2025高考物理步步高同步练习必修3专题强化8　闭合电路的动态分析　含有电容器的电路

2025高考物理步步高同步练习必修3闭合电路的动态分析含有电容器的电路[学习目标]1.会应用闭合电路的欧姆定律分析闭合电路的动态问题.2.会分析含有电容器的电路问题．一、闭合电路的动态分析导学探究在如图所示的电路中，当滑动变阻器的滑片P向右滑动时，回路的总电流、路端电压如何变化？通过R1、R2和滑动变阻器的电流如何变化，它们两端的电压如何变化？知识深化闭合电路动态问题的分析方法(1)程序法：遵循“局部—整体—局部”的思路，按以下步骤分析(如图)：(2)结论法——“串反并同”“串反”：是指某一电阻增大时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小；某一电阻减小时，与它串联或间接串联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大．“并同”：是指某一电阻增大时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将增大；某一电阻减小时，与它并联或间接并联的电阻中的电流、两端电压、电功率都将减小．例1电动势为E、内阻为r的电源与定值电阻R1、R2及滑动变阻器R连接成如图所示的电路．当滑动变阻器的滑片由中点滑向b端时，下列说法正确的是()A．电压表和电流表读数都增大B．电压表和电流表读数都减小C．电压表读数增大，电流表A1读数减小，A2读数增大D．电压表读数减小，电流表A1读数增大，A2读数减小例2(2022·黑龙江勃利县高级中学高二期末)在如图所示的电路中，Rt为半导体热敏电阻，温度升高时电阻减小．闭合开关，灯泡L1、L2、L3的亮度相同；当Rt处的温度升高时，小灯泡的亮度变化情况是()A．L1变亮，L2变暗，L3变亮B．L1变暗，L2变亮，L3变暗C．L1、L2变亮，L3变暗D．L1、L2变暗，L3变亮例3如图所示，E为内阻不能忽略的电池，R1、R2、R3为定值电阻，S0、S为开关，与分别为电压表与电流表．初始时S0与S均闭合，现将S断开，则()A.的读数变大，的读数变小B.的读数变大，的读数变大C.的读数变小，的读数变小D.的读数变小，的读数变大二、含电容器的电路1．在直流电路中，当电容器充、放电时，电路中有充、放电电流．如果电容器两端电压升高，电容器将充电；如果电容器两端电压降低，电容器将通过与它连接的电路放电．2．电路稳定后，电容器处电路可看成是断路，由于电容器所在支路无电流通过，所以在此支路中的电阻上无电压降低，因此电容器两极板间的电压就等于该支路两端的电压．3．当电容器和电阻并联后接入电路时，电容器两极板间的电压与其并联电阻两端的电压相等．4．电容器的充、放电过程结束后，通过对电路的分析与计算得出电容器两极板的电势，电势高的极板带正电．5．充电时电容器相当于用电器，电流从正极进，放电时电容器相当于电源，电流从正极出．例4在如图所示的电路中，当滑动变阻器的滑片向下移动时，关于灯L的亮度及电容器C所带电荷量Q的变化判断正确的是()A．L变暗，Q增多 B．L变暗，Q减少C．L变亮，Q增多 D．L变亮，Q减少例5(2022·重庆市江津中学高二开学考试)如图所示，电源电动势E＝6V，内阻r＝1Ω，电阻R1＝2Ω，R2＝3Ω，R3＝7.5Ω，电容器电容C＝2μF，开关S原来断开，现在合上开关S到电路稳定，则()A．S断开时电容器的电压为2VB．S断开时电容器a极板带负电C．S合上电路稳定后电容器b极板带负电D．S合上流过电流表A的电荷量为9.6×10－6C针对训练(2022·瑞丽市第一民族中学高二期末)阻值相等的四个电阻、电容器C及电池E(内阻可忽略)连接成如图所示电路．开关S断开且电流稳定时，C所带的电荷量为Q1，闭合开关S，电流再次稳定后，C所带的电荷量为Q2.Q1与Q2的比值为()A.eq\f(2,5)B.eq\f(1,2)C.eq\f(3,5)D.eq\f(2,3)闭合电路的功率故障分析[学习目标]1.会计算闭合电路的功率和效率，掌握电源的输出功率随外电阻变化的图像.2.会结合闭合电路欧姆定律和部分电路欧姆定律分析电路故障．