B.曲线c表示电源的PR－I图线C.电源的电动势E＝4 V，内阻r＝2 ΩD.电源的最大输出功率Pmax＝2 W√√√电源的总功率的计算公式PE＝EI∝I，故图线是直线，故A正确；电源内部的发热功率Pr＝I2r，应为开口向上的曲线，故c表示Pr－I图线，故B错误；输出功率PR＝PE－Pr＝EI－I2r＝4I－2I2＝－2(I－1)2＋2，当I＝1 A时，输出功率最大，为2 W，故D正确。二电路故障分析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。　如图所示，闭合开关S，灯泡L1、L2都正常发光，某时刻由于电路故障两灯突然熄灭。若故障只有一处，则下列说法正确的是A.如果将电压表并联在cd两端有示数，说明cd间完好B.如果将电压表并联在ac两端示数为0，说明ac间断路C.如果将电流表并联在ac两端示数为0，说明cd间完好D.如果将电压表并联在ad两端有示数，并联在ac两端示数为0，说明cd间 断路√电路故障分为断路和短路，故障只有一处，假设发生了短路，如果是某盏灯短路，该灯熄灭，而另一盏灯应该变亮，如果是两盏灯以外的元件短路，则两盏灯均变亮，故假设不成立，电路故障应为断路。电压表并联在cd两端有示数，说明cd间发生了断路，故A错误；电压表并联在ac两端示数为0，说明ac部分以外的电路发生了断路，而ac间电路完好，无法说明cd间情况，故B、C错误；电压表并联在ad两端有示数，说明ad间发生了断路，并联在ac两端示数为0，说明ac部分以外的电路发生了断路，故综合以上两点，应是cd间断路，故D正确。 (多选)(2022·宁乡市教研中心高二期末)如图所示的电路中，闭合开关S，灯L1、L2正常发光。由于电路突然出现故障，发现L1变亮，L2变暗，分析电路特点，若只有某一个元件发生故障，下列情况可能的是A.R1短路 B.R2短路C.R1断路 D.R2断路√√将电路进行简化，可知R1与灯L1并联，R2、R3串联后与L2并联，如图所示。若R1短路，则总电阻减小，总电流增大，路端电压减小。而L2部分电阻不变，其两端的电压增大，故L1被短路，即L1熄灭，L2变亮，与题干矛盾，A错误；若R2短路，则总电阻减小，总电流增大，路端电压减小，而L1部分电阻不变，其两端的电压增大，故L2两端电压减小，即L1变亮，L2变暗，符合题意，B正确；若R1断路，则总电阻增大，总电流减小，路端电压增大，而L2部分电阻不变，其两端的电压减小，故L1两端电压增大，即L1变亮，L2变暗，符合题意，C正确；若R2断路，则总电阻增大，总电流减小，路端电压增大，而L1部分电阻不变，其两端的电压减小，故L2两端电压增大，即L1变暗，L2变亮，与题干矛盾，D错误。三专题强化练1.如图所示的U－I图像中，Ⅰ是电源的路端电压随电流变化的图线，Ⅱ是某电阻两端的电压随电流变化的图线，该电源向该电阻供电时，该电阻消耗的功率和电源的效率分别为A.4 W和33.3% B.2 W和66.7%C.2 W和33.3% D.4 W和66.7%1234567891011基础强化练√122.如图所示，电源的内阻不可忽略，在滑动变阻器R3的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.电源内部的发热功率减小B.电源的总功率增大C.电阻R1的功率增大D.电源的输出功率减小√1234567891011121234567891011滑片向左移动，R3接入电路的阻值减小，电路总电阻减小，总电流I增大，由Pr＝I2r，P＝IE，可知电源内部的发热功率和电源的总功率均增大，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。123.(2023·长沙一中期中)如图所示，直线OAC为某一直流电源的总功率随电流I变化的图线，曲线OBC表示同一直流电源内部的热功率随电流I变化的图线。