2024版高中同步新教材必修第三册（人教版）物理 第十二章 电能 能量守恒定律 综合拔高练

这是一份2024版高中同步新教材必修第三册（人教版）物理 第十二章 电能 能量守恒定律 综合拔高练，共24页。

综合拔高练
五年高考练
考点1　电路中的能量转化
1.(2022浙江1月选考,12)某节水喷灌系统如图所示,水以v0=15 m/s的速度水平喷出,每秒喷出水的质量为2.0 kg。喷出的水是从井下抽取的,喷口离水面的高度保持H=3.75 m不变。水泵由电动机带动,电动机正常工作时,输入电压为220 V,输入电流为2.0 A。不计电动机的摩擦损耗,电动机的输出功率等于水泵所需要的输入功率。已知水泵的抽水效率(水泵的输出功率与输入功率之比)为75%,忽略水在管道中运动的机械能损失,则(重力加速度g取10 m/s2)(　　)

A.每秒水泵对水做功为75 J
B.每秒水泵对水做功为225 J
C.水泵输入功率为440 W
D.电动机线圈的电阻为10 Ω
考点2　闭合电路欧姆定律的应用
2.(2020江苏单科,6)某汽车的电源与启动电机、车灯连接的简化电路如图所示。当汽车启动时,开关S闭合,电机工作,车灯突然变暗,此时(　　)

A.车灯的电流变小　　　B.路端电压变小
C.电路的总电流变小　　　D.电源的总功率变大
3.(2022江苏,2)如图所示,电路中灯泡均正常发光,阻值分别为R1=2 Ω,R2=3 Ω,R3=2 Ω,R4=4 Ω,电源电动势E=12 V,内阻不计。四个灯泡中消耗功率最大的是(　　)

A.R1　　　B.R2　　　C.R3　　　D.R4
考点3　欧姆表的原理
4.(2022湖南,12)小梦同学自制了一个两挡位(“×1”“×10”)的欧姆表,其内部结构如图所示,R0为调零电阻(最大阻值为R0m),Rs、Rm、Rn为定值电阻(Rs+R0m
(1)短接①②,将单刀双掷开关S与m接通,电流计示数为Im;保持电阻R0滑片位置不变,将单刀双掷开关S与n接通,电流计示数变为In,则Im　　In(填“大于”或“小于”); 
(2)将单刀双掷开关S与n接通,此时欧姆表的挡位为　　　　(填“×1”或“×10”); 
(3)若从“×1”挡位换成“×10”挡位,调整欧姆零点(欧姆零点在电流计满偏刻度处)时,调零电阻R0的滑片应该　　　　调节(填“向上”或“向下”); 
(4)在“×10”挡位调整欧姆零点后,在①②间接入阻值为100 Ω的定值电阻R1,稳定后电流计的指针偏转到满偏刻度的23;取走R1,在①②间接入待测电阻Rx,稳定后电流计的指针偏转到满偏刻度的13,则Rx=　　　　Ω。 
考点4　测定电池的电动势和内阻
5.(2020浙江7月选考,18)某同学分别用图1甲和图1乙的电路测量同一节干电池的电动势和内阻。

甲

乙
图1
(1)在方框中画出图1乙的电路图;　　　　
　

　　　　图2
(2)某次测量时电流表和电压表的示数如图2所示,则电流I=　　　A,电压U=　　　V; 
(3)实验得到如图3所示的两条直线,图中直线Ⅰ对应电路是图1　　(选填“甲”或“乙”); 

图3
(4)该电池的电动势E=　　　　 V(保留三位有效数字),内阻r=　　　　 Ω(保留两位有效数字)。 
6.(2021全国乙,23)一实验小组利用图(a)所示的电路测量一电池的电动势E(约1.5 V)和内阻r(小于2 Ω)。图中电压表量程为1 V,内阻RV=380.0 Ω;定值电阻R0=20.0 Ω;电阻箱R,最大阻值为999.9 Ω;S为开关。按电路图连接电路。完成下列填空:

图(a)

