第二章 专题强化9 闭合电路的功率 故障分析（配套课件PPT）-【步步高】2025-2026学年高二物理必修第三册学习笔记（教科版）

该高中物理课件聚焦闭合电路的功率计算与电路故障分析，通过回顾部分电路欧姆定律引入总功率、热功率、输出功率的概念及公式，构建从基础公式到图像分析再到故障诊断的学习支架。 其亮点在于运用表格对比功率公式，结合U-I图像分析输出功率变化规律，通过等效电源法解决滑动变阻器功率最大值问题，培养学生的物理观念和科学思维。例如“拓展1”中通过等效内阻分析滑动变阻器功率，帮助学生深化理解，教师可借助专题强化练提升教学效率。

第 二 章 闭合电路的功率　故障分析 专题强化9 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 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 项目 电源的总功率P总 电源的热功率P热 电源的输出功率P出 普遍适用的表达式 P总=EI P热=I2r P出=U外I 纯电阻电路中的表达式 P总==I2(R+r) P热=I2r P出=I2R= 联系 P总=P热+P出 　如图所示，电路中电源电动势为E，内阻为r，滑动变阻器阻值为R，闭合开关S。 (1)当满足什么条件时，电源的输出功率P出最大？P出最大值为多少？ 例1 答案　R=r　　 电源的输出功率 P出=I2R=()2·R=， 当R=r时，电源的输出功率最大，Pm=。 (2)当电源的输出功率最大时，电源的效率η也是最大吗？为什么？ 答案　见解析 不是，对于纯电阻电路，电源的效率η=×100%=×100%=×100% R越大，效率η越高，当R=r时，即电源有最大的输出功率，效率仅为50%。 拓展1　如图所示，电路中E=4 V，r=2 Ω，定值电阻R0=0.5 Ω，滑动变阻器阻值R的调节范围为0~10 Ω，当滑片从最右端滑至最左端过程中。 (1)当R=　　，定值电阻R0消耗的功率最大；  0 R0是定值电阻，由P0=I2R0知， 当I最大时，P0最大 根据闭合电路的欧姆定律知，I=，故当R=0时，I最大，定值电阻R0消耗的功率最大。 (2)当R=　　　　，电源的输出功率P出最大，最大输出功率Pm为　　　　。  1.5 Ω 电路的外电阻R外=R+R0，电源的输出功率P出=I2R外=()2·R外= 当R外=r时，即当R+R0=2 Ω时，P出最大， 解得R=1.5 Ω，最大输出功率Pm==2 W。 2 W (3)当R=　　　　，滑动变阻器消耗的功率PR最大，滑动变阻器消耗的最大功率Pm'为　　　　。  2.5 Ω 滑动变阻器是可变电阻，将R0和电源等效为一新电源，则新电源内阻为 R0+r。滑动变阻器消耗的功率PR=I2R=()2·R= 当R=R0+r=2.5 Ω时，PR最大， 滑动变阻器消耗的最大功率 Pm'==1.6 W。 1.6 W 拓展2　若拓展1中定值电阻R0=4 Ω，其他条件不变，当滑动变阻器的滑片从最右端滑至最左端过程中，当R=　　，电源的输出功率最大，最大输出功率Pm为　　　　(结果保留3位有效数字)。  0 电源的输出功率P出=I2R外=，又R外=R+R0>r，故当R=0时，P出最大，Pm=()2·R0=()2×4 W≈1.78 W。 1.78 W 　　　(2024·成都市七中万达学校高二期中)如图甲为手控可调节亮度的台灯，其内部电路可简化为如图乙所示的电路图。通过调节图乙所示电位器R0接入电路的阻值，即可调节电源的输出功率。若电源电动势E= 10 V，内阻r=2 Ω，灯泡电阻RL=8 Ω(固定不变)，调节电位器R0即可改变台灯亮度，电位器R0可在0~30 Ω之间调节，则 A.电源的最大输出功率为8 W B.灯泡L消耗的最大功率为2.5 W C.电位器R0能获得的最大功率为8 W D.当R0=10 Ω时，电源的输出功率最大 针对训练 √ 由题可知，当电位器的阻值为零时，有电源的最大输出功率P电源=EI-I2r，I=，解得P电源=8 W，故A正确，D错误； 由题可知，当电位器的阻值为零时，电路中的电流最大，故此时灯泡消耗的功率最大为PL=()2RL=8 W，B错误； 根据题意，把灯泡电阻等效为电源内阻的一部分，由此可知，当I= 时，电位器的功率最大，电位器的功率为P=EI-I2(RL+r)=2.5 W，C错误。 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。 总结提升 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。 　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？ 例2 答案　4 W　 从图线A可读出，电源的电动势E=3 V， 内阻r== Ω=0.5 Ω 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 W 故电源的效率为η=×100%=×100%≈66.7%。 1.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)。 