專題21-電學(xué)基本規(guī)律的應(yīng)用(原卷版)

2020屆高考物理一輪復(fù)習(xí)熱點(diǎn)題型歸納與變式演練專題21電學(xué)基本規(guī)律的應(yīng)用【專題導(dǎo)航】目錄TOC\o"1-3"\h\u熱點(diǎn)題型一電路的動(dòng)態(tài)分析 1阻值變化下的動(dòng)態(tài)分析 2電路結(jié)構(gòu)變化下的動(dòng)態(tài)分析 3含容電路的動(dòng)態(tài)分析 3電路故障的分析 4熱點(diǎn)題型二對(duì)閉合電路歐姆定律的理解和應(yīng)用 4閉合電路歐姆定律的計(jì)算 5電源與電阻U－I圖象的對(duì)比 5熱點(diǎn)三電功電功率電熱熱功率 6熱點(diǎn)題型四電源的功率和效率 8電源輸出功率的極值問(wèn)題的處理方法 8【題型演練】 10【題型歸納】熱點(diǎn)題型一電路的動(dòng)態(tài)分析1．解決電路動(dòng)態(tài)變化的基本思路“先總后分”——先判斷總電阻和總電流如何變化．“先干后支”——先分析干路部分，再分析支路部分．“先定后變”——先分析定值電阻所在支路，再分析阻值變化的支路．2．電路動(dòng)態(tài)分析的方法(1)程序法：基本思路是“部分→整體→部分”．即(2)極限法：因滑動(dòng)變阻器滑片滑動(dòng)引起的電路變化問(wèn)題，可將滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)端分別滑至兩個(gè)極端去討論．(3)串反并同法：“串反”是指某一電阻增大(或減小)時(shí)，與它串聯(lián)或間接串聯(lián)的電阻中的電流、兩端電壓、電功率都將減小(或增大)．“并同”是指某一電阻增大(或減小)時(shí)，與它并聯(lián)或間接并聯(lián)的電阻中的電流、兩端電壓、電功率都將增大(或減小)．3．分析含容電路應(yīng)注意的兩點(diǎn)(1)電路穩(wěn)定后，電容器所在支路電阻無(wú)電壓降，因此電容器兩極板間的電壓就等于該支路兩端的電壓．在電路穩(wěn)定后，與電容器串聯(lián)的電阻阻值變化，不影響電路中其他電表示數(shù)和燈泡亮度．(2)電路中的電流、電壓變化時(shí)，將會(huì)引起電容器的充、放電．如果電容器兩端電壓升高，電容器將充電，電荷量增大；如果電容器兩端電壓降低，電容器將通過(guò)與它連接的電路放電，電荷量減小．4．電路故障問(wèn)題的分析方法與技巧(1)故障特點(diǎn)①斷路特點(diǎn)：表現(xiàn)為電路中的兩點(diǎn)間電壓不為零而電流為零，并且這兩點(diǎn)與電源的連接部分沒(méi)有斷點(diǎn)．②短路特點(diǎn)：用電器或電阻發(fā)生短路，表現(xiàn)為有電流通過(guò)電路但其兩端電壓為零．(2)檢查方法①電壓表檢測(cè)：如果電壓表示數(shù)為零，則說(shuō)明可能在并聯(lián)路段之外有斷路，或并聯(lián)路段短路．②歐姆表檢測(cè)：當(dāng)測(cè)量值很大時(shí)，表示該處是斷路，當(dāng)測(cè)量值很小或?yàn)榱銜r(shí)，表示該處是短路．在運(yùn)用歐姆表檢測(cè)時(shí)，電路一定要切斷電源．③電流表檢測(cè)：當(dāng)電路中接有電源時(shí)，可用電流表測(cè)量各部分電路上的電流，通過(guò)對(duì)電流值的分析，可以確定故障的位置．在運(yùn)用電流表檢測(cè)時(shí)，要注意電流表的極性和量程．④假設(shè)法：將整個(gè)電路劃分為若干部分，然后逐一假設(shè)某部分電路發(fā)生某種故障，運(yùn)用閉合電路或部分電路的歐姆定律進(jìn)行推理．阻值變化下的動(dòng)態(tài)分析【例1】．(多選)(2019·上海楊浦區(qū)模擬)如圖所示的電路中，E為電源電動(dòng)勢(shì)，r為電源內(nèi)阻，R1和R3均為定值電阻，R2為滑動(dòng)變阻器．當(dāng)R2的滑片在ab的中點(diǎn)時(shí)合上開關(guān)S，此時(shí)三個(gè)電表A1、A2和V的示數(shù)分別為I1、I2和U.現(xiàn)將R2的滑片向a端移動(dòng)，則下列說(shuō)法正確的是()A．電源的總功率減小B．R3消耗的功率增大C．