图(b)
(1)为保护电压表,闭合开关前,电阻箱接入电路的电阻值可以选　　　Ω(填“5.0”或“15.0”); 
(2)闭合开关,多次调节电阻箱,记录下阻值R和电压表的相应读数U;
(3)根据图(a)所示电路,用R、R0、RV、E和r表示1U,得1U=　　　　; 
(4)利用测量数据,作 1U-R图线,如图(b)所示;
(5)通过图(b)可得E=　　　　V(保留2位小数),r=　　　　Ω(保留1位小数); 
(6)若将图(a)中的电压表当成理想电表,得到的电源电动势为E',由此产生的误差为 E'−EE×100%=　　　　%。 
7.(2021湖南,12)某实验小组需测定电池的电动势和内阻,器材有:一节待测电池、一个单刀双掷开关、一个定值电阻(阻值为R0)、一个电流表(内阻为RA)、一根均匀电阻丝(电阻丝总阻值大于R0,并配有可在电阻丝上移动的金属夹)、导线若干。由于缺少刻度尺,无法测量电阻丝长度,但发现桌上有一个圆形时钟表盘。某同学提出将电阻丝绕在该表盘上,利用圆心角来表示接入电路的电阻丝长度。主要实验步骤如下:
(1)将器材如图(a)连接;

图(a)

图(b)

(2)开关闭合前,金属夹应夹在电阻丝的　　　　端(填“a”或“b”); 
(3)改变金属夹的位置,闭合开关,记录每次接入电路的电阻丝对应的圆心角θ和电流表示数I,得到多组数据;
(4)整理数据并在坐标纸上描点绘图,所得图像如图(b)所示,图线斜率为k,与纵轴截距为d,设单位角度对应电阻丝的阻值为r0,该电池电动势和内阻可表示为E=　　　,r=　　　;(用R0、RA、k、d、r0表示) 
(5)为进一步确定结果,还需要测量单位角度对应电阻丝的阻值r0。利用现有器材设计实验,在图(c)方框中画出实验电路图(电阻丝用滑动变阻器符号表示);
　　　　　　　　　
图(c)
(6)利用测出的r0,可得该电池的电动势和内阻。
8.(2018江苏单科,10)一同学测量某干电池的电动势和内阻。
(1)如图所示是该同学正准备接入最后一根导线(图中虚线所示)时的实验电路。请指出图中在器材操作上存在的两个不妥之处。

(2)实验测得的电阻箱阻值R和电流表示数I,以及计算的1I数据见下表:
R/Ω
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
I/A
0.15
0.17
0.19
0.22
0.26
1I/A-1
6.7
6.0
5.3
4.5
3.8
根据表中数据,在方格纸上作出R-1I关系图像。
由图像可计算出该干电池的电动势为　　　　V;内阻为　　　　Ω。 

(3)为了得到更准确的测量结果,在测出上述数据后,该同学将一只量程为100 mV的电压表并联在电流表的两端。调节电阻箱,当电流表的示数为0.33 A时,电压表的指针位置如图所示,则该干电池的电动势应为　　　V;内阻应为　　　　Ω。 

三年模拟练
应用实践
1.(2023四川师范大学附属中学期中)测体温用的额温枪及其技术参数如图所示,发现它以两节干电池(内阻不可忽略)为电源,工作电流为5 mA,能通过传感器检测人体向外辐射的红外线,根据红外线能量的强弱,快速、准确且无接触地测量体温。那么关于该额温枪的说法中正确的是(　　)

