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阶段验收评价(四) 电能 能量守恒定律
(时间：75分钟 满分：100分)
一、单项选择题(本题共7小题，每小题4分，共28分。在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的)
1．现代社会倡导“绿色、低碳、节能”的新型生活方式。下列做法不符合节能要求的是( )
A．电脑使用完毕后关机并切断电源
B．电视机长时间处于待机状态
C．长时间外出需要切断热水器电源
D．手机充电结束后拔掉充电器
解析：选B 电脑使用完毕后关机并切断电源，长时间外出需要切断热水器电源，手机充电结束后拔掉充电器，这三种做法符合节能要求，电视机长时间处于待机状态不符合节能要求。故选B。
2．如图所示为甲、乙两灯泡的I U图像，根据图像，计算甲、乙两灯泡并联在电压为220 V的电路中时实际发光的功率约为( )
A．15 W 30 W B．30 W 40 W
C．40 W 60 W D．60 W 100 W
解析：选C 从图像的横坐标(U)为220 V的刻度可找出对应的纵坐标(I)的值分别为I甲＝0.18 A，I乙＝0.27 A。则P甲＝UI甲≈40 W，P乙＝UI乙≈60 W，C正确。
3.如图所示的电路中，电源的电动势为E，内电阻为r。闭合开关S，在滑动变阻器的滑片P向左移动的过程中，下列说法正确的是( )
A．电容器C上的电荷量增加
B．电源的总功率变小
C．电压表读数变大
D．电流表读数变大
解析：选D 当滑片向左滑动的过程中，其有效阻值变小，所以根据闭合电路欧姆定律得知，干路电流变大，电源的内电压变大，路端电压变小，则电流表读数变大，电压表读数变小，故C错误，D正确；与滑动变阻器并联的电容器两端电压变小，电容不变，则由C＝知电容器C上电荷量减小，故A错误；电源的总功率P＝EI，与电流的大小成正比，则知电源的总功率变大，故B错误。
4.如图所示电路，电阻R1未知。闭合开关，移动滑动变阻器R2的滑片P，通过电压表、电流表示数可以求得的物理量是( )
A．E B．r
C．E和r D．E和r都不能
解析：选A 闭合开关，移动滑动变阻器R2的滑片P，记下电压表和电流表的读数U1和I1，再次改变滑片P的位置，得到电压表和电流表的读数U2和I2，则由闭合电路欧姆定律得E＝U1＋I1(R1＋r)，E＝U2＋I2(R1＋r)，由于R1未知，所以通过化简，只能求出电源的电动势为E＝，所以A正确，B、C、D错误。
5.如图所示的火警报警装置，R1为热敏电阻，若温度升高，则R1的阻值会急剧减小，从而引起电铃电压的增加，当电铃电压达到一定值时，电铃会响。下列说法正确的是( )
A．要使报警的临界温度升高，可以适当增大电源的电动势
B．要使报警的临界温度升高，可以把R2的滑片P适当向下移
C．要使报警的临界温度降低，可以适当减小电源的电动势
D．要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移
解析：选D 要使报警的临界温度升高，R1对应的阻值减小，电路中电流会增大，电铃两端的电压会增大，而电铃电压达到一定值时，电铃会响，要使电铃两端的电压仍为原来的值，必须适当减小电源的电动势，相反，要使报警的临界温度降低，可以适当增大电源的电动势，故A、C错误；要使报警的临界温度升高，R1对应的阻值减小，根据串联电路的特点可知，将使电铃的电压增大，要使电铃的电压仍为原来的值，可以把R2的滑片P适当向上移，以减小R2；相反，要使报警的临界温度降低，可以把R2的滑片P适当向下移，故B错误，D正确。
6．中国空间站的电能主要由太阳能电池提供。一太阳能电池接入如图所示的纯电阻工作电路中，S1闭合、S2断开时，电压表的示数为400 mV；S1和S2均闭合时，电压表的示数为200 mV。已知工作电路的电阻为10 Ω，电压表的内阻足够大，下列说法不正确的是( )
A．太阳能电池的电动势为400 mV
B．太阳能电池的内阻为10 Ω
C．S1和S2均闭合时，通过太阳能电池的电流为10 mA
D．S1和S2均闭合时，通过工作电路的电流为20 mA
解析：选C S1闭合、S2断开时，电压表的示数为400 mV，电压表的内阻足够大，可知太阳能电池的电动势为E＝400 mV，故A正确；S1和S2均闭合时，电压表的示数为200 mV，则电路电流为I＝＝ mA＝20 mA，根据闭合电路欧姆定律可得E＝I(R＋r)，可得太阳能电池的内阻为r＝－R＝ Ω－10 Ω＝10 Ω，故B、D正确，C错误。
7.在如图所示的U I图像中，直线Ⅰ为某一电源的路端电压与电流的关系图像，直线Ⅱ为某一电阻R的伏安特性曲线。用该电源与电阻R组成闭合电路。由图像判断错误的是( )
