第2章 第8节 第9节 第2课时 闭合电路中的能量转化-【优学精讲】2024-2025学年高中物理必修第三册教用Word(鲁科版)

第2课时　闭合电路中的能量转化 知识点一　闭合电路的功率 1．电源的功率和效率 项目 通用表达式 纯电阻电路表达式 总功率 P总＝EI P总＝＝I2(R＋r) 内部功率 P内＝U内I＝I2r P内＝＝ 输出功率 P出＝U外I＝EI－I2r P出＝＝I2R ＝ 2.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)。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)。如图所示，电源的输出功率分别为Pb＝U1I1，Pc＝U2I2。 角度1　纯电阻电路中的功率 　如图 所示的U－I图像中，直线①为某电源的路端电压与电流的关系图线，曲线②为某一电阻R的U－I图线，用该电源直接与电阻R连接成闭合电路。由图像可知(　　) A．此状态下R的阻值为4.0 Ω B．电源电动势为2 V，内阻为1.0 Ω C．电源的输出功率为3.0 W D．电源内部消耗功率为1.0 W [解析]　由图像交点坐标，可得此状态下R的阻值R＝＝ Ω＝2.0 Ω，故A错误；根据U－I图像可得，电源电动势为纵截距等于3 V，根据闭合电路欧姆定律可得U＝E－Ir，解得内阻r＝ Ω＝1 Ω，故B错误；电源的输出功率P＝UI＝2.0×1.0 W＝2.0 W，故C错误；电源内部消耗功率Pr＝I2r＝(1.0)2×1 W＝1.0 W，故D正确。 [答案]　D 角度2　非纯电阻电路中的功率问题 　(2023·重庆江津中学期末)如图所示，电源电动势为9 V，内阻为1 Ω，一个线圈电阻为0.4 Ω 的电动机与“4 V　2 W”的灯泡串联。电动机正常工作，灯泡也正常发光，下列说法正确的是(　　) A．电动机两端的电压为0.2 V B．电路中的电流为1 A C．电动机的输出功率为2.15 W D．电动机的工作效率为89% [解析]　灯泡正常发光，可知电路中的电流I＝＝0.5 A，故B错误；根据闭合电路欧姆定律可得E＝UM＋UL＋Ir，解得电动机两端的电压UM＝E－UL－Ir＝4.5 V，则电动机的输入功率P入＝UMI＝2.25 W，电动机的输出功率P出＝UMI－I2RM＝2.15 W，故电动机的工作效率η＝×100%＝×100%≈95.6%，故A、D错误，C正确。 [答案]　C 知识点二　电源的最大输出功率和效率 1．纯电阻电路中电源的最大输出功率 由P出＝＝可得，电源的输出功率随外电阻的变化关系如图所示。 (1)当R＝r时，Pmax＝。 (2)当R<r时，R↑→P出↑。 (3)当R>r时，R↑→P出↓。 (4)一个P出(最大功率除外)对应两个不同的外电阻R1和R2，且r＝。 2．纯电阻电路中电源的效率 由η＝×100%＝×100%可知，外电阻R越大，电源的效率越高。 当R＝r(电源有最大输出功率)时，效率仅为50%。 3．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)如图所示，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。 角度1　电阻消耗的最大功率的分析 　如图所示，已知电源电动势为6 V，内阻为1 Ω，保护电阻R0＝0.5 Ω。 (1)当电阻箱R读数为多少时，保护电阻R0消耗的电功率最大，并求这个最大值。 (2)当电阻箱R读数为多少时，电阻箱R消耗的功率PR最大，并求这个最大值。 [解析]　(1)保护电阻消耗的功率P0＝，因R0和r是常量，而R是变量，所以R最小时，P0最大，即R＝0时，P0max＝＝ W＝8 W。 (2)把R0＝0.5 Ω当作电源内阻的一部分，当R＝R0＋r即R＝(1＋0.5) Ω＝1.5 Ω时，电阻箱R消耗的功率最大，则PRmax＝＝ W＝6 W。 [答案]　(1)0　8 W　(2)1.5 Ω　6 W 角度2　电源的最大输出功率和效率的分析 　(多选)(2024·福建华安一中校考)如图所示的是某电源的路端电压与电流的关系图像，下列结论正确的是(　　) A．电源的电动势为6.0 V B．电源的内阻为12 Ω C．