A.额温枪工作时,电池组两极间的电压为3 V
B.额温枪工作时,电源的输出功率小于15 mW
C.额温枪工作时,电路中每通过1 C电荷,每节电池都能把1.5 J化学能转化为电能
D.若换用两节充满电的800 mA·h充电电池,则可测温5.76×104次
2.(2023重庆巴蜀中学月考)成人体液总量占体重的60%左右,体液的主要成分是水和电解质,因此容易导电,而体内脂肪则不容易导电,我们可以用某型号脂肪测量仪(如图甲所示)来测量脂肪率,脂肪测量仪根据人体电阻的大小来判断脂肪所占比例,模拟电路如图乙所示。测量时,闭合开关S,测试者两手分别握住两手柄M、N,则(　　)
　
A.体型相近的两人相比,脂肪含量高者对应的电流表示数较小,电压表示数较小
B.体型相近的两人相比,脂肪含量高者对应的电源输出功率小
C.体型相近的两人相比,脂肪含量高者对应的电源效率高
D.当M、N间电阻逐渐增大时,以电压表示数为横坐标,电流表示数为纵坐标,绘制的I-U图像是一条过原点的直线
3.(2023山东师范大学附中期中)图甲为某电源的U-I图线,图乙为某小灯泡的U-I图线的一部分,则下列说法中正确的是(　　)

A.电源的内阻为10 Ω
B.当灯泡两端电压为2.5 V时,其电阻约为10 Ω
C.把电源和小灯泡组成闭合回路,小灯泡两端的电压约为1.3 V
D.把电源和小灯泡组成闭合回路,小灯泡的功率约为0.3 W
4.(2023河北沧州联考)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=6 Ω(固定不变),电位器调节的幅度是5 Ω(即每旋转一次旋钮,电阻增大或减小5 Ω),则电位器消耗的电功率最大时,电位器接入电路的阻值及灯泡消耗的电功率分别是(　　)
　
A.8 Ω,2.34 W　　　 B.5 Ω,3.55 W
C.10 Ω,3.13 W　　　D.10 Ω,1.85 W
5.某物理课外活动小组学习了“测量电源的电动势和内阻”后,自制了一个橙子电池组,将该电池组接在铭牌为“1.5 V,0.3 A”的小灯泡上,发现小灯泡不亮,用多用电表粗测该电池组电动势约为1.5 V,流过灯泡的电流约为2 mA。为了进一步研究小灯泡不亮的原因,该活动小组设计了如图所示的实验电路,并用多种方法测量该电池组的电动势与内阻,请协助完成实验。

(1)除了开关和导线等基本器材外,同学们还准备了以下器材:
A.电压表(0~3 V)　　　B.电压表(0~15 V)
C.电流表(0~3.0 mA)　　　D.电流表(0~0.6 A)
E.电阻箱(0~99.9 Ω)　　　F.电阻箱(0~9 999.9 Ω)
实验中电压表应选用　　　　;电流表应选用　　　　;电阻箱应选用　　　　。(均填所选器材前的字母) 
(2)闭合开关S1和S2,调节电阻箱并记录电阻箱的示数R0、电流表的示数I0和电压表的示数U0,由此可知电流表的电阻RA为　　　　(用上述物理量表示)。 
(3)闭合开关S1和S2,调节R,仅读出电流I和电压U,并测出多组数据,作出U-I图线可得出电池组的电动势和内阻,此种方法测量的电动势与真实值相比　　　　(填“偏小”“相等”或“偏大”),测量的内阻值与真实值相比　　　　(填“偏小”“相等”或“偏大”)。 
(4)断开S2闭合S1,调节R,仅由多组电流表的示数和电阻箱的示数R,作出1I-R图线为一条倾斜的直线,且该直线的斜率为k,纵轴截距为b,则该电池组的电动势为　　　　,内阻为　　　　。(用k、b、RA表示) 
(5)针对(3)(4)中所述两种方法,小组交流讨论后发现　　　　所述方法内阻的测量值更精确。[填“(3)”或“(4)”] 
迁移创新
6.(2023北京一零一中学期中)如图所示,用电动势为E、内阻为r的电源向滑动变阻器R供电。改变滑动变阻器R的阻值,路端电压U与电流I均随之变化。

(1)以U为纵坐标,I为横坐标,在图甲中画出滑动变阻器R阻值变化过程中U-I图像的示意图,并说明图像与两坐标轴交点的物理意义;
(2)已知滑动变阻器的最大阻值大于电源的内阻,在图乙中定性画出电源输出功率P与滑动变阻器R阻值的关系曲线,并标注出极值点的坐标;
(3)通过分析说明,在图丙中画出电源输出功率P与路端电压U的关系曲线;在图丁中画出电源消耗的总功率P总与路端电压U的关系曲线。