A．电源的电动势为3 V，内阻为0.5 Ω
B．电阻R的阻值为1 Ω
C．电源的效率为80%
D．电源的输出功率为4 W
解析：选C 根据闭合电路欧姆定律得：U＝E－Ir，当I＝0时，U＝E，由题图读出电源的电动势E＝3 V，内阻等于图线的斜率的绝对值，则：r＝＝ Ω＝0.5 Ω，A正确；根据图像可知电阻R＝＝1 Ω，B正确；电源的效率：η＝×100%＝×100%＝×100%＝66.7%，C错误；两图线的交点表示该电源直接与电阻R相连组成闭合电路时工作状态，由题图读出电压U＝2 V，电流I＝2 A，则电源的输出功率为：P出＝UI＝4 W，D正确。
二、多项选择题(本题共3小题，每小题6分，共18分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分)
8.如图所示的电路中，电源电压保持不变，闭合开关S，电路正常工作，过了一会儿，电流表A的示数变为零。若电路中故障发生在灯L、电阻R上，用一根导线来判断电路故障，则下列判断正确的是( )
A．将导线并联在R两端，电流表无示数，一定是L断路
B．将导线并联在L两端，电流表无示数，一定是R断路
C．将导线并联在R两端，电流表有示数，一定是R断路
D．将导线并联在L两端，电流表有示数，一定是L断路
解析：选CD 电流表A的示数变为零，说明电路故障为断路。将导线与用电器并联进行检测时，若电流表有示数，说明与导线并联的用电器断路；若电流表无示数，说明另一个用电器断路或两个用电器都断路。若将导线并联在R两端，电流表无示数，则可能是L断路，也可能是R、L都断路，故选项A错误；若将导线并联在L两端，电流表无示数，则可能是R断路，也可能是R、L都断路，故选项B错误；若将导线并联在R两端，电流表有示数，则一定是R断路，选项C正确；若将导线并联在L两端，电流表有示数，则一定是L断路，选项D正确。
9.国庆期间小明去逛超市，遇促销打折，他买了一个电吹风，电吹风的使用说明书上给出了如表所示的参数及图示电路图。下列说法正确的是( )
电吹风铭牌参数
额定电压 220 V
额定功率 热风 1 000 W
冷风 250 W
A．该电吹风发热电阻R的阻值约为64.5 Ω
B．该电吹风电动机M的内阻为193.6 Ω
C．当开关S1断开、S2闭合时，电吹风吹冷风
D．当开关S1、S2均闭合时，电动机每秒钟消耗的电能为1 000 J
解析：选AC 由题中表格可知发热电阻的功率PR＝P－PM＝1 000 W－250 W＝750 W，所以该电吹风发热电阻R的阻值R＝＝ Ω≈64.5 Ω，故A正确；电动机正常工作过程为非纯电阻，不能使用公式R＝计算电动机内阻，故B错误；由题图可知当开关S1断开、S2闭合时，发热电阻断路，电动机工作，故吹冷风，故C正确；当开关S1、S2均闭合时，电动机正常工作，功率仍然为250 W，故电动机每秒钟消耗的电能为W＝Pt＝250×1 J＝250 J ，故D错误；故选A、C。
10.某导体中的电流与其两端电压的关系如图所示，下列说法正确的是( )
A．导体两端加5 V电压时，导体的电阻为5 Ω
B．导体两端加5 V电压时，导体的电阻为10 Ω
C．导体两端加12 V电压时，导体的电功率为18 W
D．随着导体两端电压的增大，导体的电阻不断减小
解析：选AC 当电压为5 V时，电流值为1.0 A，根据欧姆定律可知R＝＝5 Ω，故A正确，B错误；当电压为12 V时，电流值为1.5 A，根据功率公式可知P＝UI＝18 W，故C正确；I U图像上的点与O点连线的斜率倒数表示导体的电阻，由图像可知，随电压的增大，连线斜率减小，则电阻增大，故D错误。
三、非选择题(本题共5小题，共54分)
11．(8分)某实验小组选用以下器材测定电池组的电动势和内阻，要求测量结果尽量准确。
电压表(量程0～3 V，内阻约为3 kΩ)
电流表(量程0～0.6 A，内阻约为1 Ω)
滑动变阻器(0～20 Ω，额定电流1 A)
待测电池组(电动势约为3 V，内阻约为1 Ω)
开关、导线若干
(1)该小组连接的实物电路如图甲所示，经仔细检查，发现电路中有一条导线连接不当，这条导线对应的编号是________。
甲
(2)改正这条导线的连接后开始实验，闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应置于滑动变阻器的______(填“a”或“b”)端。
(3)实验中发现调节滑动变阻器时，电流表读数变化明显但电压表读数变化不明显。为了解决这个问题，在电池组负极和开关之间串联一个阻值为5 Ω的电阻，之后该小组得到了几组电压表读数U和对应的电流表读数I，并作出U I图像，如图乙所示。根据图像可知，电池组的电动势为________V，内阻为________Ω。(结果均保留两位有效数字)
