(全国版)高考物理一轮复习课时练习选修3-1 第八章 第2讲 (含解析)

这是一份(全国版)高考物理一轮复习课时练习选修3-1 第八章 第2讲 (含解析)，共24页。试卷主要包含了电源，路端电压U与电流I的关系，5 V，0 V，电源的输出功率与外电阻的关系，9%，0 W，5 W等内容，欢迎下载使用。
知识排查
电源的电动势和内阻
1.电源
电源是把正电荷从负极搬到正极的一种装置；从能的转化角度看，电源是将其他形式的能转化为电能的装置。
2．电动势
(1)定义：电动势在数值上等于非静电力把1 C的正电荷在电源内从负极移送到正极所做的功。
(2)表达式：E＝eq \f(W,q)。
(3)物理意义：反映电源把其他形式的能转化成电能的本领大小的物理量。
3．内阻
电源内部也是由导体组成的，也有电阻，叫做电源的内阻，它是电源的另一重要参数。
闭合电路欧姆定律
1.内容：闭合电路的电流跟电源的电动势成正比，跟内、外电路的电阻之和成反比。
3．路端电压与外电阻的关系
4.路端电压U与电流I的关系
(1)关系式：U＝E－Ir。
(2)U－I图象如图所示。
①当电路断路时，即I＝0时，纵坐标的截距为电动势。
②当外电路电压U＝0时，横坐标的截距为短路电流。
③图线的斜率的绝对值为电源的内阻。
小题速练
1．(2018·青海城东区月考)下列关于电源电动势的说法中正确的是( )
A．在某电池的电路中每通过2 C的电荷量，电池提供的电能是4 J，那么这个电池的电动势是0.5 V
B．电源的路端电压增大时，其电源电动势一定也增大
C．无论内电压和外电压如何变化，其电源电动势一定不变
D．电源的电动势越大，电源所能提供的电能就越多
答案 C
2．[人教选修3－1·P63·T1]一个电源接8 Ω电阻时，通过电源的电流为0.15 A，接13 Ω电阻时，通过电源的电流为0.10 A，则电源的电动势和内阻分别为( )
A．2 V 1.5 Ω B．1.5 V 2 Ω
C．2 V 2 Ω D．1.5 V 1.5 Ω
解析 由闭合电路欧姆定律得
E＝I1(R1＋r)
E＝I2(R2＋r)
代入数据联立得r＝2 Ω，E＝1.5 V。
答案 B
3．(多选)如图1所示是某电源的路端电压与电流的关系图象，下列结论正确的是( )
图1
A．电源的电动势为6.0 V
B．电源的内阻为12 Ω
C．电源的短路电流为0.5 A
D．电流为0.3 A时的外电阻是18 Ω
解析 由于该电源的U－I图象的纵轴坐标不是从零开始的，纵轴上的截距仍为电源的电动势，即E＝6.0 V，选项A正确；由于横轴上的截距0.5 A并不是电源的短路电流，故内阻应按斜率的绝对值计算，即r＝|eq \f(ΔU,ΔI)|＝eq \f(6.0－5.0,0.5－0) Ω＝2 Ω，选项B、C错误；由闭合电路欧姆定律可得电流I＝0.3 A时，外电阻R＝eq \f(E,I)－r＝18 Ω，故选项D正确。
答案 AD
闭合电路欧姆定律及动态分析
1．判定总电阻变化情况的规律
(1)当外电路的任何一个电阻增大(或减小)时，电路的总电阻一定增大(或减小)。
(2)若开关的通、断使串联的用电器增多时，电路的总电阻增大；若开关的通、断使并联的支路增多时，电路的总电阻减小。
图2
(3)在如图2所示分压电路中，滑动变阻器可视为由两段电阻构成，其中一段R并与用电器并联，另一段R串与并联部分串联。A、B两端的总电阻与R串的变化趋势一致。
2．电路动态分析的常用“两法”
(1)程序判断法：遵循“局部→整体→部分”的思路，按以下步骤分析：
(2)极限法：即因滑动变阻器滑片滑动引起的电路变化问题，可将滑动变阻器的滑动端分别滑至两个极端去讨论。
【例1】 (多选)在如图3所示的电路中，电源的负极接地，其电动势为E、内电阻为r，R1、R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，C为电容器，A、V分别为理想电流表和电压表。在滑动变阻器的滑片P自a端向b端滑动的过程中，下列说法正确的是( )
图3
A．电压表示数减小
B．电流表示数增大
C．电容器C所带电荷量增多
D．a点的电势降低