答案与分层梯度式解析
综合拔高练
五年高考练
1.D　根据机械能守恒定律可知,每秒钟水泵对水做功W=mgH+12mv02=2.0×10×3.75 J+12×2×152 J=300 J,则水泵输出功率P1=300 W,由题意可知,水泵输入功率P2=P175%=30075% W=400 W,故A、B、C错误。根据题意,电动机输出功率P出=400 W,故电动机线圈上热功率P=I2·R=UI-P出=40 W,则R=10 Ω,D正确。
2.ABD　开关S闭合后外电路增加了一个并联支路,则通过电源的总电流增大,由U=E-Ir可知路端电压减小,再由I灯=UR灯可知通过车灯的电流减小,由P=IE可知电源的总功率增大,故A、B、D项正确,C项错误。
3.A　I=ER1+R2(R3+R4)R2+R3+R4=3 A,则UR1=IR1=6 V,UR2=E-UR1=6 V,由P=U2R可知PR2>PR4,PR1>PR2,由P=I2R可知PR4>PR3,所以PR1最大,故A正确。
一题多解　因并联电路电压相等,则I3(R3+R4)=I2R2,解得I2=2I3,根据串并联电路的特点,则I1=3I3,设R1=2 Ω=2R,则R1、R2、R3、R4消耗的功率分别为

P1=I12R1=18I32R,P2=I22R2=12I32R,P3=I32R3=2I32R,P4=I32R4=4I32R,比较可知P1>P2>P4>P3,故四个灯泡中功率最大的是R1,A正确。
4.答案　(1)大于　(2)×10　(3)向上　(4)400
解析　(1)因RmIn。
(2)电源总电压一定时,内阻越大,中值电阻越大,挡位越大,因此S接n时为“×10”挡位。
(3)挡位由“×1”挡位切换至“×10”挡位时,中值电阻变大,电流变小,为使得电流表重新满偏,需增大左侧并联部分等效电阻,根据电阻并联特点,结合各处电阻大小可知,调零电阻的滑片应向上移动。
(4)设电流计满偏时干路电流为I干,欧姆调零时EI干=R内,接入阻值为100 Ω的电阻时E23I干=R内+100 Ω,接入Rx时E13I干=Rx+R内,解得Rx=400 Ω。
5.答案　(1)如图所示

(2)0.39~0.41　1.29~1.31　(3)乙
(4)1.52(1.51~1.54均可)　0.53(0.52~0.54均可)
解析　(1)见答案图
(2)电流表的量程为0~0.6 A,读数为0.40 A;电压表量程为0~3 V,读数应为1.30 V。
(3)根据题目已知条件,题图1甲的电路图如图所示,U-I图线斜率的绝对值应该代表电池内阻和电流表内阻之和。而题图1乙所表示的U-I图线斜率的绝对值代表电池内阻,因此斜率绝对值较大的图线对应的电路应该是题图1甲,即直线Ⅰ对应电路是题图1乙。

(4)对题图1乙,根据闭合电路欧姆定律可知U=E-Ir,图线与纵轴的交点代表电池电动势,即E=1.52 V,斜率绝对值代表电池内阻,即r=1.52−1.210.58 Ω≈0.53 Ω。
6.答案　(1)15.0　(3)R0+RVR0RVER+1E1+R0+RVR0RVr　(5)1.54　0.7　(6)5
解析　(1)由串、并联电路特点及闭合电路欧姆定律可得,电压表满偏时,电阻箱接入电路的电阻值R=E−UIR0+IV−r=1.5−1120+1380 Ω-r>7.5 Ω,可选用15.0 Ω。
(3)E=UR0+URV(R+r)+U
整理可得:1U=1E·R0+RVR0RVR+1ER0+RVR0RV·r+1
(5)图(b)中图线的斜率k=0.034 V-1·Ω-1,即
1E·R0+RVR0RV=0.034 V-1·Ω-1
解得E=1.54 V
图(b)中图线与R=0轴线交点的纵坐标约为b=0.673 V-1,即1ER0+RVR0RVr+1=0.673 V-1
解得r=0.7 Ω
(6)若电压表为理想电表,同理可得
1U=1E'R0R+rE'R0+ 1E'
即1E'R0=k,解得E'=1.47 V
由此产生误差E'−EE×100%≈5%
7.答案　(2)b　(4) r0k　dr0k-(R0+RA)
(5)如图所示

