1、第四、五章 闭合电路电能与能源的可持续发展 一、主干知识成体系 二、迁移交汇辨析清 一、直流电路的故障分析与判断 1电路常见故障(1)断路；(2)短路。2电路故障特点(1)断路特点：电路中发生断路时，电源电压不为零，而电流为零；如果断路出现在干路中，则发生断路的地方其两端电压等于电源电压。(2)短路特点：电路中的某部分发生短路时，表现为有电流通过电路而该部分电路两端电压为零。3电路故障部位的检测和判断(1)断路故障的检测和判断(假设只有一个断点)：用电压表与电源并联检测电路中是否有电压，若有电压时，再逐段与电路并联，若电压表指针偏转，则该段电路中有断点。(2)短路故障的检测和判断：用电压表与电
2、源并联，再逐段与电路并联，若电压表示数为零，则该段电路被短路；若电压表示数不为零，则该段电路没被短路。针对训练 1.(2021衡水中学检测)如图所示的电路，闭合开关，灯L1、L2正常发光。由于电路出现故障，突然发现L1变亮，L2变暗，电流表的读数变小，根据分析，发生的故障可能是()AR1断路BR2断路 CR3短路DR4短路 解析：等效电路如图所示，若R1断路，总外电阻变大，总电流减小，路端电压变大，L1两端电压变大，L1变亮；ab部分电路结构没变，电流仍按原比例分配，总电流减小，通过L2、R4的电流都减小，故A符合题意；若R2断路，总电阻变大，总电流减小，ac部分电路结构没变，电流仍按原比例分
3、配，R1、L1中电流都减小，与题意相矛盾，故B不符合题意；若R3短路或R4短路，总电阻减小，总电流增大，电流表读数变大，与题意相矛盾，故C、D不符合题意。答案：A 2.在如图所示的电路中，闭合开关时，灯泡不亮，已经确定是由灯泡断路或短路引起的，在不能拆开电路的情况下(开关可闭合，可断开)，现用一个多用电表的直流电压挡、直流电流挡和欧姆挡分别对故障电路进行如下检查并做出判断(如表所示)。次序 操作步骤 现象和结论 1 闭合开关，选直流电压挡，红、黑表笔分别接a、b 指针偏转，灯泡断路；指针不偏转，灯泡短路 2 闭合开关，选直流电流挡，红、黑表笔分别接a、b 指针偏转，灯泡断路；指针不偏转，灯泡短
4、路 3 闭合开关，选欧姆挡，红、黑表笔分别接a、b 指针不动，灯泡断路；指针偏转，灯泡短路 4 断开开关，选欧姆挡，红、黑表笔分别接a、b 指针不动，灯泡断路；指针偏转最大，灯泡短路 以上操作和判断错误的是()A1B2 C3D4 解析：用直流电压挡接a、b时，若电压表有示数，说明其他位置都是通路，故灯泡断路；若电压表无示数，说明灯泡短路，故A正确；用直流电流挡接a、b时，若电流表有示数，说明其他位置都是通路，故灯泡断路；若电流表无示数，则说明灯泡短路，故B正确；用欧姆挡接a、b时，必须先断开电源的开关，故C错误；若断开开关，用欧姆挡接a、b时，有示数且指针偏转非常大，说明a、b间电阻接近为0，
5、故灯泡应该是短路；若无指针偏转，则说明a、b间电阻为无穷大，灯泡断路，故D正确。答案：C 二、闭合电路中的图像问题分析与应用 图像既能反映物理量之间的规律关系，又是分析和解决物理问题的一种工具，因此我们把各物理量间的关系或物理过程绘制成图像，既可以帮助分析推理，又可根据图像直接求解。闭合电路中各物理量间的变化关系大都可以用有关图像表示。只要明确各种图像中点、线、面积、斜率及截距等物理量的含义并正确使用图像，闭合电路问题的求解就会既快捷准确又方便灵活。闭合电路中常见的图像有：类型表达式图像物理意义I-R 图像I ERr纵截距为短路电流，I 随 R 增大而减小U-R图像U ERRrE1rRU 随
6、R 的增大而增大，但为非线性关系U-I 图像UEIr纵截距为 E，横截距为 I 短，斜率的绝对值等于 rP 出-R图像P 出E2Rr2R当 Rr 时，电源的输出功率最大，PmaxE24RE24r；当 Rr 时，电源的输出功率随 R 的增大而减小；当 Rr 时，电源的输出功率随 R 的增大而增大续表P 出-I图像P 出EII2r当 IE2r时，电源的输出功率的最大值为E24r；当 IE2r时，电源的输出功率随 I 的增大而增大；当 IE2r时，电源的输出功率随 I 的增大而减小-R图像 RRr11rR电源的效率随外电路电阻的增大而增大续表1I-R 图像1I1ERrE图像的斜率表示1E，纵截距为r
7、E，横截距为r1U-1R图像1UrE1R1E图像的纵截距为1E，斜率为rE，横截距为1r续表针对训练3.多选如图所示，为测电源电动势和内电阻时，依据测量数据做出的路端电压与电流强度的关系图线，C、E 分别是图像上 D 点对应的纵坐标、横坐标，A、B 为图像纵截距与横截距，由图线可知()A比值DEOE表示外电路电阻B比值CDAD表示电源内电阻C比值COAC表示电源效率D矩形 OCDE 的面积表示电源的输出功率解析：比值DEOE表示路端电压 U 与电流 I 的比值，等于外电路电阻，故 A 正确；比值ACCD、AOOB表示图线的斜率的绝对值，表示电源的内阻，比值OCOA表示电源效率，COAC、CDA
