2020春人教版物理必修第三冊(cè)第12章《電能能量守恒定律》拓展課《電能能量守恒定律綜合問(wèn)題》學(xué)案

1、拓展課電能能量守恒定律綜合問(wèn)題一、純電阻電路與非純電阻電路的綜合分析1.兩種電路的比較純電阻電路非純電阻電路元件特點(diǎn)電路中只有電阻元件，只能把電 能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能除電阻外還包括能把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的用電器歐姆定律遵循歐姆定律I=UR不遵循歐姆定律UIR或IR能量轉(zhuǎn)化電流做功電能全部轉(zhuǎn)化為電熱電流做功電能除轉(zhuǎn)化為內(nèi)能外還要轉(zhuǎn)化為其他形式的能元件舉例電阻、電爐絲、白熾燈等電動(dòng)機(jī)、電解槽等2.電功與電熱例1如圖所示，電源電動(dòng)勢(shì) E=10 V,內(nèi)阻r = 0.5 R “8 V16 W”的久T泡L恰好能正常發(fā)光，電動(dòng)機(jī) M繞線(xiàn)的電阻Ro=1 Q求：路端電壓；電源的總功率；(3)電動(dòng)機(jī)的輸出功率。解析(1

2、)燈泡正常發(fā)光，所以路端電壓為 8 V設(shè)干路總電流為I,則U = EIr,得 I = 4 A,故 P總=EI=40 Wo(3)又 Il=H=16 A = 2 A U 8故 Im = I Il = 2 APM總 = UIM=8X2 W=16 WPM出 = PM總一IMR0=16 W-22X 1 W= 12 Wo答案 (1)8 V (2)40 W (3)12 W方法凝煉在任何電路中，P電 = UI、P熱=I2R、W= UIt、Q=I2Rt都適用。處理非純電阻電路的計(jì)算問(wèn)題時(shí)，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”找等量關(guān)系求解。U2在非純電阻電路中，Ut既不

3、表示電功也不表示電熱，是沒(méi)有意義的。 R針對(duì)訓(xùn)練1如圖所示電路中，電源的電動(dòng)勢(shì) E=110 V,電阻R1 = 21 Q電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻Ro=0.5 R開(kāi)關(guān)S1始終閉合，當(dāng)開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)時(shí)，電阻R1消耗的電功率P1 = 525 W;當(dāng)開(kāi)關(guān)S2閉合時(shí)，, 卜 ？電阻R1消耗的電功率P2=336 W,求：*(1)電源的內(nèi)阻r；當(dāng)開(kāi)關(guān)S2閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率 P出。解析(1)當(dāng)開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)被斷路，此時(shí)電路中通過(guò)的電流為I=R1 + r電阻Ri消耗的功率Pi = I2Ri,解得r = 1 Q(2)當(dāng)開(kāi)關(guān)S2閉合時(shí)，設(shè)Ri兩端的電壓為U,有 u = VP2R1設(shè)此時(shí)電源中通過(guò)的電流為I,，由閉

4、合電路白歐姆定律有 E=Ir+u流過(guò)R1的電流為I1,流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流為I2,有I1 = S，又Ii + I2=IR1電動(dòng)機(jī)的輸出功率為P出=UI2I2R), 解得P出=1 606 Wo 答案 (1)1 Q (2)1 606 W二、閉合電路中的功率問(wèn)題1 .電源的總功率(1)物理意義：電源將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的功率(2)表達(dá)式：P總 = EI。2 .電源內(nèi)部消耗的功率(1)物理意義：電源內(nèi)阻的發(fā)熱功率。(2)表達(dá)式：P內(nèi)= I2r。3 .電源的輸出功率 (1)物理意義：電源對(duì)外供電功率 (2)表達(dá)式：P出 = UI。(3)當(dāng)外電路為純電阻電路時(shí)電源的輸出功率P 出= I2R=E2E2RE2

5、(R+ r) 2R = (R-r) 2 + 4Rr = (R-r)2。- + 4rE2由此可知，當(dāng)R=r時(shí)，電源有最大輸出功率P出max = E；。P出與外電阻R的函數(shù)關(guān)系圖像幾個(gè)結(jié)論E2a.當(dāng)R=r時(shí)，電源的輸出功率最大，Pm = 口。b.當(dāng)Rr時(shí)，隨R的增大，輸出功率越來(lái)越小。d.當(dāng)P出Pm時(shí)，每個(gè)輸出功率對(duì)應(yīng)兩個(gè)可能的外電阻 R1、R2,且R1R2=r2IU外T= X 100%)= 1 P 總IEX 100%=- X 100%4 .電源的效率 IRR 1對(duì)于純電阻外電路，則 ”=，R、=占=，可見(jiàn)，外電阻R越大，電 I (R+ r)R+ r / r1 + R源的效率越高。例2(多選)如圖