解析 法一 程序法 滑片P由a端向b端滑动，滑动变阻器接入电路的阻值减小，则电路总电阻减小，总电流增大，电阻R1两端电压增大，电压表V示数变大，A错误；电阻R2两端的电压U2＝E－I总(R1＋r)，I总增大，则U2减小，I2＝eq \f(U2,R2)，故I2减小，电流表A的示数IA＝I总－I2增大，B正确；由于电容器两端的电压UC＝U2减小，由Q＝CUC知电容器所带电荷量Q减少，C错误；Uab＝φa－φb＝φa＝U2，故φa降低，D正确。
法二 极限法 若将滑片P滑至b点，则R3＝0，φa＝φb＝0，D正确；R2两端电压为零，则电容器C两端电压也为零，电容器所带电荷量Q＝0，C错误；当R3＝0时，电路总电阻最小，总电流最大，R1两端电压最大，故A错误；由于IA＝I1－I2，此时I1最大，I2＝0最小，故IA最大，B正确。
答案 BD
电路稳定时电容器的处理方法
电路稳定后，与电容器串联的电路中没有电流，同支路的电阻相当于导线，即电阻不起降低电压的作用，电容器两端的电压与其并联电器两端电压相等。
1．如图4所示电路中，L1、L2为两只完全相同、阻值恒定的灯泡，R为光敏电阻(光照越强，阻值越小)。闭合电键S后，随着光照强度逐渐增强( )
图4
A．L1逐渐变暗，L2逐渐变亮
B．L1逐渐变亮，L2逐渐变暗
C．电源内电路消耗的功率逐渐减小
D．光敏电阻R和L1消耗的总功率逐渐增大
解析 当光照增强时，光敏电阻的阻值减小，电路的总电阻减小，由闭合电路欧姆定律可得，电路中总电流逐渐增大，则L2逐渐变亮，U内＝Ir增大，由U＝E－Ir可知，路端电压减小，L2两端的电压增大，则L1两端的电压逐渐减小，故L1逐渐变暗，故选项A正确，B错误；电路中总电流增大，由P＝I2r知电源内电路消耗功率逐渐增大，故选项C错误；将L2看成电源内电路的一部分，光敏电阻R和L1消耗的总功率是等效电源的输出功率，由于等效电源的内阻大于外电阻，所以当光敏电阻的阻值减小，即外电阻减小时，等效电源的内、外电阻相差更大，输出功率减小，则光敏电阻R和L1消耗的总功率逐渐减小，故选项D错误。
答案 A
2．如图5所示的闭合电路中，当滑动变阻器的滑片P从b滑向a的过程中，V1、V2两个电压表示数的变化量分别为ΔU1、ΔU2，则它们的大小相比较应是( )
图5
A．|ΔU1|＞|ΔU2| B．|ΔU1|＜|ΔU2|
C．|ΔU1|＝|ΔU2| D．无法判断
解析 滑动变阻器与电阻R1、R2串联，电压表V1测滑动变阻器与电阻R1串联部分的电压，V2测定值电阻R2两端的电压；当滑动变阻器的滑片从b向a移动时，滑动变阻器接入电路的阻值减小，电路总电阻减小，总电流增大，则电源内阻上分得的电压变大，定值电阻R2两端电压增大，电压表V1的示数变小，变化量为ΔU1，由于电源电动势不变，故有|ΔU1|＝|ΔU2|＋|ΔUr|。即|ΔU1|＞|ΔU2|。故选项A正确。
答案 A
闭合电路中的功率和效率问题
1．电源的功率和效率
2.电源的输出功率与外电阻的关系
由P出与外电阻R的关系图象可知：
(1)当R＝r时，电源的输出功率最大，最大值Pmax＝eq \f(E2,4r)。
(2)当R＞r时，随着R的增大，输出功率P出越来越小。
(3)当R＜r时，随着R的增大，输出功率P出越来越大。
(4)当P出＜Pmax且不为0时，每个输出功率对应两个外电阻R1和R2，且R1R2＝r2。【例2】 如图6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，则当保护电阻R0消耗的电功率最大时，这个电阻箱R的读数和电阻R0消耗的电功率的最大值为( )
图6
A．1 Ω 4 W B．1 Ω 8 W
C．0 8 W D．0.5 Ω 8 W
解析 保护电阻消耗的功率为P0＝eq \f(E2R0,（r＋R＋R0）2)，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＝eq \f(E2R0,（r＋R0）2)＝eq \f(62×0.5,1.52) W＝8 W。故选项C正确。
答案 C
