分层作业20　电路中的能量转化--2025人教版高中物理必修第三册同步练习题

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2025人教版高中物理必修第三册
分层作业20　电路中的能量转化
A组 必备知识基础练
题组一　串并联电路中电功、电热的分析与计算
1.两个导体甲、乙串联接入电路后的I-U关系图线如图所示。由图线分析可知下列说法正确的是 (　　)
A.加在导体甲两端的电压大
B.经一段时间导线甲产生的热量多
C.导体乙的电阻大
D.导体乙消耗的电功率小
2.(2024辽宁高二阶段练习)如图所示,电路中灯泡均正常发光,阻值分别为R1=1 Ω,R2=3 Ω,R3=2 Ω,R4=4 Ω,电源电压U=12 V,四个灯泡中消耗功率最大的是(　　)
A.R1 B.R2
C.R3 D.R4
3.电热毯是人们常用的电热式家用电器,一般具有加热和保温功能,其工作原理的简化电路图如图所示,主要元件有电阻丝R1、R2和自动开关S。
(1)当开关S闭合和断开时,电热毯分别处于什么状态
(2)电热毯由家庭电路供电,U=220 V,设加热时电热毯的功率为400 W,保温时电热毯的功率为40 W,则R1和R2分别为多大
题组二　非纯电阻电路中电功、电热的分析与计算
4.(多选)现有一台排风扇如图所示,排风扇电动机的线圈电阻为0.2 Ω,当它两端电压为110 V时,通过的电流为5 A。则这台排风扇(　　)
A.每分钟消耗的电能是33 000 J
B.每分钟产生的热量为300 J
C.输出功率是545 W
D.工作效率是82.5%
5.如图甲所示,用充电宝为一手机电池充电,其等效电路如图乙所示。在充电开始后的一段时间t内,充电宝的输出电压U、输出电流I可认为是恒定不变的,设手机电池的内阻为r,不考虑充电过程中手机待机时的耗电,则时间t内(　　)
A.充电宝输出的电功率为UI+I2r
B.充电宝产生的热功率为I2r
C.手机电池产生的焦耳热为t
D.手机电池储存的化学能为UIt-I2rt
6.在如图所示的电路中,电炉电阻R=20 Ω,电动机线圈的电阻r=1 Ω,电路两端电压U=10 V,电流表的示数为2.5 A。
(1)通过电动机的电流为多少
(2)通电1 min,电动机做的有用功为多少
B组 关键能力提升练
7.把六个相同的小灯泡接成如图甲、乙所示的电路,调节变阻器使灯泡正常发光,甲、乙两电路所消耗的功率分别用P甲和P乙表示,则下列结论正确的是 (　　)
　　　　　　　　　　　　　　　　
A.P甲=P乙 B.P甲=3P乙
C.P乙=3P甲 D.P乙>3P甲
8.(多选)某电学元器件的伏安特性曲线如图所示,图中PQ为曲线上P点的切线。当通过该元器件的电流为0.4 A时,下列说法正确的是(　　)
A.该元器件的阻值为250 Ω
B.该元器件的阻值为125 Ω
C.该元器件消耗的电功率为20 W
D.该元器件消耗的电功率无法求解
9.当纯电阻R两端加上某一稳定电压时,通过该电阻的电荷量为0.3 C,消耗的电能为0.9 J。为在相同时间内使0.6 C的电荷量通过该电阻,在其两端需加的电压和消耗的电能分别是(　　)
A.3 V　1.8 J B.3 V　3.6 J
C.6 V　1.8 J D.6 V　3.6 J
10.空气炸锅的等效简化电路图如图所示,电源提供的电压恒为E=6 V,小风扇M的额定电压为6 V,额定功率为3 W,线圈内阻为r=1 Ω,电阻R1=R2=10 Ω,则下列说法正确的是(　　)
A.只闭合开关S1,小风扇正常工作时电流为6 A
B.只闭合开关S1,小风扇正常工作时发热功率为2.75 W
C.同时闭合开关S1和S2,若小风扇正常工作,则通过电阻R1的电流为0.3 A
D.同时闭合开关S1和S2,若小风扇正常工作,则电阻R1消耗的功率为3.6 W
11.如图所示的电路,电源两端电压保持不变,R1=20 Ω。当闭合开关S1、S3,断开S2时,电流表的示数为0.3 A;当闭合开关S2、S3,断开S1时,电流表的示数为1.2 A。