总结提升 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)(2024·四川省仪陇马鞍中学高二月考)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变化的图像画在同一坐标系中，如图中的a、b、c所示。以下判断正确的是 A.在a、b、c三条图线上分别取横坐标相同的A、B、 　C三点，这三点的纵坐标一定满足关系PA=PB+PC B.b、c图线的交点与a、b图线的交点的横坐标之比 　一定为1∶2，纵坐标之比一定为1∶4 C.电源的最大输出功率Pm=9 W D.电源的电动势E=3 V，内电阻r=1 Ω 例3 √ √ √ 在a、b、c三条图线上分别取横坐标相同的A、B、C三点，因为直流电源的总功率PE等于输出功率PR和电源内部的发热功率Pr的和，所以这三点的纵坐标一定满足关系PA=PB+PC，故A正确； 当I=3 A时，PR=0，说明外电路短路，根据PE=EI知电源的电动势E=3 V，内阻r== Ω=1 Ω，故D正确； 电源的输出功率P=()2R=，当R=r时电源输出功率最大，Pm== W=2.25 W，故C错误； 当内阻和外电阻相等时，电源输出的功率最大，此时即为b、c线的交点的电流，此时电流的大小为I=，电源输出的最大功率为Pm=，a、b线的交点表示电源的总功率PE和电源内部的发热功率Pr值相等，此时只有电源的内阻，所以此时的电流的大小为I1=，功率的大小为P1=，所以横坐标之比为1∶2，纵坐标之比为1∶4，故B正确。 返回 < 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。 　 (2024·内江市第六中学高二月考)如图所示，电源电压恒定，闭合开关S后，电路正常工作。过了一会儿，两电表的示数一个变大，另一个变小，则该电路中出现的故障是 A.一定是电阻R断路 B.可能是电阻R短路 C.可能是灯L断路 D.一定是灯L短路 例4 √ 若电阻R断路，电流表示数减小到零，电压表示数变大，则故障有可能是电阻R断路，而不是一定电阻R断路，A错误； 若电阻R短路，电流表示数变大，电压表示数减小到零，B正确； 若灯L断路，两电表示数都为零，C错误； 若灯L短路，两电表示数都变大，D错误。 　如图所示，灯泡A、B都能正常发光，后来由于电路中某个电阻发生断路，致使灯泡A比原来亮一些，B比原来暗一些，则断路的电阻是 A.R1 B.R3 C.R2 D.R4 例5 √ 电阻R1单独在一个支路上，如果R1断路，并联电路的电阻值变大，使灯泡所在的并联电路两端的电压变大，两个灯泡的亮度都变亮，故A不符合题意； 电阻R3与灯泡B是并联的，如果R3断路，此处只有灯泡B一个电阻，根据并联电路总电阻与分电阻的关系，此处电阻相当于增大，所以灯泡B两端电压增大，由P=知功率变大，灯泡B变亮，故B不符合题意； 电阻R2与灯泡A是并联的，如果R2断路，此处只有灯泡A一个电阻，根据并联电路总电阻与分电阻的关系，此处电阻相当于增大，所以灯泡A两端电压增大，灯泡B两端电压降低，由P=知，灯泡A功率变大，亮度变亮，灯泡B功率变小，亮度变暗，故C符合题意； 电阻R4在干路上，如果R4断路，则整个电路没有电流，灯泡都不发光，故D不符合题意。 返回 < 三 > 专题强化练 题号 1 2 3 4 5 6 7 8 答案 B B D ABD A BD D C 题号 9 10 11 答案 BC (1)0　2 W　(2)0　2 W　(3)3 Ω　0.75 W　83.3% BC 对一对 答案 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1.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 基础强化练 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 2.如图所示，图线甲、乙分别为电源和某金属导体的U-I图像，电源的电动势和内阻分别用E、r表示，根据所学知识分析以下选项错误的是 A.电源的电动势E=50 V B.电源的内阻r=8.3 Ω C.当该导体直接与该电源相连时，该导体的电阻 　为20 Ω D.当该导体直接与该电源相连时，电路消耗的总功率为100 W √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 由图像可知电源的电动势E=50 V，内阻r=||= Ω=5 Ω，B错误，A正确； 当该导体直接与该电源相连时，两图线交点纵坐标表示路端电压，也是该导体两端的电压，为U=40 V，I=2 A，则R==20 Ω 此时，电路消耗的总功率P总=EI=50×2 W=100 W，C、D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 3.(2024·成都市高二期中)如图所示，定值电阻R0=2 Ω，滑动变阻器R1的最大阻值为30 Ω，电源电动势E=40 V，电源内阻r=10 Ω，以下说法中正确的是 A.当R1=8 Ω时，电源的效率最大 B.当R1=8 Ω时，R0的功率最大 C.当电源输出功率为P=30 W时，R1一定为28 Ω D.