乙
解析：(1)应用伏安法测电源电动势和内阻，电压表应测量电源两端的电压，故导线5接滑动变阻器的一端应改接到电源的正极或电流表的正极。
(2)滑动变阻器起保护电路的作用，因此闭合开关前，应将其接入电路的电阻调为最大值，故滑片P应置于a端。
(3)在电池组负极和开关间串联一个阻值为5 Ω的电阻，由闭合电路欧姆定律有U＝E－I(r＋R)，所以U I图线的纵轴截距表示电源电动势，E＝2.9 V，图线斜率的绝对值表示电源内阻与定值电阻串联的总电阻，所以电源内阻为r＝－5Ω＝0.80 Ω。
答案：(1)5 (2)a (3)2.9 0.80
12．(10分)(2024·黑龙江、吉林、辽宁高考)某探究小组要测量电池的电动势和内阻。可利用的器材有：电压表、电阻丝、定值电阻(阻值为R0)、金属夹、刻度尺、开关S、导线若干。他们设计了如图所示的实验电路原理图。
(1)实验步骤如下：
①将电阻丝拉直固定，按照图(a)连接电路，金属夹置于电阻丝的________(填“A”或“B”)端；
②闭合开关S，快速滑动金属夹至适当位置并记录电压表示数U，断开开关S，记录金属夹与B端的距离L；
③多次重复步骤②，根据记录的若干组U、L的值，作出图(c)中图线Ⅰ；
④按照图(b)将定值电阻接入电路，多次重复步骤②，再根据记录的若干组U、L的值，作出图(c)中图线Ⅱ。
(2)由图线得出纵轴截距为b，则待测电池的电动势E＝________。
(3)由图线求得Ⅰ、Ⅱ的斜率分别为k1、k2，若＝n，则待测电池的内阻r＝________(用n和R0表示)。
解析：(1)①为了保护电路，开关闭合前应将金属夹置于电阻丝接入电路电阻最大处，即A端；(2)(3)设电阻丝的总电阻为R，总长度为x，对题图(a)根据闭合电路欧姆定律有E＝U＋r，可得＝＋·，对题图(b)有E＝U＋(r＋R0)，可得＝＋·，结合题图(c)可知b＝，k1＝，k2＝，又＝n，解得E＝，r＝。
答案：(1)①A (2) (3)
13．(12分)电动玩具汽车的直流电动机电阻一定，当加上0.3 V电压时，通过的电流为0.3 A，此时电动机没有转动。当加上3 V电压时，电流为1 A，这时电动机正常工作。求：
(1)电动机的电阻大小；
(2)电动机正常工作时消耗的电功率；
(3)电动机正常工作时的机械功率。
解析：(1)当电动机没有转动时电动机的电阻：
R＝＝ Ω＝1 Ω。
(2)电动机正常工作时消耗的电功率：
P＝UI＝3×1 W＝3 W。
(3)电动机正常工作时的机械功率：
P′＝P－I2R＝3 W－12×1 W＝2 W。
答案：(1)1 Ω (2)3 W (3)2 W
14．(12分)如图所示，电源电动势 E＝10 V，内阻 r＝1 Ω，定值电阻 R1＝3 Ω。开关S断开时，定值电阻 R2的功率为 6 W，电源的输出功率为 9 W。开关S 接通后，理想电流表的读数为 1.25 A。求：
(1)断开开关S时电流表的读数；
(2)定值电阻 R3的阻值。
解析：(1)开关断开时，电阻R1消耗的功率为：P1＝P出－P2＝3 W。
根据P1＝I2R1，解得I＝1 A。
(2)由闭合电路的欧姆定律 E＝I′(R1＋R并＋r)，
R并＝，又P2＝I2R2，
解得R3＝12 Ω。
答案：(1)1 A (2)12 Ω
15．(12分)如图所示，已知路端电压U＝18 V，电容器C1＝6 μF、C2＝3 μF，电阻R1＝6 Ω、R2＝3 Ω。当开关S断开时，A、B两点间的电压UAB等于多少？当S闭合时，电容器C1的电荷量改变了多少？
解析：在电路中电容器C1、C2相当于断路。当S断开时，电路中无电流，B、C等势，A、D等势，因此UAB＝U＝18 V。
当S断开时，UAC＝18 V，电容器C1带电荷量为
Q1＝C1UAC＝6×10－6×18 C＝1.08×10－4 C
当S闭合时，R1和R2串联，电容器C1与R1并联，电容器C1两端的电压即电阻R1两端的电压，由串联电路的电压分配关系得
UAC′＝U＝×18 V＝12 V
此时电容器C1的带电荷量为
Q′＝C1UAC′＝6×10－6×12 C＝7.2×10－5 C
电容器C1带电荷量的变化量为
ΔQ＝Q′－Q1＝－3.6×10－5 C
负号表示减少，即C1的带电荷量减少了3.6×10－5 C。
答案：18 V 减少了3.6×10－5 C
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主干知识成体系
迁移交汇破疑难
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. 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 ( )
A．R1断路 B.R2断路
