章末强化练(5) 电能与能源的可持续发展（Word练习）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（粤教版2019）

章末强化练(五)　电能与能源的可持续发展 (时间：90分钟　满分：100分) [对应学生用书P199] 一、单项选择题(本题共7小题，每小题4分，共28分．在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的．) 1．关于能源的开发和利用，下列说法正确的是(　　) A．能源是无限的，煤、石油、天然气是足够人们开采的 B．根据能量守恒定律，担心能源枯竭就是杞人忧天 C．能源的开发和利用不必考虑对环境的影响 D．通过核裂变和平利用核能是目前开发新能源的一种途径 D　[能源是有限的，如果无节制地开采，能源终有一日会枯竭，故A、B项均错误；在能源开发、利用过程中必须考虑对环境的影响，故C项错误；通过核裂变和平利用核能是目前开发新能源的一种途径，D项正确．] 2．小芳家正在使用的电器有电灯、洗衣机、电冰箱，小芳从家里的总电能表中测得在时间t内消耗的电能为W.设小芳家的供电电压为U，总电流为I，上述电器的总电阻为R，总功率为P.下列关系式正确的是(　　) A．P＝ B．W＝I2Rt C．I＝ D．P＝ D　[由于洗衣机、电冰箱是非纯电阻用电器，欧姆定律不适用，所以I＝不适用，所以关系式P＝不适用，故A、C错误；公式W＝I2Rt只能用来求电热，不能用来求非纯电阻用电器消耗的电能，故B错误；公式P＝普遍适用，故D正确．] 3．汽车电动机启动时车灯会瞬间变暗，如图所示，在打开车灯的情况下，电动机未启动时电流表读数为10 A，电动机启动时电流表读数为58 A，若电源电动势为12.5 V，内阻为0.05 Ω，电流表内阻不计，则因电动机启动，车灯的电功率降低了(　　) A．35.8 W B．43.2 W C．48.2 W D．76.8 W B　[电动机未启动时，由E＝I1(R＋r)得车灯的电阻为：R＝＝1.2 Ω，车灯消耗的功率为：P1＝IR＝120 W；电动机启动时，路端电压为：U2＝E－I2r＝9.6 V，则车灯消耗的功率为：P2＝＝76.8 W，车灯的电功率降低了ΔP＝P1－P2＝43.2 W，故B项正确．] 4．如图a、b是某类潮汐发电示意图．涨潮时开闸，水由通道进入海湾水库蓄水，待水面升至最高点时关闭闸门(见图a)．当落潮时，开闸放水发电(见图b)．设海湾水库面积为5.0×108 m2，平均潮差为3.0 m，一天涨落潮两次，发电的平均能量转化率为10 %，则一天内发电的平均功率约为(ρ水取1.0×103 kg/m3，g取10 N/kg)(　　) 图a　　　　　　　　图b A．2.6×104 kW B．5.2×104 kW C．2.6×105 kW D．5.2×105 kW B　[利用潮汐发电，就是水的重力势能转化为电能，水能转化电能的效率是10 %，一次涨潮，退潮后水坝内水的势能增加：W水＝GΔh＝mgΔh＝ρ水 VgΔh＝ρ水ShgΔh，Δh为水的重心下降的高度，即：Δh＝ m，则水的势能可转变为电能：W电＝W水×10 %＝1.0×103 kg/m3×5.0×108 m2×3.0 m×10 N/kg×1.5 m×0.1＝2.25×1012 J．每天两次涨潮，则该发电站一天能发电4.5×1012 J，所以每天的平均功率为P＝≈5.2×104 kW，故B正确．] 5．如图所示电路中，定值电阻R2＝r(r为电源内阻)，滑动变阻器的最大阻值为R1，且R1>R2＋r.在滑动变阻器的滑片P由左端a向右滑动的过程中，以下说法正确的是(　　) A．