I1增大，I2減小，U增大D．I1減小，I2不變，U減小【變式】(多選)(2019·大連模擬)在如圖所示的電路中，電源的負(fù)極接地，其電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)電阻為r，R1、R2為定值電阻，R3為滑動(dòng)變阻器，、為理想電流表和電壓表．在滑動(dòng)變阻器滑片P自a端向b端滑動(dòng)的過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是 ()A．電壓表示數(shù)減小B．電流表示數(shù)增大C．電阻R2消耗的功率增大D．a(chǎn)點(diǎn)的電勢(shì)降低電路結(jié)構(gòu)變化下的動(dòng)態(tài)分析【例2】.(2019·安徽“江南”十校聯(lián)考)如圖所示的電路中，電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為R，L1和L2為相同的燈泡，每個(gè)燈泡的電阻和定值電阻的阻值均為R，電壓表為理想電表，S為單刀雙擲開關(guān)，當(dāng)開關(guān)由1位置打到2位置時(shí)，下列說(shuō)法中正確的是()A．電壓表讀數(shù)將變小B．L1亮度不變，L2將變暗C．L1將變亮，L2將變暗D．電源內(nèi)阻的發(fā)熱功率將變小含容電路的動(dòng)態(tài)分析【例3】．(2019·石家莊模擬)在如圖所示的電路中，電源的負(fù)極接地，其電動(dòng)勢(shì)為E、內(nèi)電阻為r，R1、R2為定值電阻，R3為滑動(dòng)變阻器，C為電容器，A、V為理想電流表和電壓表．在滑動(dòng)變阻器滑動(dòng)頭P自a端向b端滑動(dòng)的過(guò)程中，下列說(shuō)法中正確的是()A．電壓表示數(shù)變小B．電流表示數(shù)變小C．電容器C所帶電荷量增多D．a(chǎn)點(diǎn)的電勢(shì)降低如圖所示，電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，閉合開關(guān)S，不考慮燈絲電阻隨溫度的變化，電流表、電壓表均為理想電表，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片由左端向右端滑動(dòng)時(shí)，下列說(shuō)法正確的是()A．電流表讀數(shù)減小，小燈泡L1變暗B．電壓表讀數(shù)變大C．電流表讀數(shù)增大，小燈泡L2變暗D．電容器所帶電荷量增大電路故障的分析【例4】．(多選)在探究電路故障時(shí)，某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了如圖所示的電路，當(dāng)開關(guān)閉合后，電路中的各用電器正常工作，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，發(fā)現(xiàn)小燈泡A的亮度變暗，小燈泡B的亮度變亮．則下列對(duì)電路故障的分析正確的是()A．可能是定值電阻R1短路B．可能是定值電阻R2斷路C．可能是定值電阻R3斷路D．可能是定值電阻R4短路【變式】如圖所示的電路中，閉合開關(guān)S，燈L1、L2正常發(fā)光．由于電路出現(xiàn)故障，突然發(fā)現(xiàn)L1變亮，L變暗，電流表的讀數(shù)變小，根據(jù)分析，發(fā)生的故障可能是()A．R1斷路B．R2斷路C．R3短路D．R4短路熱點(diǎn)題型二對(duì)閉合電路歐姆定律的理解和應(yīng)用在恒流電路中常會(huì)涉及兩種U－I圖線，一種是電源的伏安特性曲線(斜率為負(fù)值的直線)，另一種是電阻的伏安特性曲線(過(guò)原點(diǎn)的直線)．求解這類問(wèn)題時(shí)要注意二者的區(qū)別．電源U－I圖象電阻U－I圖象關(guān)系式U＝E－IrU＝IR圖形物理意義電源的路端電壓隨電流的變化關(guān)系電阻兩端電壓與電阻中的電流的關(guān)系截距與縱軸交點(diǎn)表示電源電動(dòng)勢(shì)E，與橫軸交點(diǎn)表示電源短路電流過(guò)坐標(biāo)軸原點(diǎn)，表示沒(méi)有電壓時(shí)電流為零坐標(biāo)U、I的乘積表示電源的輸出功率表示電阻消耗的功率坐標(biāo)U、I的比值表示外電阻的大小表示該電阻的大小斜率(絕對(duì)值)電源電阻r的大小若圖象為過(guò)原點(diǎn)的直線，圖象斜率表示電阻的大小兩曲線在同一坐標(biāo)系中的交點(diǎn)表示電阻的工作點(diǎn)，即將電阻接在該電源上時(shí)，電阻中的電流和兩端的電壓閉合電路歐姆定律的計(jì)算【例5】．