当外电阻为12 Ω时，电源的输出功率最大 D．电流为0.4 A时的外电阻是13 Ω [解析]　由闭合电路欧姆定律U＝E－Ir，可知，图线与纵轴交点表示电动势，即E＝6.0 V，图线斜率的绝对值表示内阻，则r＝＝ Ω＝2 Ω，故A正确，B错误；当外电阻与内电阻相等时，即R＝r＝2 Ω时，电源的输出功率最大，故C错误；电流为0.4 A时，根据闭合电路欧姆定律可得电流I＝代入数据解得R＝13 Ω，故D正确。 [答案]　AD 知识点三　功率和效率的动态分析 　(多选)如图所示的电路中，在滑动变阻器的滑片P向右移动时，电源的(　　) A．总功率一定减小 B．效率一定增大 C．内部损耗功率一定减小 D．输出功率一定先增大后减小 [解析]　滑动变阻器的滑片P向右移动时，滑动变阻器连入电路部分的阻值变大，因而电流减小，由P总＝IE可知电源的总功率减小，A正确；滑动变阻器连入电路部分阻值变大，路端电压变大，由η＝×100%可知电源的效率增大，B正确；电源内部损耗功率P内＝I2r，电流减小，因而内部损耗功率减小，C正确；电源输出功率为外电阻消耗功率，但外电阻与内电阻的大小关系未知，因而不能判断输出功率的变化情况，D错误。 [答案]　ABC 　(2024·福建泉州统考期末)如图所示的电路中，电源内阻r＝1 Ω，R1＝R2＝2 Ω，开关S断开时，理想电压表的示数为2.0 V。现将S闭合，则(　　) A．电压表示数增大 B．通过R1的电流增大 C．电源的效率增大 D．电源的输出功率增大 [解析]　闭合开关S，电阻R1与R2并联，外电路总电阻减小，路端电压降低，电压表的示数减小，流过电阻R1的电流减小，故A、B错误；电源的效率η＝＝＝，可知，外电阻R越大，电源的效率越大，因此闭合开关后，外电阻减小，电源的效率减小，故C错误；当外电阻越接近内电阻时，电源的输出功率越大，当外电阻等于内电阻时，电源的输出功率最大，闭合开关后，外电路的总电阻等于内电阻，因此电源的输出功率增大，故D正确。 [答案]　D 1．(电源的功率) (多选)如图所示，直线A是电源的路端电压和电流的关系图线，直线B、C分别是电阻R1、R2的两端电压与电流的关系图线，若将这两个电阻分别接到该电源上，则(　　) A．R1接在电源上时，电源的效率高 B．R2接在电源上时，电源的效率高 C．R2接在电源上时，电源的输出功率大 D．电源的输出功率一样大 解析：选AC。电源的效率η＝×100%＝×100%＝×100%，当R1与R2分别接到电源上时，UR1>UR2，故R1接在电源上时，电源的效率高，A正确，B错误；由题图可知，R2与电源的内阻相等，R1>R2，所以R2接在电源上时，电源的输出功率大，C正确，D错误。 2．(电源的最大输出功率)(多选)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。下列说法正确的是(　　) 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逐渐变大时，电源的输出功率增大 解析：选BC。把R1看作电源内阻，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；外电阻从零逐渐增大，电源的输出功率的变化关系为先增大再减小，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，当R2从零逐渐变大时，电源的输出功率先增大后减小，故D错误。 3．(电源的功率和效率的动态分析)(多选)如图所示的电路，电源电动势为E，内阻为r，R0为定值内阻，Rt为热敏电阻(温度越高，Rt电阻越小)。闭合开关，在温度逐渐升高的过程中，下列说法正确的是(　　) A．电流表示数增大 B．热敏电阻的功率一定增大 C．电源效率减小 D．电源的输出功率一定增大 解析：选AC。温度升高，Rt电阻减小，则串联电路总电阻减小，由I＝知总电流增大，电流表示数增大，故A正确；总电流增大，R0和内阻上电压增大，则Rt两端电压减小，故无法判断热敏电阻的功率变化，故B错误；总电流增大，由于U外＝E－Ir，则外电路电压减小，由于电源效率η＝，则电源效率减小，故C正确；因不知外阻与内阻大小关系，故无法判断电源输出功率如何变化，故D错误。 学科网（北京）股份有限公司 $