【拓展1】 在【例2】中的条件不变，则当电阻箱R的读数为多少时，电阻箱R消耗的功率PR最大且这个最大值为( )
A．1 Ω 6 W B．0.5 Ω 8 W
C．1 Ω 1.5 W D．1.5 Ω 6 W
解析 这时要把保护电阻R0与电源内阻r合在一起，等效为电源内阻(r＋R0)，根据以上结论，当R＝r＋R0＝(1＋0.5) Ω＝1.5 Ω时，PRmax＝eq \f(E2,4（r＋R0）)＝eq \f(62,4×1.5 ) W＝6 W。故选项D正确。
答案 D
【拓展2】 在【例2】中，若电阻箱R的最大值为3 Ω，R0＝5 Ω，则当电阻箱R读数为多少时，电阻箱R的功率最大且这个最大值为( )
A．3 Ω 4 W B．2 Ω eq \f(4,3) W
C．3 Ω eq \f(4,3) W D．1 Ω 4 W
解析 把R0＝5 Ω当作电源内阻的一部分，则等效电源内阻r等为6 Ω，而电阻箱R的最大值为3 Ω，小于6 Ω，电阻箱R消耗的功率P＝(eq \f(E,R＋r等))2R＝eq \f(E2,\f(（R－r等）2,R)＋4r等)，则不能满足R＝r等，当电阻箱R的电阻取3 Ω时，R消耗功率最大，最大值为P＝(eq \f(E,R＋r等))2R＝eq \f(4,3) W。故选项C正确。
答案 C
【拓展3】 在【例2】中的条件不变，则电源的最大输出功率为( )
A．3 W B．4 W C．5 W D．9 W
解析 由电功率公式P出＝(eq \f(E,R外＋r))2R外＝eq \f(E2,\f(（R外－r）2,R外)＋4r)，
当R外＝r时，P出最大，即R＝r－R0＝0.5 Ω时，P出max＝eq \f(E2,4r)＝eq \f(62,4×1) W＝9 W。故选项D正确。
答案 D
解决最大功率问题的两点注意
(1)解决最大功率问题时，要弄清是定值电阻还是可变电阻的最大功率，定值电阻的最大功率用P＝I2R＝eq \f(U2,R)分析，可变电阻的最大功率用等效电源法求解。
(2)电源输出功率最大时，效率并不是最大，只有50%。
1．(多选)(2018·海南卷)如图7，三个电阻R1、R2、R3的阻值均为R，电源的内阻r＜R，c为滑动变阻器的中点。闭合开关后，将滑动变阻器的滑片由c点向a端滑动。下列说法正确的是( )
图7
A．R2消耗的功率变小
B．R3消耗的功率变大
C．电源输出的功率变大
D．电源内阻消耗的功率变大
解析 当滑动变阻器的滑片在中点c时，电路中并联部分阻值最大，将滑动变阻器的滑片由c点向a端滑动时，并
联部分阻值减小，因R1＞r，故外电阻越小，电源的输出功率越大，选项C正确；电路中并联部分阻值减小，故电路总阻值减小，总电流增大，电源内阻消耗的功率变大，选项D正确；电路中并联部分阻值减小，根据串联分压规律，并联部分的电压减小，滑动变阻器的滑片由c点向a端滑动时，右侧并联部分电阻增大，电流减小，R3消耗的功率变小，选项B错误；电路总电流增大，右侧部分电流减小，故左侧部分电流增大，R2消耗的功率变大，选项A错误。
答案 CD
2．(多选) (2019·长沙长郡中学模拟)如图8为直流电动机提升重物的装置，重物的重量G＝500 N，电源电动势E＝90 V，电源内阻r＝2 Ω，不计各处摩擦，当电动机以v＝0.6 m/s 的恒定速度向上提升重物时，电路中的电流I＝5 A，下列判断正确的是( )
图8
A．电动机消耗的总功率为400 W
B．电动机线圈的电阻为0.4 Ω
C．电源的效率约为88.9%
D．电动机的效率为75%
解析 重物被提升的功率P重＝Fv＝Gv＝500×0.6 W＝300 W，此时电路中的电流I＝5 A，则电源的总功率P总＝EI＝90×5 W＝450 W，设电动机线圈的电阻为R，根据能量守恒定律得P总＝P重＋I2r＋I2R，则得R＝eq \f(P总－P重－I2r,I2)＝eq \f(450－300－52×2,52) Ω＝4 Ω，电动机消耗的总功率P电＝P重＋I2R＝400 W，电源的效率η1＝eq \f(P总－I2r,P总)×100%＝eq \f(450－52×2,450)×100%≈88.9%，电动机的效率η2＝eq \f(P重,P重＋I2R)×100%＝eq \f(300,300＋52×4)×100%＝75%，故选项A、C、D正确，B错误。