飛行器在太空飛行，主要靠太陽(yáng)能電池提供能量．若有一太陽(yáng)能電池板，測(cè)得它的開路電壓為800mV，短路電流為40mA.若將該電池板與一阻值為20Ω的電阻器連成一閉合電路，則它的路端電壓是()A．0.10VB．0.20VC．0.30VD．0.40V【變式】?jī)蓚€(gè)相同的電阻R，當(dāng)它們串聯(lián)后接在電動(dòng)勢(shì)為E的電源上，通過(guò)一個(gè)電阻的電流為I；若將它們并聯(lián)后仍接在該電源上，通過(guò)一個(gè)電阻的電流仍為I，則電源的內(nèi)阻為()A．4RB．RC．eq\f(R,2)D．無(wú)法計(jì)算電源與電阻U－I圖象的對(duì)比1．利用兩種圖象解題的基本方法利用電源的U－I圖象和電阻的U－I圖象解題，無(wú)論電阻的U－I圖象是線性還是非線性，解決此類問(wèn)題的基本方法是圖解法，即把電源和電阻的U－I圖線畫在同一坐標(biāo)系中，圖線的交點(diǎn)坐標(biāo)的意義是電阻直接接在該電源兩端時(shí)工作電壓和電流，電阻的電壓和電流可求，其他的量也可求．2．非線性元件有關(guān)問(wèn)題的求解，關(guān)鍵在于確定其實(shí)際電壓和電流，確定方法如下：(1)先根據(jù)閉合電路歐姆定律，結(jié)合實(shí)際電路寫出元件的電壓U隨電流I的變化關(guān)系．(2)在原U－I圖象中，畫出U、I關(guān)系圖象．(3)兩圖象的交點(diǎn)坐標(biāo)即為元件的實(shí)際電流和電壓．(4)若遇到兩元件串聯(lián)或并聯(lián)在電路中，則要結(jié)合圖形看電壓之和或電流之和確定其實(shí)際電流或?qū)嶋H電壓的大?。纠?】．(多選)如圖所示的U－I圖象中，直線Ⅰ為某電源的路端電壓與電流的關(guān)系圖線，直線Ⅱ?yàn)槟骋浑娮鑂的U－I圖線，用該電源直接與電阻R連接成閉合電路，由圖象可知()A．R的阻值為1.5ΩB．電源電動(dòng)勢(shì)為3V，內(nèi)阻為0.5ΩC．電源的輸出功率為3.0WD．電源內(nèi)部消耗功率為1.5W【變式】(2019·南昌模擬)如圖所示，圖線甲、乙分別為電源和某金屬導(dǎo)體的U-I圖線，電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻分別用E、r表示，根據(jù)所學(xué)知識(shí)分析下列選項(xiàng)正確的是()A．E＝50VB．r＝eq\f(25,3)ΩC．當(dāng)該導(dǎo)體直接與該電源相連時(shí)，該導(dǎo)體的電阻為20ΩD．當(dāng)該導(dǎo)體直接與該電源相連時(shí)，電路消耗的總功率為80W熱點(diǎn)三電功電功率電熱熱功率1.電功和電熱、電功率和熱功率的區(qū)別與聯(lián)系意義公式聯(lián)系電功電流在一段電路中所做的功W＝UIt對(duì)純電阻電路，電功等于電熱，W＝Q＝UIt＝I2Rt；對(duì)非純電阻電路，電功大于電熱，W＞Q電熱電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量Q＝I2Rt電功率單位時(shí)間內(nèi)電流所做的功P＝UI對(duì)純電阻電路，電功率等于熱功率，P電＝P熱＝UI＝I2R；對(duì)非純電阻電路，電功率大于熱功率，P電＞P熱熱功率單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量P＝I2R2.非純電阻電路的分析方法(1)抓住兩個(gè)關(guān)鍵量：確定電動(dòng)機(jī)的電壓UM和電流IM是解決所有問(wèn)題的關(guān)鍵．若能求出UM、IM，就能確定電動(dòng)機(jī)的電功率P＝UMIM，根據(jù)電流IM和電動(dòng)機(jī)的電阻r可求出熱功率Pr＝Ieq\o\al(2,M)r，最后求出輸出功率P出＝P－Pr.