C．R3短路 D．R4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、直流电流挡和电阻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，灯泡短路
3 闭合开关，选电阻挡，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，选电阻挡，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 ( )
A．1 B．2
C．3 D．4
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；用电阻挡接a、b时，必须先断开电源的开关，故C错误；若断开开关，用电阻挡接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，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、斜率及截距等各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：
【针对训练】
3．如图甲所示电路中，D为二极管，其伏安特性曲线如图乙所示。闭合开关S，滑动变阻器R的滑片P从左端向右移动过程中 ( )
A．二极管D的电阻变大
B．通过二极管D的电流变小
C．二极管D消耗的功率变小
D．电源消耗的功率变大
解析：滑动变阻器R的滑片P从左端向右移动过程中，滑动变阻器的电阻减小，电路电流增大，由图乙可知，二极管的电阻减小，电流、电压增大，消耗的功率也增大，故A、B、C错误；电源的功率为P＝EI，因为电流增大，所以电源的功率增大，故D正确。
答案：D
4．如图所示为甲、乙两灯泡的I -U图像，根据图像，计算甲a、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 ( )
A．5 W、3 W B．20 W、12 W
C．46 W、40 W D．60 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：I＝15×10－2 A，甲的电压约为：U1＝140 V，而乙的电压约为：U2＝80 V，故甲的电功率为：P甲＝U1I＝140×15×10－2 W＝21 W，而乙的电功率为：P乙＝80×15×10－2 W＝12 W，故B正确，A、C、D错误。
答案：B
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 ( )
A．6.2 A B.4.6 A
C．3.2 A D．5.5 A
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
2.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“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
C．30 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%
3.如图为某扫地机器人，其内部电机的电阻为 0.5 Ω，内置锂电池容量为
9 A·h，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
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的某品牌电动汽车电池每次充满电后能提供的总电能为60 kW·h，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108 km/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3% ，由此可知 ( )
A．充电的平均电流为33 A
B．汽车牵引力的功率为15 kW
C．汽车能匀速行驶的时间为3 h
D．汽车能匀速行驶的距离为350 km
5．(多选)如图为共享电动单车，与普通电动车不同的是，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 mA·h，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10千米左右。已知成人在平路上骑电动单车所受阻力约为20 N，则 ( )
A．该单车电池最多储存电能为7.2×104 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