答案 ACD
对电源U－I图线的理解和应用
1．对电源U－I图线的理解
(1)截距
如图所示，纵轴上的截距等于电源的电动势；横轴上的截距等于外电路短路时的电流，即I短＝eq \f(E,r)。
(2)斜率
图线斜率的绝对值等于电源的内阻，即r＝|eq \f(ΔU,ΔI)|＝eq \f(E,I短)，斜率的绝对值越大，表明电源的内阻越大。
(3)图线上的点
图线上任一点对应的U、I的比值为此时外电路的电阻，即R＝eq \f(U,I)。
(4)面积
面积UI为电源的输出功率，而电源的总功率P总＝EI，P总－P出＝EI－UI为电源内部消耗的功率。
2．三种图象的比较
【例3】 (多选)如图9所示，图中直线①表示某电源的路端电压与电流的关系图线，图中曲线②表示该电源的输出功率与电流的关系图线，则下列说法正确的是 ( )
图9
A．电源的电动势为50 V
B．电源的内阻为eq \f(25,3) Ω
C．电流为2.5 A时，外电路的电阻为15 Ω
D．输出功率为120 W时，输出电压是30 V
解析 电源的路端电压和电流的关系为U＝E－Ir，显然直线①的斜率的绝对值等于r，纵轴的截距为电源的电动势，从题图中看出E＝50 V，r＝eq \f(50－20,6－0) Ω＝5 Ω，A正确，B错误；当电流为I1＝2.5 A时，由回路中电流I1＝eq \f(E,r＋R外)，解得外电路的电阻R外＝15 Ω，C正确；当输出功率为120 W 时，由题图中P－I关系图线看出对应干路电流为4 A，再从U－I图线读取对应的输出电压为30 V，D正确。
答案 ACD
1．(多选)如图10所示的U－I图象中，直线Ⅰ为某电源的路端电压与电流的关系图线，直线Ⅱ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，由图象可知( )
图10
A．R的阻值为1.5 Ω
B．电源电动势为3 V，内阻为0.5 Ω
C．电源的输出功率为3.0 W
D．电源内部消耗功率为1.5 W
解析 电阻R的U－I图线Ⅱ的斜率等于电阻R的阻值，R＝1.5 Ω，选项A正确；由电源的路端电压与电流的关系曲线Ⅰ知E＝3.0 V，图线Ⅰ的斜率的绝对值等于电源内阻，r＝1.5 Ω，选项B错误；电源的路端电压与电流的关系图线和电阻R的U－I图线交点纵、横坐标的乘积表示电源的输出功率，P出＝UI＝1.5×1.0 W＝1.5 W，选项C错误；由EI＝P出＋P内解得电源内部消耗的功率为P内＝EI－P出＝3.0×1.0 W－1.5 W＝1.5 W，选项D正确。
答案 AD
2．(多选)(2018·浙江宁波八校联考)在如图11甲所示的电路中，电源电动势为3.0 V，内阻不计，L1、L2为相同规格的小灯泡，这种小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示，R为定值电阻，阻值为7.5 Ω。当开关S闭合后( )
图11
A．L1的电阻为eq \f(1,12) Ω
B．L1消耗的电功率为7.5 W
C．L2的电阻为7.5 Ω
D．L2消耗的电功率为0.3 W
解析 S闭合后，L1两端的电压U1＝3.0 V，由题中乙图可知，I1＝0.25 A，故L1消耗的电功率P1＝U1I1＝0.75 W，R1＝eq \f(U1,I1)＝12 Ω，A、B错误；L2与R及电源串联，把R和电源等效成电动势为3 V，内阻为7.5 Ω 的新电源，在题图乙中作出新电源的I－U图线，如图所示，两图线的交点表示此时L2两端的电压与通过的电流的大小，即L2两端电压U2＝1.5 V，通过的电流I2＝0.2 A，所以R2＝eq \f(U2,I2)＝eq \f(1.5,0.2) Ω＝7.5 Ω，L2消耗的电功率P2＝U2I2＝1.5×0.2 W＝0.3 W，C、D正确。
答案 CD
电路故障的分析方法
1．故障特点
(1)断路特点：断路部分电路中电流为零，而电压不为零。因此，若外电路中某两点间电压不为零，电流为零，则两点间有断点，而这两点与电源的两极之间无断点。
(2)短路特点：表现为有电流通过而某元件两端电压为零。