6、所示，已知電源內(nèi)阻為r,定值電阻R0的阻值| 三也為r,滑動(dòng)變阻器R的總電阻為2r。若滑動(dòng)變阻器的滑片P由eH fA向B滑動(dòng)，則()A.電源的輸出功率由小變大B.定值電阻R0消耗的功率由小變大C.電源內(nèi)部的電勢(shì)降落由大變小D.滑動(dòng)變阻器消耗的功率變小解析 由題圖可知，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片 P由A向B滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器的有 效電阻在減小，外電路電阻由3r逐漸減小為r,由電源的輸出功率與外電阻的關(guān) 系可知，電源的輸出功率由小變到最大，故選項(xiàng) A正確；定值電阻R0消耗的功 率為PR0=I2R0,而電流在不斷增大，則 R0消耗的功率也由小變大，電源內(nèi)部的 電壓降Ir也由小變大，所以B正確，C錯(cuò)誤；對(duì)于滑

7、動(dòng)變阻器消耗的功率的變 化情況，可把R0+r=2r看作新電源的內(nèi)阻，可知當(dāng)R=2r時(shí)滑動(dòng)變阻器消耗的 功率最大，當(dāng)R變小時(shí)，其消耗的功率變小，選項(xiàng) D正確。答案 ABD方法總結(jié)(1)定值電阻消耗功率最大時(shí)通過(guò)的電流最大。求可變電阻消耗的功率時(shí)可將其他電阻等效為電源內(nèi)阻。例3電路圖如圖甲所示，圖乙中圖線(xiàn)是電路中的路端電壓隨電流變化的關(guān)系圖 像，滑動(dòng)變阻器的最大阻值為15 Q定值電阻R0=3 Q(1)當(dāng)R為何值時(shí)，R0消耗的功率最大？最大值為多少?(2)當(dāng)R為何值時(shí)，電源的輸出功率最大？最大值為多少?思路點(diǎn)撥(1)由圖乙可求出電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻，注意縱軸坐標(biāo)原點(diǎn)不從0開(kāi)始。(2)Ro為定值電阻，其

8、電流越大，消耗功率越大。(3)對(duì)電源來(lái)說(shuō)，R+ R0為電源外阻，當(dāng)r=R0+R時(shí)，電源輸出功率最大。解析(1)由題圖乙知電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻為20- 5E = 20 V, r = -2 Q= 7.5 Q 由題圖甲分析知道，當(dāng)R=0時(shí)，R0消耗的功率最大,E 9209最大值為 Pmax=()組0= (Q2X 3 W= 10.9 Wo當(dāng)r=R+R。，即R=4.5 Q時(shí)，電源的輸出功率最大，最大值為Pmax= (: )2(R0+ R)二(20)2 X (3+4.5) W= 13.3 Wo3 + 4.5+7.5 答案 (1)0 10.9 W (2)4.5 Q13.3 W方法總結(jié)功率最大值的求解方法 (1

9、)流過(guò)電源的電流最大時(shí)，電源的功率、內(nèi)損耗功率均最大。(2)對(duì)某定值電阻來(lái)說(shuō)，其電流最大時(shí)功率也最大。(3)電源的輸出功率在外電阻等于內(nèi)阻時(shí)最大，若不能相等，外電阻越接近內(nèi)阻, 電源的輸出功率越大。對(duì)于外電路中部分可變電阻來(lái)說(shuō)，可以寫(xiě)出其功率表達(dá)式，利用數(shù)學(xué)知識(shí)求其極值。針對(duì)訓(xùn)練2(多選)直流電路如圖所示，在滑動(dòng)變阻器的滑片P 一*1?11向右移動(dòng)時(shí)，電源的()/cA.總功率一定減小B.效率一定增大C.內(nèi)部損耗功率一定減小D.輸出功率一定先增大后減小解析 滑動(dòng)變阻器的滑片P向右移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器連入電路部分的阻值變大， 因而電流減小，由P總=IE可知電源的總功率減小，選項(xiàng) A正確；滑動(dòng)變阻器