电源的输出功率变小 B．R2消耗的功率先变大后变小 C．滑动变阻器消耗的功率先变大后变小 D．以上说法都不对 C　[滑片向右移动，滑动变阻器接入电路部分电阻变小，电路中的电流变大，电源内阻和电阻R2都是定值电阻，所以消耗的功率变大，故B项错误；在滑动的过程中内阻始终小于外电阻，所以电源的输出功率增大，故A项错误；考虑滑动变阻器上的功率消耗时可以把R2看成电源的一部分，当滑动变阻器的阻值等于2r时，消耗的功率最大，当滑动变阻器阻值小于2r时，消耗的功率变小，故C项正确．] 6．如图所示的电路中，两平行金属板之间的带电液滴处于静止状态，电流表和电压表均为理想电表，由于某种原因灯泡L的灯丝突然烧断，其余用电器均不会损坏，则下列说法正确的是(　　) A．电流表、电压表的读数均变小 B．电源内阻消耗的功率变大 C．液滴将向上运动 D．电源的输出功率变大 C　[当L的灯丝突然烧断可知电路中总电阻增大，则总电流减小，电源的内电压和R1两端的电压减小，由两端闭合电路的欧姆定律可知，路端电压增大，故电容器C两端的电压增大，板间场强增大，带电液滴所受的电场力增大，则该液滴将向上运动，故C项正确；由于C两端的电压增大，R2、R3中的电流增大，则电流表、电压表的读数均变大，故A项错误；因干路电流减小，则电源内阻消耗的功率变小，故B项错误；由于电源的内外电阻的关系未知，不能判断电源的输出功率如何变化，故D项错误．] 7．如图所示，图线AB是某电源的路端电压随电流变化的关系图线，OM是固定电阻R两端的电压随电流变化的图线，由图可知(　　) A．该电源的电动势为6 V，内阻是2 Ω B．固定电阻R的阻值为1 Ω C．该电源的最大输出功率为9 W D．当该电源只向电阻R供电时，其效率约为33.3% C　[由图线AB可知电源的电动势E＝6 V，短路电流为I短＝6 A，则r＝＝1 Ω，故A项错误；由图线OM可知，R＝＝2 Ω，故B项错误；当外电路电阻等于内阻时，电源的输出功率最大，所以该电源的最大输出功率P＝＝9 W，故C项正确；当该电源只向电阻R供电时，电源效率η＝＝×100%≈66.7%，故D项错误．] 二、多项选择题(本题共3小题，每小题6分，共18分．在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求，全部选对得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分．) 8．用标有“6 V　3 W”的灯泡L1、“6 V　6 W”的灯泡L2与理想电压表和理想电流表连接成如图甲所示的实验电路，其中电源电动势E＝9 V．图乙是通过两个灯泡的电流随两端电压变化的曲线．当其中一个灯泡正常发光时(　　) 甲　　　　　　　　　　乙 A．电流表的示数为0.5 A B．电压表的示数为6 V C．电路输出功率为4 W D．电源内阻为1 Ω AC　[因为两个灯泡串联，所以通过两灯泡的电流相等，L1的额定电流为I1＝＝0.5 A，L2的额定电流为I2＝＝1 A，电路中电流为0.5 A，所以只有L1正常发光，故A项正确；从图像中可以看出，电流为0.5 A时，L1两端电压为6 V，L2两端电压为2 V，所以电压表示数为2 V，故B项错误；电路中输出功率为P＝UI＝(2 V＋6 V)×0.5 A＝4 W，故C项正确；电源内阻r＝＝2 Ω，故D项错误．] 9．