(2)堅(jiān)持“躲著”求解UM、IM：首先，對(duì)其他純電阻電路、電源的內(nèi)電路等，利用歐姆定律進(jìn)行分析計(jì)算，確定相應(yīng)的電壓或電流．然后，利用閉合電路的電壓關(guān)系、電流關(guān)系間接確定非純電阻電路的工作電壓和電流．(3)應(yīng)用能量守恒定律分析：要善于從能量轉(zhuǎn)化的角度出發(fā)，緊緊圍繞能量守恒定律，利用“電功＝電熱＋其他能量”尋找等量關(guān)系求解．【例7】(多選)(2019·安徽六安模擬)如圖所示，一臺(tái)電動(dòng)機(jī)提著質(zhì)量為m的物體，以速度v勻速上升，已知電動(dòng)機(jī)線圈的電阻為R，電源電動(dòng)勢(shì)為E，通過(guò)電源的電流為I，當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，忽略一切阻力及導(dǎo)線電阻，則()A．電源內(nèi)阻r＝eq\f(E,I)－RB．電源內(nèi)阻r＝eq\f(E,I)－eq\f(mgv,I2)－RC．如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸被卡住而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，較短時(shí)間內(nèi)電源消耗的功率將變大D．如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸被卡住而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，較短時(shí)間內(nèi)電源消耗的功率將變小【變式】如圖，電路中電源電動(dòng)勢(shì)為3.0V，內(nèi)阻不計(jì)，L1、L2、L3為三個(gè)相同規(guī)格的小燈泡，小燈泡的伏安特性曲線如圖所示．當(dāng)開關(guān)閉合后，下列說(shuō)法中正確的是()A．L1中的電流為L(zhǎng)2中電流的2倍B．L3的電阻約為1.875ΩC．L3的電功率約為0.75WD．L2和L3的總功率約為3W4.如圖所示，電源電動(dòng)勢(shì)為12V，電源內(nèi)阻為1.0Ω，電路中的電阻R0為1.5Ω，小型直流電動(dòng)機(jī)M的內(nèi)阻為0.5Ω，閉合開關(guān)S后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電流表的示數(shù)為2.0A．則以下判斷中正確的是 ()A．電動(dòng)機(jī)的輸出功率為14WB．電動(dòng)機(jī)兩端的電壓為7.0VC．電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱功率為4.0WD．電源輸出的功率為24W熱點(diǎn)題型四電源的功率和效率電源總功率任意電路：P總＝EI＝P出＋P內(nèi)電源內(nèi)部消耗的功率純電阻電路：P總＝I2(R＋r)＝eq\f(E2,R＋r)P內(nèi)＝I2r＝P總－P出電源的輸出功率任意電路：P出＝UI＝P總－P內(nèi)純電阻電路：P出＝I2R＝eq\f(E2R,（R＋r）2)P出與外電阻R的關(guān)系電源的效率任意電路：η＝eq\f(P出,P總)×100%＝eq\f(U,E)×100%純電阻電路：η＝eq\f(R,R＋r)×100%電源輸出功率的極值問(wèn)題的處理方法對(duì)于電源輸出功率的極值問(wèn)題，可以采用數(shù)學(xué)中求極值的方法，也可以采用電源的輸出功率隨外電阻的變化規(guī)律來(lái)求解．但應(yīng)當(dāng)注意的是，當(dāng)待求的最大功率對(duì)應(yīng)的電阻值不能等于等效電源的內(nèi)阻時(shí)，此時(shí)的條件是當(dāng)電阻值最接近等效電源的內(nèi)阻時(shí)，電源的輸出功率最大．假設(shè)一電源的電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，外電路有一可調(diào)電阻R，電源的輸出功率為：P出＝I2R＝eq\f(E2R,（R＋r）2)＝eq\f(E2,\f(（R－r）2,R)＋4r).