第2章 专题拓展3 闭合电路的功率 故障分析（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（教科版2019）

专题拓展3　闭合电路的功率　故障分析 物理观念 科学探究 科学态度与责任 1.会计算闭合电路的功率和效率，掌握电源的输出功率随外电阻变化的图像。 2．会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。 　　推导得出电源输出功率最大值的条件，并能灵活应用。 　　培养热爱科学，激发努力探索未知的激情。 探究点一___闭合电路中的功率和效率__ 1．闭合电路中的P－I关系 (1)电源总功率：P总＝EI (2)电源内功率：P内＝I2r (3)电源的输出功率：P外＝EI－I2r 2．电源的输出功率P外随外电阻R的变化规律 (1)P＝IU＝I2R＝＝ 可见：当R＝r时，电源输出功率最大 Pm＝。 (2)P外－R图像 ①当R<r时，若R增大，则P外增大；当R>r 时，若R增大，则P外减小 ②当P外<Pm时，每个P外对应两个可能的外电阻，如图中R1、R2所示，根据功率数值相等可以推导出R1·R2＝r2。 3．电源的效率 η＝×100%＝×100%＝×100%＝×100%。 【例1】 (多选)如图所示，直线OC为电源A的总功率随电流I变化的图线，抛物线ODC为该电源内部热功率随电流I变化的图线。若该电源与电阻B串联后，电路中的电流为0.8 A，则下列说法正确的是(　　) A.电阻B的阻值为10 Ω B．电源A的内阻为2 Ω C．电源A与电阻B串联后，路端电压为6.4 V D．电源A与电阻B串联后，电源A内部热功率为1.6 W BC　解析：电源的总功率P＝EI，当I＝4 A时P＝32 W，则电源的电动势E＝8 V，由题图看出，当I＝4 A时，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＝2 Ω，该电源与电阻B串联后，电路中的电流为0.8 A，根据闭合电路欧姆定律得E＝I′(R＋r)，则R＝8 Ω，路端电压U＝I′R＝6.4 V，此时电源内部热功率P＝I′2r＝1.28 W，B、C正确，A、D错误。 【例2】 已知如图，E＝6 V，r＝4 Ω，R1＝2 Ω，R2的变化范围是0～10 Ω。求： (1)电源的最大输出功率________W； (2)R1上消耗的最大功率________W； (3)R2上消耗的最大功率________W。 答案：(1)2.25　(2)2　(3)1.5 解析：(1)R2＝2 Ω时，外电阻等于内电阻，电源输出功率最大为2.25 W； (2)R1是定值电阻，电流越大功率越大，所以R2＝0时R1上消耗的功率最大为2 W; (3)把R1也看成电源的一部分，等效电源的内阻为6 Ω，所以，当R2＝6 Ω时，R2 上消耗的功率最大为1.5 W。 [练1] (多选)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 AD　解析：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。 探究点二___电路故障分析 1．常见故障：断路、短路。 2．常用方法：假设某电路发生断路(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。 【例3】 (多选)如图所示的电路中，闭合开关S，灯L1、L2正常发光。由于电路出现故障，突然发现L1变亮，L2变暗，分析电路特点，若只有某个元件发生的故障，下列情况可能的是(　　) A．R1短路 B．R2短路 C．R1断路 D．R2断路 BC　解析：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L1短路，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部分因电阻不变，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部分因电阻不变，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部分因电阻不变，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。 [练2] (多选)在如图所示的电路中，电源的电动势E和内阻r恒定，闭合开关S后灯泡L能够发光，经过一段时间后灯泡突然变亮，若电路中仅有一处故障，则出现这种现象的原因可能是(　　) A．