如图所示，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为一个电阻R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(　　) 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电源上时电阻的发热功率较大，电源效率也较高 AC　[由图像可知，电源a给电阻R供电时，R两端的电压大，通过R的电流大．由P出＝IU知，R接到a电源上，电源的输出功率大．因为电源的效率η＝＝＝，而ra>rb，所以电源a的效率低，选项A、C正确．] 10．小明同学尝试用图甲所示的电路图进行实验，定值电阻R1＝8 Ω，在滑动变阻器由a端向b端移动的过程中，分别用两个电流传感器测量了电流I1与I2关系，并得到完整图像如图乙所示，其中C点为图线最低点，则由图可知(　　) 甲　　　　　　　　乙 A．当滑动头P滑到b点时得到图乙中B点 B．图乙中A点纵坐标为0.375 A C．滑动变阻器总阻值为16 Ω D．电源电动势为6 V BD　[滑动头P滑到a点时，R和R1并联；滑动头P滑到b点时，R1被短路，只有电阻R接入电路，由闭合电路欧姆定律知，滑到b点时电流小于滑到a点时的电流，所以滑动头滑到b点时得到图乙中的A点，故A项错误；滑动头滑到b点时，电阻R1被短路，电流表A1和A2示数相等，根据题图乙知I1＝0.375 A，所以I2＝0.375 A，即题图乙中A点纵坐标为0.375 A，故B项正确；根据闭合电路欧姆定律，当滑动头P位于b点时，E＝0.375(R＋r)①，题图乙中的C点，I1＝0.5 A，I2＝0.25 A，并联部分两支路电流相等，根据并联电路的特点，得RPb＝R1＝8 Ω，则并联电阻为R并＝＝4 Ω，设滑动变阻器的最大电阻为R，则有：E＝0.5(r＋R－8＋R并)＝0.5(r＋R－8＋4)②，联立①②得：E＝6 V，r＋R＝16 Ω，故C项错误，D项正确．] 三、非选择题(本题共5小题，共54分．) 11．(7分)如图所示电路中，A为电解槽，N为电炉子，恒定电压U＝12 V，电解槽内阻rA＝2 Ω，当S1闭合、S2断开时，电流表的示数为6 A；当S2闭合、S1断开时，电流表的示数为4 A，求： (1)电炉子的电阻及发热功率各多大？ (2)在电解槽工作时，电能转化为化学能的功率为多少？ 解析　(1)电炉子为纯电阻元件，由欧姆定律I1＝得：R＝＝＝2 Ω，其发热功率为：PR＝UI1＝72 W. (2)电解槽为非纯电阻元件，发热功率为： P热＝IrA＝32 W. 总功率为：P总＝UI2＝48 W. 故电能转化为化学能的功率为： P化＝P总－P热＝16 W. 答案　(1)2 Ω　72 W　(2)16 W 12．(9分)风能是一种环保型能源，目前我国风力发电总装机容量已达2 640 MW，风力发电是将风的动能转化为电能．设空气的密度为ρ，水平风速为v，风力发电机每个叶片的长度为L，风力发电机将风能转化为电能的效率为η. (1)求该风力发电机的发电功率P的表达式． (2)若某地平均水平风速为v＝10 m/s，空气密度ρ＝1.3 kg/m3，所用风力发电机的叶片长度L＝4 m，效率η＝25 %，平均每天发电20 h，则平均每天能获得多少电能？(结果保留三位有效数字) 解析　(1)叶片旋转所形成的圆面积为S＝πL2， t时间内流过该圆面积的空气柱体积为V＝Svt＝πL2vt， 空气柱的质量为m＝pV＝ρπL2vt， 空气柱的动能为 Ek＝mv2＝ρπL2v3t， 转化成的电能为 E＝ηEk＝ηρπL2v3t， 发电功率P＝＝ηρπL2v3. (2)将已知数据代入可求得平均每天获得的电能为 E＝Pt1＝×0.25×1.3×3.14×42×103×20×3 600 J≈5.88×108 J. 答案　(1)P＝ηρπL2v3　(2)5.88×108 J 13．