10、連入電路部分阻值變大，路端電壓變大，由 喈Xi00%可知電源的效率增大, 選項(xiàng)B正確；內(nèi)部損耗功率為P內(nèi)= I2r,電流減小，因而內(nèi)部損耗功率減小，選 項(xiàng)C正確；電源輸出功率為外電阻消耗功率，但外電阻與內(nèi)電阻的大小關(guān)系未 知，因而不能判斷輸出功率的變化情況，選項(xiàng) D錯(cuò)誤。答案 ABC針對(duì)訓(xùn)練3在如圖所示的電路中，已知電源電動(dòng)勢(shì) E=3 V,內(nèi) 電阻r=1 R電阻Ri = 2?；瑒?dòng)變阻器R的阻值可連續(xù)增大，問(wèn): (1)當(dāng)R多大時(shí)，R消耗的功率最大？最大功率為多少？ (2)當(dāng)R多大時(shí)，Ri消耗的功率最大？最大功率為多少?解析(1)把Ri視為內(nèi)電路的一部分，則當(dāng) R=Ri+r = 3。時(shí)，R消耗的功

11、率最 大，其最大值為PmaxJ= 0.75 Wo 4R(2)對(duì)定值電阻Ri,當(dāng)電路的電流最大時(shí)其消耗的功率最大，此時(shí)R= 0,所以Pi = I2Ri = (E-)2Ri=2 WoRi + r答案 (1)3 Q 0.75 W (2)0 2 W 三、含容電路的分析與計(jì)算1 .電路穩(wěn)定后，由于電容器所在支路無(wú)電流通過(guò)，此支路相當(dāng)于斷路，因此電容 器兩極板間的電壓就等于該支路兩端的電壓。2 .電路的電流、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；如果電壓降低，電容器將通過(guò)與它連接的電路放電。3 .根據(jù)公式Q=CU或AQ = CAU,求電荷量及其變化量。4 .分析

12、和計(jì)算含有電容器的直流電路時(shí)，注意把握以下幾個(gè)方面電路穩(wěn)定時(shí)電容器在電路中就相當(dāng)于一個(gè)阻值無(wú)限大的元件，在電容器處電 路看成是斷路，畫(huà)等效電路時(shí)，可以先把它去掉。若要求電容器所帶電荷量時(shí)，可在相應(yīng)的位置補(bǔ)上，求出電容器兩端的電壓， 根據(jù)Q=CU計(jì)算。電路穩(wěn)定時(shí)電容器所在支路斷路，與電容器串聯(lián)的電阻兩端無(wú)電壓，該電阻 相當(dāng)于導(dǎo)線(xiàn)。當(dāng)電容器與電阻并聯(lián)后接入電路時(shí)，電容器兩端的電壓與并聯(lián)電阻兩端的電 壓相等。（5）電路中的電流、電壓變化時(shí)，將會(huì)引起電容器的充、放電，有 AQ=CAUo 例4如圖所示的電路中，已知電容 Ci = C2,電阻Ri=R2,電源電動(dòng)勢(shì)為E, 內(nèi)阻為r,當(dāng)開(kāi)關(guān)S由閉合狀態(tài)斷開(kāi)時(shí)

13、，下列說(shuō)法中正確的是（ ）A.電容器Ci的電荷量增多，電容器 C2的電荷量減少B.電容器Ci的電荷量減少，電容器 C2的電荷量增多C.電容器Ci、C2的電荷量都增多D.電容器Ci、C2的電荷量都減少 解析 開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，電容器Ci兩端電壓與R2兩端電壓相等，C2兩端電壓與Ri兩端電壓相等；開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，電路斷路，電容器 Ci、C2兩端電壓均等于電 源電動(dòng)勢(shì)E,由Q = CU知，電容器Ci、C2的電荷量均增多，C正確，A、B、D錯(cuò)誤。答案 C例5如圖所示，E=10 V, r=1 Q R1 = R3=5 Q R2=4 Q C=100 肉當(dāng) S斷開(kāi)時(shí)，電容器中帶電粒子恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)。求：判斷S閉合

14、前后 電路的連接特點(diǎn)分析粒子受力 求出加速度(1)S閉合后，帶電粒子加速度的大小和方向;(2)S閉合后流過(guò)R3的總電荷量。思路點(diǎn)撥求電容器兩端電 壓及電場(chǎng)強(qiáng)度由電荷量變化求出 流過(guò)R3的電荷量求出兩種情況 下電容器的電 何重解析 開(kāi)始帶電粒子恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)，必有 qE=mg且qE豎直向上。S閉合后，qE= mg的平衡關(guān)系被打破。S斷開(kāi)，帶電粒子恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)，設(shè)電容自qUc命兩極板間距離為 d,有Uc=E = 4 V, +i= mg。Ri + R2+rdR2 _S閉合后，UC =E = 8 VR2+r設(shè)帶電粒子加速度為a, 則qUCmg=ma,解得a = g,方向豎直向上。(2)S閉合后，