当R1=12 Ω时，滑动变阻器R1的功率最大 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 电源的输出效率为η===，可知R1越大，效率η越大， 故当R1=30 Ω时，电源的效率最大，故A错误； R0的功率为P0=I2R0=R0，可知R1=0时，R0的功率P0最大，故B 错误； 电源的输出功率P出=I2(R0+R1)=(R0+R1)=，可知当R1为28 Ω或R1为 Ω时电源输出功率均为30 W，故C错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 滑动变阻器R1的功率P1=I2R1=，当R1=R0+r=12 Ω时，滑动变阻器R1的功率P1取得最大值，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 4.(多选)在纯电阻电路中，当用一个固定的电源(设E、r是定值)向变化的外电阻供电时，关于电源的输出功率P随外电阻R变化的规律如图所示。则下列判断正确的是 A.当R=r时，电源有最大的输出功率 B.当R=r时，电源的效率η=50% C.电源的输出功率P随外电阻R的增大而增大 D.电源的效率η随外电阻R的增大而增大 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 √ √ 该图像反映了电源的输出功率P随外电阻R变化的规律，由图看出，电源的输出功率随着外电阻的增大先增大后减小，当R=r时，电源有最大的输出功率，故A正确，C错误； 当R=r时，路端电压U=0.5E，电源的效率为η=×100%=50%，故B正确； 电源的效率为η=×100%=×100%=×100%，可知，R增大时， 电源的效率增大，故D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 5.(2024·成都市石室阳安中学高二月考)如图所示电路中，开关S断开时，电压表、电流表均无示数，S闭合时，电流表有示数，电压表无示数，电路中仅有一处故障，下列判断正确的是 A.电阻R3断路 B.电阻R2断路 C.电阻R1断路 D.电阻R2短路 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 开关S断开时，三电阻串联，电流表和电压表均无示数，说明故障为断路，而电压表没有示数，说明R1或者R3断路，由于电路中仅有一处故障，S闭合时，电流表有示数，说明电阻R1正常，电压表没有接入电路，故没有示数，故电阻R1正常，电阻R3断路。故选A。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 6.(多选)(2024·宜宾市叙州区第二中学开学考试)某同学将一玩具车的太阳能电池板取下，并通过测量多组电池板的路端电压U及流过其电流I的数据描绘了电池板的U-I图像，如图甲所示，图像的横、纵截距分别为I0和U0。现将该电池板与一定值电阻相连组成如图乙所示的电路，电压表和电流表的示数分别为U1和I1，两电表均为理想电表， 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 能力综合练 下列说法正确的是 A.该电池板的内阻恒为 B.该电池板内阻消耗的功率为(U0-U1)I1 C.该电池板的输出功率为U0I1 D.该电池板的效率为 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 √ U-I图像的斜率表示内阻，该电池板的U-I图像为曲线，故内阻是变化的，A错误； 该电池板内阻消耗的功率为P=U内I1=(U0-U1)I1，B正确； 该电池板的输出功率为P出=U外I1=U1I1，C错误； 该电池板的效率为η==，D正确。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 7.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 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 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。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 8.(2024·巴中市高二期末)如图甲所示，不计电表内阻对电路的影响，改变滑动变阻器的滑片位置，测得电压表V1、V2、V3分别随电流表A的示数变化规律如图乙所示。下列判断正确的是 A.图乙中Ⅱ图表示电压表V1示数随电流表 　示数变化规律 B.图乙中Ⅱ图表示电压表V2示数随电流表 　示数变化规律 C.当R=R0+r时，滑动变阻器R消耗的电功率最大 D.