一、闭合电路中的功率和效率1．闭合电路中的功率项目电源的总功率P总电源的热功率P热电源的输出功率P出普遍适用的表达式P总＝EIP热＝I2rP出＝U外I纯电阻电路中的表达式P总＝eq\f(E2,R＋r)＝I2(R＋r)P热＝I2rP出＝I2R＝eq\f(E2R,R＋r2)联系P总＝P热＋P出2.电源输出功率P出随外电阻R的变化规律(1)电源的输出功率P出＝U外I＝I2R＝eq\f(E2,R＋r2)R＝eq\f(E2R,R－r2＋4Rr)＝eq\f(E2,\f(R－r2,R)＋4r)，可见，当R＝r时，电源有最大输出功率，Pmax＝eq\f(E2,4r).(2)电源的输出功率随外电路电阻R变化的图像如图所示．①当R<r时，若R增大，则P出增大；当R>r时，若R增大，则P出减小．即在R≥r或R≤r的情况下，|R－r|越大，P出越小；|R－r|越小，P出越大；|R－r|＝0，P出最大．②当P出<Pm时，每个P出对应两个可能的外电阻，如图中的R1、R2，根据功率数值相等可以推导出R1·R2＝r2.(3)电源的效率η＝eq\f(P出,P总)×100%＝eq\f(UI,EI)×100%＝eq\f(U,E)×100%＝eq\f(R,R＋r)×100%＝eq\f(1,1＋\f(r,R))×100%.由此可见，外电路电阻R越大，电源的效率越高，当R＝r时电源的输出功率最大，电源的效率η＝50%.当外电阻等于电源内阻时，电源的输出功率最大，此时电源的输出功率为50%，而电源的效率随着外电阻的增大而增大，故不能错误地认为电源的输出功率最大时效率也最高．例1(2021·北京十一中期中)如图所示，电路中电池的电动势E＝5V，内阻r＝10Ω，定值电阻R＝90Ω，R0是可变电阻，在R0从零增大到400Ω的过程中：(1)可变电阻R0为多少时消耗的热功率最大？该最大热功率是多少？(2)求电池的内阻r和固定电阻R消耗的最小热功率之和．(3)R0调到多少时电阻R上消耗的功率最大？该最大热功率是多少？功率最大值的求解方法1．对定值电阻来说，其电流最大时功率也最大．2．电源的输出功率在外电阻等于内阻时最大，若不能相等，外电阻越接近内阻，电源的输出功率越大．3.如图，求解滑动变阻器R2消耗的最大功率时，可把定值电阻R1等效为电源内阻的一部分，则R2＝R1＋r时，R2上消耗的功率最大．针对训练1(多选)(2022·绥化市第一中学高二期末)如图所示，电动势为E、内阻为r的电池与定值电阻R0、滑动变阻器R串联，已知R0＝r，滑动变阻器的最大阻值是3r.当滑动变阻器的滑片P由b端向a端滑动时，下列说法中正确的是()A．路端电压变大B．电源的输出功率先变大后变小C．滑动变阻器消耗的功率变小D．定值电阻R0上消耗的功率变小例2如图所示，线段A为某电源的U－I图线，线段B为某电阻R的U－I图线，由上述电源和电阻组成闭合电路时，求：(1)电源的输出功率P出是多大？(2)电源内部损耗的电功率P内是多少？(3)电源的效率η是多大？1.稳定电路的U－I图像有两种：一是电源的U－I图像(如图中a)；二是用电器的U－I图像，而用电器的U－I图像又分两类：线性(图中b)和非线性(图中c)．2．两种图像的交点坐标表示该用电器单独与电源串联的工作电流和路端电压(也是用电器两端的电压)．如图，电源的输出功率分别为Pb＝U1I1，Pc＝U2I2.例3(多选)如图所示，直线OC为电源A的总功率随电流I变化的图线，抛物线ODC为该电源内部热功率随电流I变化的图线．若该电源与电阻B串联后，电路中的电流为0.8A，则下列说法正确的是()A．电阻B的阻值为10ΩB．电源A的内阻为2ΩC．电源A与电阻B串联后，路端电压为6.4VD．电源A与电阻B串联后，电源A内部热功率为1.6W二、电路故障分析1．常见故障：断路、短路．2．常用方法：假设法假设某电阻发生断路(或短路)，根据闭合电路动态分析方法判断实际现象与题中情景是否相符，进而找出电路故障．例4(多选)(2022·湖南宁乡市教育研究中心高二期末)如图所示的电路中，闭合开关S，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，分析电路特点，若只有某一个元件发生故障，下列情