(11分)在如图所示的电路中，两平行正对金属板A、B水平放置，两板间的距离d＝4.0 cm.电源电动势E＝400 V，内电阻r＝20 Ω，电阻R1＝1 980 Ω.闭合开关S，待电路稳定后，将一带正电的小球(可视为质点)从B板上的小孔以初速度v0＝1.0 m/s竖直向上射入两板间，小球恰好能到达A板．若小球所带电荷量q＝1.0×10－7C，质量m＝2.0×10－4 kg，不考虑空气阻力，忽略射入小球对电路的影响，取g＝10 m/s2.求： (1)A、B两金属板间的电压的大小U； (2)滑动变阻器消耗的电功率P； (3)电源的效率η. 解析　(1)小球从B板上的小孔射入恰好到达A板的过程中，在电场力和重力作用下做匀减速直线运动，设A、B两极板间电压为U，根据动能定理有： －qU－mgd＝0－mv， 解得：U＝200 V. (2)设此时滑动变阻器接入电路中的电阻值为R，根据闭合电路欧姆定律可知，电路中的电流I＝， 而U＝IR， 解得：R＝2×103Ω， 滑动变阻器消耗的电功率 P＝＝20 W. (3)电源的效率 η＝＝＝99.5%. 答案　(1)200 V　(2)20 W　(3)99.5% 14．(12分)如图甲所示，用电动势为E、内阻为r的电源，向滑动变阻器R供电，改变变阻器R的阻值，路端电压U与电流I均随之变化． 甲　　　　　　　乙 (1)以U为纵坐标，I为横坐标，在图乙中画出变阻器阻值R变化过程中U­I图像的示意图，并说明U­I图像与两坐标轴交点的物理意义． (2)①请在图乙画好的U­I关系图线上任取一点，画出带网格的图形，以其面积表示此时电源的输出功率； ②请推导该电源对外电路能够输出的最大电功率及条件． (3)请写出电源电动势定义式，并结合能量守恒定律证明：电源电动势在数值上等于内、外电路电势降落之和． 解析　(1)根据闭合电路的欧姆定律可得E＝U＋Ir，解得U＝E－Ir. 画出的U­I图像如图所示； 图线与纵轴交点的U为电源电动势，与横轴交点的I表示短路电流． (2)①如图中网格图形所示； ②电路中的电流为I＝， 输出电功率P＝I2R＝2R＝， 当R＝时，即R＝r时输出功率最大，最大电功率Pm＝. (3)电动势的定义式为E＝， 根据能量守恒，在图甲中，非静电力做的功W产生的电能等于外电路和内电路产生的电热，即W＝I2rt＋I2Rt， 所以EIt＝U内It＋U外It， 解得E＝U内＋U外． 答案　见解析 15．(15分)如图所示电路，电源内阻r＝1 Ω，R1＝2 Ω，R2＝5 Ω，灯L标有“3 V 1.5 W”字样，滑动变阻器最大值为R，当滑片P滑到最右端A时，电流表读数为1 A，此时灯L恰好正常发光，试求： (1)电源电动势E. (2)当滑片P滑到最左端B时，电流表读数． (3)当滑片P位于滑动变阻器的中点时，滑动变阻器上消耗的功率． 解析　(1)当P滑到A时，R2被短路，如图甲所示，由闭合电路欧姆定律得： E＝UL＋I(R1＋r)＝6 V. 甲　　　　　　　　乙 (2)当P滑到B点时，电路如图乙所示，此时电流表的读数为I′＝＝2 A. (3)当滑片P位于滑动变阻器中点时等效电路如图丙所示， 丙 由图丙知R2与右侧被电流表短接， 在图甲所示电路中总电流为I＝1 A， 通过灯L的电流为IL＝＝0.5 A， 通过变阻器R的电流为 IR＝I－IL＝0.5 A， 由并联电路的特点可得R＝RL＝＝6 Ω， 在图丙所示电路中并联部分电路的总电阻为 R并＝＝2 Ω， 并联部分电路的电压为U并＝E＝2.4 V， 滑动变阻器上消耗的功率为 PR＝＝1.92 W. 答案　(1)6 V　(2)2 A　(3)1.92 W 学科网（北京）股份有限公司 $$