15、流過(guò)R3的總電荷量等于電容器上電荷的增加量，所以AQ=C(Ud Uc) = 4X10- 4 Co答案 （1）g 方向豎直向上（2）4X10-4 C針對(duì)訓(xùn)練4在如圖所示的電路中，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向下移動(dòng)時(shí)，關(guān)于電燈L的亮度及電容器C所帶電荷量Q的變化判斷正確的是（）A.L變暗，Q增大C.L變亮，Q增大B.L變暗，Q減小D.L變亮，Q減小解析 當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片向下移動(dòng)時(shí)，變阻器接入電路的電阻減小，外電路總 電阻減小，由閉合電路的歐姆定律知，干路電流增大，電源的內(nèi)電壓增大，則路端電壓減小，燈L變暗。電容器極板間電壓等于變阻器兩端的電壓。由上得知，路端電壓減小，則通過(guò)L燈的電流減小，而干路電流增大

16、，則通過(guò) Ri的電流增大，Ri兩端電壓也增大，則滑動(dòng)變阻器兩端的電壓減小，電容器所帶電荷量Q減小，故B正確，A、C、D錯(cuò)誤。答案 B針對(duì)訓(xùn)練5如圖所示，電源電動(dòng)勢(shì)E=10 V,內(nèi)阻可忽略，Ri = 4 Q R2 = 6 QC=30仃求：ic 帽（1）S閉合后，穩(wěn)定時(shí)通過(guò) Ri的電流；（2）S原來(lái)閉合，然后斷開(kāi)，這個(gè)過(guò)程中流過(guò) Ri的總電荷量。解析（i）S閉合后，電路穩(wěn)定時(shí)，Ri、R2串聯(lián)，電流I = i AoRi+R2（2）S閉合時(shí)，電容器兩端電壓 Uc=U2=|R2 = 6 V,儲(chǔ)存的電荷量 Q=CUcUc=E,儲(chǔ)存的電荷量Q= CUcS斷開(kāi)至達(dá)到穩(wěn)定后電路中電流為零，此時(shí) 電容器上的電荷量

17、增加了Q = Q Q = CUc CUc=1.2X 10-4 C。電容器上電荷量的增加是在 S斷開(kāi)以后才發(fā)生的，這只有通過(guò)Ri這條電路實(shí)現(xiàn), 所以流過(guò)Ri的電荷量就是電容器帶電荷量的增加量 答案（1）1 A （2）1.2X10 4 C學(xué)習(xí)i平價(jià) 反惜課堂妓果；|1.（對(duì)電源功率和效率的理解）如圖所示，A為電源的U I圖線(xiàn)，UNB為電阻R的U-I圖線(xiàn)，用該電源和電阻組成閉合電路時(shí)，電源的輸出功率和效率分別是（）*| I 2 訃 4 1 11A.4 W, 1B.2 W, 133C.4 W, 2D.2 W, 233解析 從題圖可知E = 3 V,圖線(xiàn)A和圖線(xiàn)B的交點(diǎn)是電源和電阻R構(gòu)成閉合電 P出 2

18、 一 一路的工作點(diǎn)，因此P出= UI=4 W, P總=EI = 6 Wo電源的效率“=故CP總3正確，A、B、D錯(cuò)誤 答案 C2.（閉合電路中功率的分析）如圖所示電路中，定值電阻 R2=r（r 為電源內(nèi)阻），滑動(dòng)變阻器的最大阻值為 R1且R1? R2+r,在滑 動(dòng)變阻器的滑片P由左端a向右滑動(dòng)的過(guò)程中，以下說(shuō)法正確 的是（）A.電源的輸出功率變小B.R2消耗的功率先變大后變小C.滑動(dòng)變阻器消耗的功率先變大后變小D.以上說(shuō)法都不對(duì)解析 滑片向右移動(dòng)，滑動(dòng)變阻器接入電路部分電阻變小，電路中的電流變大。R2是定值電阻，由P2=|2R2可判斷P2增大，B項(xiàng)錯(cuò)誤；由于Ri減小，R外=R1 + R2減小，故不能根據(jù)P=I2R來(lái)判斷其功率 的變化。利用電源的輸出功率隨外電阻變化的關(guān)系曲線(xiàn)， 如圖所示，因?yàn)橥怆娮枋冀K不小于內(nèi)阻，故可判斷電源輸出功率增大,A項(xiàng)錯(cuò)誤；考慮滑動(dòng)變阻器上的功率消耗時(shí)，可以把R2看成電源內(nèi)阻的一部分當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值等于2r時(shí),消耗