由以上表達(dá)式可知電源的輸出功率隨外電路電阻R的變化關(guān)系為：(1)當(dāng)R＝r時(shí)，電源的輸出功率最大，為Pm＝eq\f(E2,4r)；(2)當(dāng)R＞r時(shí)，隨著R的增大，電源的輸出功率越來(lái)越??；(3)當(dāng)R＜r時(shí)，隨著R的增大，電源的輸出功率越來(lái)越大；(4)當(dāng)P出＜Pm時(shí)，每個(gè)輸出功率對(duì)應(yīng)兩個(gè)外電阻阻值R1和R2，且R1R2＝r2.【例7】(2019·西安模擬)如圖所示，E＝8V，r＝2Ω，R1＝8Ω，R2為變阻器接入電路中的有效阻值，問(wèn)：(1)要使變阻器獲得的電功率最大，則R2的取值應(yīng)是多大？這時(shí)R2的功率是多大？(2)要使R1得到的電功率最大，則R2的取值應(yīng)是多大？R1的最大功率是多大？這時(shí)電源的效率是多大？(3)調(diào)節(jié)R2的阻值，能否使電源以最大的功率eq\f(E2,4r)輸出？為什么？【變式】將一電源與一電阻箱連接成閉合回路，測(cè)得電阻箱所消耗功率P與電阻箱讀數(shù)R變化的曲線如圖所示，由此可知()A．電源最大輸出功率可能大于45WB．電源內(nèi)阻一定等于5ΩC．電源電動(dòng)勢(shì)為45VD．電阻箱所消耗功率P最大時(shí)，電源效率大于50%【變式2】圖甲為某元件R的U－I特性曲線，把它連接在圖乙所示電路中．已知電源電動(dòng)勢(shì)E＝5V，內(nèi)阻r＝1.0Ω，定值電阻R0＝4Ω.閉合開關(guān)S后，求：(1)該元件的電功率；(2)電源的輸出功率．【題型演練】1．如圖所示，關(guān)于閉合電路，下列說(shuō)法正確的是()A．電源正、負(fù)極被短路時(shí)，電流很大B．電源正、負(fù)極被短路時(shí)，電壓表示數(shù)最大C．外電路斷路時(shí)，電壓表示數(shù)為零D．外電路電阻增大時(shí)，電壓表示數(shù)減小2．如圖所示，直線A為某電源的U-I圖線，曲線B為某小燈泡的U-I圖線，用該電源和小燈泡組成閉合電路時(shí)，電源的輸出功率和電源的總功率分別是()A．4W,8WB．2W,4WC．2W,3WD．4W,6W3．如圖所示，已知電源電動(dòng)勢(shì)為6V，內(nèi)阻為1Ω，保護(hù)電阻R0＝0.5Ω，則當(dāng)保護(hù)電阻R0消耗的電功率最大時(shí)，這個(gè)電阻箱R的讀數(shù)和電阻R0消耗的電功率的最大值為()A．1Ω，4WB．1Ω，8WC．0,8WD．0.5Ω，8W4．(2019·湖南十校聯(lián)考)如圖所示為某閉合電路電源的輸出功率隨電流變化的圖象，由此圖象可以判斷()A．電源的內(nèi)耗功率最大為9WB．電源的效率最大為50%C．輸出功率最大時(shí)，外電路的總電阻為4ΩD．電源的電動(dòng)勢(shì)為12V5．(2019·河北石家莊模擬)在如圖所示電路中，L1、L2為兩只完全相同、阻值恒定的燈泡，R為光敏電阻(光照越強(qiáng)，阻值越小)．閉合電鍵S后，隨著光照強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)()A．L1逐漸變暗，L2逐漸變亮B．L1逐漸變亮，L2逐漸變暗C．電源內(nèi)電路消耗的功率逐漸減小D．光敏電阻R和L1消耗的總功率逐漸增大6.(2019·河南南陽(yáng)模擬)硅光電池是一種太陽(yáng)能電池，具有低碳環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)．如圖所示，圖線a是該電池在某光照強(qiáng)度下路端電壓U和電流I的關(guān)系圖象(電池內(nèi)阻不是常量)，圖線b是某電阻R的U－I圖象．在該光照強(qiáng)度下將它們組成閉合回路時(shí)，硅光電池的內(nèi)阻為()A．5.5ΩB．7.0ΩC．12.0ΩD．12.5Ω7．(2019·重慶江津中學(xué)模擬)兩位同學(xué)在實(shí)驗(yàn)室利用如圖甲所示的電路測(cè)定值電阻R0、電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)電阻r，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑動(dòng)觸頭P向某一方向移動(dòng)時(shí)，一個(gè)同學(xué)記錄