若A、B点的横坐标均为1 A，那么AB线段表示的功率为A.1 W B.6 WC.2 W D.2.5 W√1234567891011电源的总功率P＝EI，C点表示I＝3 A，P＝9 W，则电源的电动势E＝3 V，由题图知，C点表示外电路短路，电源内部热功率等于电源的总功率，则有P＝I2r，代入解得r＝1 Ω，所以AB段表示的功率为PAB＝EI′－I′2r＝3×1 W－12×1 W＝2 W，故C正确，A、B、D错误。124.(多选)(2022·阳安中学高二开学考试)如图所示，R1为定值电阻，R2为可变电阻，E为电源电动势，r为电源内电阻，且r>R1。以下说法中正确的是A.当R2＋R1＝r时，R2获得最大功率B.当R1＋r＝R2时，R2获得最大功率C.当R2＝0时，R1获得最大功率D.当R2从0逐渐变大时，电源的输出功率变大1234567891011√√121234567891011把R1看作电源内阻的一部分，当R1＋r＝R2时，R2获得最大功率，故B正确，A错误；根据P＝I2R1可知，当R2＝0时，电路中总电流最大，所以此时R1获得最大功率，故C正确；当外电阻等于电源的内阻时，电源的输出功率最大，由于r>R1，外电阻先小于电源内阻，当R2逐渐变大时，电源的输出功率先变大后变小，故D错误。125.(2023·达州高二期末)如图所示，R0、R1为定值电阻，电源电动势为E，内阻为r(rr，所以P出逐渐减小，故A错误；12因为R外逐渐增大，所以电路总电流逐渐减小，则定值电阻R0消耗的功率逐渐减小，故B错误；因为电路总电流减小，即A1示数减小，所以电源内电压减小，路端电压增大，则R1两端电压增大，1234567891011通过R1的电流增大，即A2示数增大，根据并联电路电流关系可知A3示数减小，且A3示数的减少量大于A1示数的减少量，故C错误，D正确。126.如图所示的电路中，闭合开关S后，灯L1、L2都正常发光，后来由于某种故障，灯L2突然变亮(未烧坏)，电压表的读数增大，由此可推断，该故障可能是A.电阻R1断路B.电阻R2短路C.灯L1短路D.电阻R2断路1234567891011√12因为电压表的读数增大，所以路端电压增大，电源的内电压减小，说明总电流减小，则电路的总电阻增大，若电阻R1断路，会导致总电阻增大，总电流减小，灯L2变暗，选项A错误。若电阻R2短路，灯L2将不亮，选项B错误。若灯L1短路，电路的总电阻减小，总电流增大，路端电压减小，电压表的读数减小，不符合题意，选项C错误。若电阻R2断路，电路的总电阻增大，总电流减小，电压表的读数增大，因为总电流减小，所以内电压和灯L1、R1并联部分电压减小，灯L2两端电压增大，灯L2变亮，选项D正确。1234567891011127.(2022·楚雄彝族自治州民族中学高二阶段练习)如图所示，电源电动势为E，内阻为r，三个灯泡A、B、C原来都是正常发光的，电路突然发生了故障，结果灯泡C比原来暗了些，灯泡A和B比原来亮了些，假设三个灯泡灯丝的电阻恒定不变，则电路中出现的故障可能是A.R1短路 B.R1断路C.R2断路 D.R2短路√1234567891011能力综合练121234567891011若R1短路，外电阻减小，干路电流增大，路端电压减小，灯泡C中的电流减小，则通过灯泡A和B的电流增大，灯泡A、B变亮，故A正确；若R1断路，灯泡A、B不会亮，故B错误；若R2断路，外电阻增大，干路电流减小，路端电压增大，灯泡C中的电流增大，则通过灯泡A的电流减小，灯泡A变暗，故C错误；若R2短路，灯泡B不亮，故D错误。128.(2022·双流中学高二阶段练习)将一电源与一电阻箱连接成闭合回路，测得电阻箱所消耗的功率P与电阻箱读数R变化的曲线如图所示，由此可知A.电源最大输出功率可能大于45 WB.