当R+r=R0时，定值电阻R0消耗的电功率最大 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 根据U-I图像可知，Ⅲ图的电压随电流的关系是增函数，描述的部分电路的欧姆定律U=IR，则一定是V2示数随电流表示数变化规律；而Ⅱ图和Ⅰ图反映U-I图像为递减函数，即U=E-Ir，图像的斜率表示内阻，而Ⅱ图的斜率更大，即Ⅱ图是电压表V3示数随电流表示数变化规律，斜率表示等效内阻为r效=R0+r，Ⅰ图的斜率较小，即Ⅰ图是电压表V1示数随电流表示数变化规律，斜率表示电源内阻r，故A、B错误； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 滑动变阻器R的功率为P=R 则当R=r效=R0+r时，滑动变阻器R消耗的电功率达最大，故C正确； 定值电阻R0消耗的电功率为P=I2R0，则当电流I最大时，其功率达到最大，即电路中的总电阻最小，则为R=0时，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 9.(多选)某一电源的路端电压与电流的关系和电阻R1、R2的电压与电流的关系如图所示。用此电源和电阻R1、R2组成电路，R1、R2可以同时接入电路，也可以单独接入电路，下列说法正确的是 A.将R1、R2并联后接到电源两端，电源效率最大 B.将R1、R2串联后接到电源两端，电源效率最大 C.将R1单独接到电源两端，电源输出功率最大 D.将R1、R2串联后接到电源两端，电源输出功率最大 √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 √ 电源效率为 η=×100%=×100%=×100% 可知外电阻越大，电源的效率越高，则将R1、R2串联后接到电源两端，电源效率最大，故A错误，B正确； 电源的输出功率为P出=R外= 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 可知当外电阻等于内阻时，电源的输出功率最大；由电源的U-I图像可知，内阻为 r= Ω=0.5 Ω R1= Ω=0.5 Ω，R2= Ω=1 Ω，可知将R1单独接到电源两端，电源输出功率最大，故C正确，D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 10.(2024·眉山市仁寿县高二期中)在如图所示的电路中，已知电源电动势E=3 V，内阻r=1 Ω，电阻R1=2 Ω，滑动变阻器R的阻值可连续增大。 (1)当R为多大时，R1消耗的功率最大？ 最大功率为多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 答案　0　2 W 根据题意可知，对定值电阻R1，当电路中的电流最大时其消耗的功率最大，由闭合电路欧姆定律可知，当R=0时，电路中电流最大为I1==1 A 最大功率为P1=R1=2 W 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 (2)当R为多大时，电源的输出功率最大？最大功率为多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 答案　0　2 W　 根据题意可知，由于R1>r 外电路电阻随R的增大而增大，电源的输出功率减小，则当R=0时电源的输出功率最大， 最大功率为P出=I2R1=R1=2 W (3)当R为多大时，R消耗的功率最大？最大功率为多少？此时电源的效率为多少？ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 答案　3 Ω　0.75 W　83.3% 把R1视为内电路的一部分，则当R=R1+r=3 Ω时，R消耗的功率最大，最大功率为PR==0.75 W 此时电源的效率为η==≈83.3%。 尖子生选练 11.(多选)(2024·四川省古蔺县金兰中学高二期末)如图(a)，电源的电动势E=4 V，电表均为理想电表。闭合开关S，让滑动变阻器的滑片C从B端向左滑动的过程中，电路中的一些物理量的变化规律如图(b)、(c)、(d)所示，其中，U、I分别是电压表、电流表的示数，R是滑动变阻器AC间 的电阻，P出是电源的输出功率，η是电源的效率。则 A.电源的内阻为3 Ω B.滑动变阻器最大阻值为4 Ω C.(b)图c点的坐标为(3.2 V，2.56 W) D.(c)图a点的坐标(0.8 A，2 V) √ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 √ 由题图(b)可知，电源的最大输出功率为4 W，即Pmax==4 W，解得r= 1 Ω，故A错误； 电源效率最高时，滑动变阻器接入电路的阻值最大，由(d)图知电源的最大效率为η=80 %，即η=×100 %=×100 %，解得R=4 Ω，即滑动变阻器最大阻值为4 Ω，故B正确； 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 返回 (b)图c点表明滑动变阻器达到了最大值，即R=4 Ω，U=E=3.2 V，干路电流I==0.8 A，输出功率P出=UI=3.2×0.8 W=2.56 W，故(b)图c点的坐标为(3.2 V，2.56 W)，故C正确； (c)图a点：R=4 Ω，I=0.8 A，根据闭合电路欧姆定律可知U=E-Ir=4 V-0.8×1 V=3.2 V，a点的坐标为(0.8 A，3.2 V)，故D错误。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 答案 11 第 二 章 本课结束 $