解析　(2)为保护电路,开关闭合前应使电阻丝接入电路中的阻值最大,即金属夹应夹在电阻丝的b端。
(4)由闭合电路欧姆定律,结合电路结构有E=I(r+RA+θr0+R0),整理可得 1I= r0Eθ+ R0+RA+rE,故可得k= r0E,d= R0+RA+rE,联立解得E= r0k,r= dr0k-(R0+RA)。
(5)现有器材中只有一只电流表,但有一只单刀双掷开关和阻值已知的定值电阻,故考虑采用替代法测电阻,设计电路如答案图,操作步骤为:先将开关置于1,记录下电流表示数I,再将开关置于2,调节金属夹位置,使电流表示数仍为I,记录下电阻丝接入电路部分对应的圆心角θ,则有r0=R0/θ。
8.答案　(1)①开关未断开;②电阻箱阻值为零。
(2)如图所示　1.4(1.30~1.44都算对)　1.2(1.0~1.4都算对)

(3)1.4[结果与(2)问第一个空格一致]
1.0[结果比(2)问第二个空格小0.2]
解析　(1)在连接电路过程中,要求开关处于断开状态;在闭合开关前,要求电阻箱接入电路的电阻最大。
(2)依照表中数据,描点连线,如答案图所示。由闭合电路欧姆定律可得I=ER+r,整理可得R=E·1I-r,与图像对应,则E=1.4 V,r=1.2 Ω。
(3)由题图可知电压表的读数为66 mV,由欧姆定律可得电流表的内阻r'=U/I=0.2 Ω,则由闭合电路欧姆定律可得I=ER+r+r',整理可得R=E·1I-(r+r'),与图像对应,则E=1.4 V,r=1.0 Ω。
三年模拟练
1.BC
2.C
3.C
4.D


1.BC　额温枪工作时,电池组两极间的电压为路端电压,小于电源的电动势,故电池组两极间电压小于3 V,故A错误;额温枪工作时电源消耗的总功率为P=EI=3 V×5 mA=15 mW,电源的输出功率小于电源消耗的总功率,故B正确;每节电池的电动势为1.5 V,根据电动势的定义可以知道电路中每通过1 C电荷,每节电池中非静电力做功为W=qE=1.5 J,则有1.5 J的化学能转化为电能,故C正确;若换用两节充满电的800 mA·h的充电电池,最多可测温的次数为n=2×800mA·h5mA×1s=2×800mA×3 600s5mA·s=1.152×106次,故D错误。
2.C　体型相近的两人,脂肪含量高者电阻较大。题图乙为串联电路,脂肪含量高者总电阻大,因此总电流小,电流表示数较小;根据闭合电路欧姆定律可得M、N两端电压为U=E-I(R+r),当总电流较小时,M、N两端电压较大,即电压表示数较大,A错误。电源的输出功率与外电阻和电源内阻的关系有关,外电阻与电源的内阻越接近,电源输出功率越大,本题中未给出外电阻与电源内阻的关系,因此无法确定谁对应的电源输出功率小,B错误。电源效率为η=UIEI=UE×100%,脂肪含量高者对应的路端电压较大,故电源效率高,C正确。根据闭合电路欧姆定律可得M、N两端电压为U=E-I(R+r),变形后得到I=-UR+r+ER+r,可知以电压表示数为横坐标,电流表示数为纵坐标,绘制的I-U图像是一条横、纵轴截距都不为零的斜率为负值的直线,D错误。
3.C　电源的U-I图线的纵轴截距表示电动势,图线斜率的绝对值表示内阻,根据题图甲可知电源的电动势为E=4.0 V,内阻为r=4.0−1.00.4 Ω=7.5 Ω,A错误;根据题图乙可知当小灯泡两端的电压为2.5 V时,电流约为0.5 A,可得小灯泡的电阻约为R=UI=5 Ω,B错误;把电源和小灯泡组成闭合回路,在题图乙中作该电源对应的U-I图像,如图所示,两U-I曲线的交点即组成闭合回路后小灯泡的电压、电流,根据图像读数U≈1.3 V,I≈0.36 A,所以小灯泡的功率约为P=UI=1.3×0.36 W=0.47 W,C正确,D错误。