电源内阻等于5 ΩC.电源电动势为45 VD.电阻箱接入电路的电阻增大，电阻箱消耗的功率变大，电源的效率升高1234567891011√121234567891011由于题述将一电源与一电阻箱连接成闭合回路，电阻箱所消耗功率P等于电源输出功率。由电阻箱所消耗功率P与电阻箱读数R变化的曲线可知，电阻箱所消耗功率P最大为45 W，所以电源最大输出功率为45 W，故A项错误；由电源输出功率最大的条件可知，电源输出功率最大时，外电路电阻等于电源内阻，所以电源内阻等于5 Ω，故B项正确；121234567891011由电阻箱所消耗功率P最大值为45 W可知，此时电阻箱读数为R＝5 Ω，P＝I2R，解得电流I＝3 A，电源电动势E＝I(R＋r)＝30 V，故C项错误；电阻箱接入电路的电阻增大，由题图可知，当接入电路的电阻小于5 Ω时，随着电阻增大，其电功率增大，当接入电路的电阻大于5 Ω时，随着接入电阻的增大，其电功率减小，故D项错误。129.(多选)(2023·阳信县第二高级中学高二期中)如图所示的电路中，电源电动势E＝6 V、内阻r＝3 Ω，定值电阻R1＝8 Ω、R2＝1 Ω，滑动变阻器R3的调节范围为0～10 Ω，当其滑片从最右端滑至最左端的过程中，下列说法正确的是A.R2消耗的最大功率为4.5 WB.当R3＝8 Ω时R1消耗的功率最大C.随R3的增大，电源的效率逐渐增大D.电源的最大输出功率为3 W1234567891011√√1212345678910111212345678910111210.如图所示，闭合开关后，电路中灯泡A、B均正常发光。忽然灯泡B比原来变暗了些，而灯泡A比原来变亮了些。电路中出现的故障可能是A.R2发生断路B.R3发生断路C.R2、R3同时发生断路D.R1、R3同时发生断路1234567891011√121234567891011假设R2断路，则灯A所在并联支路的总电阻增大，导致外电路总电阻增大，干路电流减小，路端电压U增大，流过R1的电流I1增大，流过灯泡所在并联支路的总电流I2(I2＝I总－I1)减小，灯B两端的电压UB＝I2RB3并减小，B灯变暗，A灯两端的电压UA(UA＝U－UB)增大，A灯变亮，选项A正确；同理分析可得，选项B、C、D错误。1211.(多选)(2022·郏县第一高级中学高二开学考试)某同学用如图甲所示的电路测得理想电压表与理想电流表的读数关系图像如图中直线a所示，同时电路中电源的输出功率与电流表读数的关系图像如图中曲线b表示，则下列说法正确的是A.电源的电动势为50 VB.电源的内阻为 ΩC.电流为2.5 A时，外电路的电阻为15 ΩD.电源输出功率为120 W时，输出电压是30 V√1234567891011√√121234567891011根据闭合电路的欧姆定律，电源的输出电压：U＝E－Ir，对照U－I图像，当I＝0时，U＝E＝50 V，故A正确；121234567891011输出功率为120 W时，对照P－I图像，电流为4 A，由P＝UI得输出电压为U＝30 V，故D正确。12123456789101112.如图所示电路中，电源的电动势E＝110 V，电阻R1＝21 Ω，电动机的内阻R0＝0.5 Ω，开关S1始终闭合，当开关S2断开时，电阻R1消耗的电功率P1＝525 W，当开关S2闭合时，电阻R1消耗的电功率P2＝336 W，求：(1)电源的内阻r；12答案　1 Ω1234567891011电阻R1消耗的功率P1＝I2R1解得r＝1 Ω。121234567891011(2)当开关S2闭合时，电动机输出的机械功率P出。12答案　1 606 W1234567891011设此时电源中通过的电流为I′，由闭合电路的欧姆定律有E＝I′r＋U，得I′＝26 A12电动机的输出功率为P出＝I2U－I22R0解得P出＝1 606 W。