8、D无具体的物理意义，B、C 错误；矩形 OCDE 的面积等于路端电压 U 与电流 I 的乘积，等于电源的输出功率，故 D 正确。答案：AD 4如图所示为甲、乙两灯泡的I-U图像，根据图像，计算甲、乙两灯泡串联在电压为220 V的电路中时实际发光的功率分别约为()A5 W,3 WB20 W,12 W C46 W,40 WD60 W,70 W 解析：两灯泡串联，故两灯泡中电流相等，而两灯泡两端的电压为220 V，则由题图可知，两灯泡的电流均约为I15102 A，甲的电压约为U1140 V，而乙的电压约为U280 V，故甲的电功率为P甲U1I14015102 W21W，而乙的电功率为P乙801510
9、2 W12 W，故B正确，A、C、D错误。答案：B 三、创新应用提素养(一)在家庭生活中的应用 1下表为某电饭锅铭牌上的一部分内容。根据表中的信息，可计算出电饭锅正常工作时的电流约为()电器名称 电饭锅 额定功率 700 W 额定电压 220 V 额定容量 4.0 L A6.2 AB4.6 A C3.2 AD5.5 A 解析：根据 PUI 可知，电饭锅正常工作时的电流 IPU700220 A3.2 A，故 C正确。答案：C2.如图所示为一种环保“重力灯”，让重物缓慢下落，拉动绳子，从而带动发电机转动，使小灯泡发光。某“重力灯”中的重物为18 kg，它在30 min内缓慢下落了2 m,使规格为“
10、1.5 V,0.12 W”的小灯泡正常发光。不计绳子重力，则以下说法正确的是()A绳子拉力对重物做正功 B重物重力做功的功率为0.12 W C30 min内产生的电能为360 J D重物重力势能转化为灯泡电能的效率为60%解析：绳子对重物的拉力方向竖直向上，重物竖直向下运动，故绳子拉力对重物做负功，故 A 错误；重物重力做功的功率为 PWt mght 181023060W0.2 W，故 B 错误；30 min 内产生的电能为 W 电P 灯泡t0.123060 J216 J，故 C 错误；重物重力势能转化为灯泡电能的效率为 W电W重2161810260%，故 D 正确。答案：D 3.(2021佛
11、山四校联考)如图为某扫地机器人，其内部电机的电阻为 0.5，内置锂电池容量为 9 Ah，额定功率为 24 W，额定电压为 8 V，则该扫地机器人正常工作时()A额定工作电流是 3 A B额定工作电流是 16 A C扫地机器人电池充满电之后最长工作时间为9 h D扫地机器人每秒消耗电能为 128 J 解析：额定工作电流是 IPU248 A3 A，A 正确，B 错误；题中“Ah”是电荷量的单位，则 tQI 9 Ah3 A 3 h，C 错误；根据 WPt，解得 W241 J24 J，D 错误。答案：A(二)在交通工具中的应用4.为减少汽车排放带来的污染，很多城市开始使用电动汽车，现有一辆质量为2 t
12、的某品牌电动汽车，其电池每次充满电后能提供的总电能为60 kWh，充电时，直流充电桩充电电压为400 V，充电时间为4.5 h，充电效率为95%，以108km/h的速度在平直高速公路匀速行驶时汽车将总电能转化为机械能的效率为90%，汽车受到的阻力为重力的0.03倍，g取10 N/kg，由此可知()A充电的平均电流为33 AB汽车牵引力的功率为15 kWC汽车能匀速行驶的时间为3 hD汽车能匀速行驶的距离为350 km解析：由题可知，电能 W 电60 kWh60103 Wh，则由 W 充UIt 可知，充电电流为 I6010395%4004.5 A35 A，故 A 错误；当汽车匀速行驶时，牵引力等
13、于阻力的大小，即 Fkmg0.03210310 N600 N，则牵引力的功率为 PFv6001083.6 W18103 W18 kW，故 B 错误；汽车能匀速行驶的时间tW电P 6090%18h3 h，则汽车匀速行驶的最大距离为 xvt1083 km324 km，故 C 正确，D 错误。答案：C5多选如图为某品牌共享电动单车，与普通电动车不同的是，该共享电动单车采用“共享充电宝自行车的方式”，其电池与普通充电宝类似，电池容量只有20 000 mAh，输入、输出电压均为10 V，输入电流为8 A，输出电流为15 A，可以支持驱动人和单车行驶10 km左右。已知成人在平路上骑电动单车所受阻力约为2
14、0 N，则()A该单车电池最多储存电能为7.2104 J B该单车电池充电时，从零电量充至满电量大约需要时间2.5 h C该单车电池电能的有效利用率约为27.8%D成人采用“电动人力”方式在平路上骑行时，最大行车速度为7.5 m/s 解析：此电动单车最大存储电能为 W电UItUq10 V20 000 mAh10 V203 600 C7.2105 J，故 A 错误；此电动单车充电时间 tqI20 0001038h2.5 h，故 B 正确；此电动单车行驶的过程中受到的阻力为 20 N，则消耗的电能Wfs2010103 J2.0105 J，电动单车电池电能的有效利用率约为 WW电100%2.01057.2105100%27.8%，故 C 正确；由题知，单车输出电压为 10 V，输出电流为 15 A，则成人在平路上骑单车时，只靠电力驱动时，PUI1015 W150 W，又知 PFv，速度最大时 Ff，解得最大速度 vm7.5 m/s，如果存在人力，则速度大于 7.5 m/s，故 D 错误。答案：BC