电阻R1短路 B．电阻R2断路 C．电阻R2短路 D．电容器C断路 AB　解析：若电阻R1短路，电路中总电阻减小，总电流增大；灯泡与R2并联的电压增大，则灯泡变亮，A正确；若电阻R2断路，则总电阻增大，总电流减小，R1及内阻中电压减小，灯泡两端的电压增大，故灯泡变亮，B正确；若电阻R2短路，灯泡被短路，不亮，C错误；电容器C断路，对灯泡亮度没有影响，D错误。 [练3] 如图所示电路中，电源电压为6 V，当合上开关S后，两个标有“3 V 1 W”的灯泡均不发光，用电压表测得Uab＝0，Ubc＝6 V，如果各段导线及接线处均无问题，则可能的故障是(　　) A．灯泡L1被短路了 B．灯泡L1的灯丝断了 C．灯泡L2的灯丝断了 D．滑动变阻器R电阻丝断了 C　解析：闭合开关后，两个小灯泡均不发光，说明电路为断路，电压表测得ab之间的电压为零，说明ab之间无故障，而bc之间的电压为6 V，且等于电源电压，说明此处发生了断路，则有可能是灯泡L2的灯丝断了，C正确，A、B、D错误。 1．(多选)(2023·新郑月考)如图所示直线A为某电源的U－I图线，曲线B为某小灯泡L的U－I图线的一部分，用该电源和小灯泡L串联起来组成闭合回路时灯泡L1恰能正常发光，则下列说法正确的是(　　) A．此电源的内电阻为0.5 Ω B．灯泡L的额定电压为3 V，额定功率为4 W C．由于小灯泡L的U－I图线是一条曲线，所以灯泡发光过程中欧姆定律不适用 D．把灯泡L换成阻值恒为1 Ω的纯电阻，电源的输出功率将变大，效率将变低 AD　解析：由U－I图像的斜率绝对值表示电源的内阻可得r＝＝ Ω＝0.5 Ω，A正确；两图像的交点表示小灯泡与电源相连时的工作状态，由于小灯泡L恰能正常发光，则知小灯泡的额定电压为3 V，额定电流为2 A，则额定功率为P＝UI＝3×2 W＝6 W，B错误；小灯泡L的U－I图线是一条曲线，是因为小灯泡的电阻随温度变化而变化，但小灯泡是纯电阻元件，所以灯泡发光时欧姆定律适用，C错误；小灯泡正常工作时的电阻为RL＝＝ Ω＝1.5 Ω，把灯泡L换成阻值恒为1 Ω的纯电阻，此电阻接近电源的内阻，由电源的内外电阻相等时电源的输出功率最大可知，此时电源的输出功率将变大；由电源的效率η＝＝＝＝可知，外电路电阻越大，电源效率越高，因此将灯泡换成阻值为1 Ω的纯电阻，效率将变低，D正确。 2．(2023·历城开学考)如图所示电路，电源电压保持不变，闭合开关，电流表和电压表都有示数。如果某时刻电路出现故障，两表的示数都变大了，那么故障可能是(　　) A．电阻R1短路 B．电阻R1断路 C．电阻R2短路 D．电阻R2断路 C　解析：如果R1短路，回路中的总电阻减小，电流增大，电流表示数增大，但电压表示数变为零，A不符合题意；R1和R2其中任何一个断路，电流表的示数都会变为零，BD不符合题意；如果电阻R2短路，回路中的总电阻减小，电流增大，电流表示数增大，由U＝IR可知，电压表示数也增大，C符合题意。 3．(2023·新郑月考)交警使用的某型号酒精测试仪如图甲，其工作原理如图乙所示，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。测试仪可根据电压表读数变化判断驾驶员饮酒情况。当一位酒驾驾驶员对着测试仪吹气时，下列说法正确的是(　　) A．电压表的示数变大，电流表的示数变小 B．酒精气体浓度越大，电源的输出功率越大 C．适当增大R0的电阻值，则同等酒精气体浓度下吹气前后电压表示数变化会更大 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 D　解析：当酒驾驾驶员对着测试仪吹气时，传感器电阻R的阻值变小，由闭合电路欧姆定律得I＝，可知电路中电流I变大，即电流表的示数变大。R两端的电压U＝E－I(R0＋r)，可知电压表的示数变小，A错误；电源的输出功率为P＝I2(R＋R0)＝()2(R＋R0)，根据题意无法分析出R0＋R与r的具体关系，所以无法确定酒精气体浓度越大时，电源的输出功率如何变化，B错误；由闭合电路欧姆定律可得I＝，可知R0越大，则同等酒精气体浓度下吹气前后电流的变化越小，由U＝E－I(r＋R0)可知电压表示数变化会越小，C错误；由闭合电路欧姆定律得U＝E－I(R0＋r)，可知＝R0＋r，则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，D正确。 [课时梯级训练(20)见P174] 学科网（北京）股份有限公司 $$