4.D　电源输出功率随外电阻变化的规律如图所示,将灯泡电阻等效到电源内部,则电源的等效内阻为RL+r=8 Ω,当电位器电阻等于电源等效内阻8 Ω时,电位器消耗的功率最大,但由题意可知电位器电阻不能取到8 Ω,只能取到与8 Ω接近的5 Ω或10 Ω。当取5 Ω时,电位器消耗的功率为P1=10132×5 W=500169 W;当取10 Ω时P2=10182×10 W=500162 W,所以电位器接入电路的阻值为10 Ω时,电位器消耗的电功率最大,此时灯泡消耗的功率P=ERL+R0+r2RL=5027 W≈1.85 W,D正确。

5.答案　(1)A　C　F　(2)U0I0-R0　(3)偏小　偏小
(4)1k　bk-RA　(5)(4)
解析　(1)用多用电表粗测该电池组的电动势约为1.5 V,流过灯泡的电流约为2 mA,故实验中电压表应选用0~3 V量程的A,电流表应选用0~3.0 mA的C;回路中的总电阻阻值约为1.53×10−3 Ω=500 Ω,为了使电表示数变化明显,增大电阻的调节范围,减小误差,则电阻箱应选用F。
(2)由题图可知,电流表与电阻箱串联后与电压表并联,根据欧姆定律,电流表的电阻为RA=U0I0-R0。
(3)由题图可知,相对于电源来说采用电流表外接法,由于电压表的分流作用,电流表测量值偏小,当外电路短路时,电流测量值等于真实值,电源的U-I图像如图所示,由图像可知,电动势测量值小于真实值,电源内阻测量值小于真实值。

(4)由闭合电路欧姆定律可知,E=I(R+RA+r)
变形可得1I=1ER+RA+rE
则k=1E,b=RA+rE
联立解得E=1k,r=bk-RA。
(5)(3)中所述方法忽略了电压表的分流作用,所以该方法存在系统误差;在(4)的方法中,考虑了电流表内阻,消除了系统误差,则(4)所述方法内阻的测量值更精确。
6.答案　见解析
解析　(1)滑动变阻器R阻值变化时,电源的U-I图像是一条倾斜的直线,如图所示

其中图线与纵轴交点的坐标值表示电源电动势,与横轴交点的坐标值表示短路电流。
(2)电路中的电流为I=ER+r
电源的输出功率P=I2R=ER+r2R=E2(R−r)2R+4r
当R=r时输出功率最大,最大输出功率Pm=E24r
则电源输出功率P与滑动变阻器R阻值的关系曲线如图所示

(3)根据P=IU=E−UrU=ErU−1rU2,可知电源输出功率P与路端电压U的关系曲线为抛物线,当电源输出功率最大时,路端电压只有电动势的一半,之后随路端电压的增加,输出功率逐渐减小,当路端电压等于电动势时,输出功率为零,则P-U图像如图所示。

电源的总功率为P总=EI=EE−Ur=E2r−Er×U,由此可知,电源总功率与路端电压成一次函数关系,如图所示。

迁移创新　本题以闭合电路的欧姆定律为依托,借助电源输出功率以及电源总功率的计算,巧妙利用数学知识,迁移至画出物理图像,体现了科学思维核心素养。