2．多用电表对电路故障的检测
(1)断路故障的检测方法
①用直流电压挡
a．将电压表与电源并联，若电压表示数不为零，说明电源良好，若电压表示数为零，说明电源损坏。
b．在电源完好时，再将电压表与外电路的各部分电路并联。若电压表示数等于电源电动势，则说明该部分电路中有断点。
②用直流电流挡。
将电流表串联在电路中，若电流表的示数为零，则说明与电流表串联的部分电路断路。
③用欧姆挡检测
将各元件与电源断开，然后接到红、黑表笔间，若有阻值
(或有电流)说明元件完好，若电阻无穷大(或无电流)说明此元件断路。
(2)短路故障的检测方法
①将电压表与电源并联，若电压表示数为零，说明电源被短路；若电压表示数不为零，则外电路的部分电路不被短路或不完全被短路。
②用电流表检测，若串联在电路中的电流表示数不为零，故障应是短路。
【例4】 二极管具有单向导电性，当正极接电源正极(正接)时二极管导通(电流可以通过二极管，且二极管的阻值很小，可忽略)，当负极接电源正极(反接)时二极管截止(阻值很大，电流为零)。为了验证二极管的这一特性，将其接入如图12所示电路cd之间的D处，闭合开关时灯不亮。经初步检查各接线均牢固正确，为了确定电路故障的位置，四位同学各自进行了以下操作
图12
由此可判断( )
A．同学1的操作说明故障在a、b之间
B．同学2的操作说明故障在b、c之间
C．根据同学1、3的操作即可判断故障的原因是二极管正、负极接错
D．根据同学2、4的操作即可判断故障的原因是二极管已损坏断开
解析 同学1的操作结果中，电压为零的点为b、c，黑表笔与电源是断开的，电压为6 V的点d、e与电源是相通的，说明故障只在c、d之间，选项A错误；同学2的操作结果与同学1相同，选项B错误；同学3的操作说明二极管的正极接在d点，被反接了，结合同学1的结果可以判断故障原因是二极管正、负极接错，选项C正确；由于二极管正、负极接错，同学4的操作测定的是二极管的反向电阻，应该很大，并不能表明二极管已损坏断开，选项D错误。
答案 C
1．(2018·四川乐山调研)如图13所示，移动滑动变阻器R的滑片，发现“电流表的示数为零，电压表的示数逐渐增大”，则电路的可能故障为( )
图13
A．小灯泡短路 B．小灯泡断路
C．电流表断路 D．滑动变阻器断路
解析 若小灯泡短路，电压表也被短路，示数应为零，与题不符，故A错误；若小灯泡断路，电压表与电流表组成串联电路，由于电压表内阻很大，电流表示数很小几乎为零，电压表直接测量滑片与a端间的电压，在滑片从a向b端移动时，电压表的示数将增大，与题相符，故B正确；若电流表断路，电压表中无电流，将没有读数，与题不符，故C错误；若变阻器的滑片右端断开，两个电表均无示数，若滑片左端断开，两个电表均有示数，不符合题意，故D错误。
答案 B
2．(2018·湖南八校联考)在如图14所示的电路中，开关S闭合后，由于电阻元件发生短路或断路故障，某时刻电压表和电流表的读数都增大，则可能出现了下列哪种故障 ( )
图14
A．R1短路 B．R2短路 C．R3短路 D．R1断路
解析 若电路正常，则电流表测量流过R1的支路电流，电压表测量R3两端的电压。若R1短路，则R2被短路，外电路只有电阻R3接在电源两端，电流表测量干路电流，电压表测量路端电压，两表示数均增大，A正确；若R2短路，则R1被短路，电流表示数为零，B错误；若R3短路，则电压表示数为零，C错误，若R1断路，则电流表示数为零，D错误。
答案 A
课时作业
(时间：35分钟)
基础巩固练
1．如图1所示，电源的电动势为E、内阻为r，定值电阻R的阻值也为r，滑动变阻器的最大阻值是2r。当滑动变阻器的滑片P由a端向b端滑动过程中，下列说法正确的是( )
图1
A．电压表的示数变大
B．电流表的示数变小
C．滑动变阻器消耗的功率变小
D．定值电阻R消耗的功率先变大后变小
解析 等效电路图如图所示。滑片从a端滑向b端，其接入电路的阻值RPb减小，由“串反并同”结论有，电压表示数减小，电流表示数增大，电阻R消耗的功率增大，选项A、B、D错误；把电阻R当作电源内电阻(等效电源)，则R内＝2r，RPb减小，且RPb