(1)求电源两端电压;
(2)求电阻R2的阻值;
(3)当闭合S1,断开S2、S3时,电路消耗的电功率为P1;闭合S2,断开S1、S3时,电路消耗的电功率为P2,且P1∶P2=1∶2,求电阻R3的阻值;
(4)求整个电路消耗的最大电功率和最小电功率。
12.电饭煲的电路图如图所示,S1是一个限温开关,手动闭合,当此开关的温度达到103 ℃时会自动断开;S2是一个自动温控开关,当温度低于60 ℃时会自动闭合,温度高于80 ℃时会自动断开,红灯是加热状态时的指示灯,它在保温状态下是不亮的,黄灯是保温状态下的指示灯。限流电阻R1=R2=500 Ω,加热电阻丝R3=50 Ω,两灯的电阻不计。
(1)根据电路分析,叙述电饭煲煮饭的全过程(包括加热和保温的过程)。
(2)简要回答,如果不闭合开关S1,电饭煲能将饭煮熟吗
(3)计算加热和保温两种状态下,电饭煲的消耗功率之比。
C组 核心素养拔高练
13.一个用半导体材料制成的电阻器D,其电流I随它两端电压U变化的关系图像如图甲所示,将它与两个标准电阻R1、R2组成如图乙所示电路,当开关S接通位置1时,三个用电器消耗的电功率均为P。将开关S切换到位置2时,电阻器D和电阻R1、R2消耗的电功率分别是PD、P1、P2,下列关系正确的是(　　)
A.P1>P B.P1>P2
C.P1>4PD D.PD+P1+P2>3P
14.(2024浙江宁波期末)如图为某品牌的桶装饮用水电动抽水器,内置充电电池、电动机和小型水泵。已知充电电池的容量Q=1 200 mAh,输入电压U1=5 V,电流I1=1 A。电动机正常工作时,输入电压U2=5 V,额定功率P2=2.5 W,电动机的输出功率等于小型水泵所需要的输入功率,且不计电动机的机械损耗。小型水泵的抽水效率为η=75%。用该电动抽水器抽水时,出水口与桶内水面高度差为h=55 cm,出水速度为v=2 m/s,单位时间内出水的质量为m=0.2 kg,忽略水在管道中的机械能损失,重力加速度g取10 m/s2。求:
(1)电动抽水器充满电所需的时间t;
(2)单位时间内小型水泵的输出功率P;
(3)电动机的内阻r。
分层作业20　电路中的能量转化
1.C　I-U图线中,斜率的倒数表示导体的电阻,由图可知R甲2.B　解析 由电路图可知R3与R4串联后与R2并联,再与R1串联。并联电路部分的等效电阻为R并==2 Ω,由欧姆定律可知,干路电流即经过R1的电流为I1==4 A,并联部分各支路电流大小与电阻成反比,则R2支路的电流I2=I= A,R3与R4支路的电流I3=I= A,四个灯泡的实际功率分别为P1=R1=16 W,P2=R2= W≈21.3 W,P3=R3= W≈3.6 W,P4=R4= W≈7.1 W,故四个灯泡中功率最大的是R2,故选B。
3.解析 (1)由于是纯电阻电路,当S闭合时,R2短路,电热毯消耗的电功率P1=;当S断开时,电热毯消耗的电功率P2=,故S闭合时为加热状态,S断开时为保温状态。
(2)S闭合时,由P1=得R1= Ω=121 Ω
S断开时,由P2=
得R2=-R1= Ω=1 089 Ω。
答案 (1)S闭合时为加热状态,S断开时为保温状态
(2)121 Ω　1 089 Ω
4.ABC　5.D
6.解析 (1)电炉电阻R=20 Ω,电压U=10 V
故电流IR==0.5 A
通过电动机的电流IM=I-IR=2.5 A-0.5 A=2 A。
(2)电动机的总功率P=UIM=10×2 W=20 W
电动机的发热功率P热=r=22×1 W=4 W
故电动机的机械功率是P出=P-P热=20 W-4 W=16 W
做的有用功W=P出t=16×60 J=960 J。
答案 (1)2 A　(2)960 J
7.B
8.BC　由题图可知,当电流为0.4 A时,电压为50 V,则由欧姆定律可知,该元器件的阻值为R= Ω=125 Ω,B正确,A错误;由P=UI可知,该元器件消耗的电功率为20 W,C正确,D错误。
9.D　设两次加在电阻R上的电压分别为U1和U2,通电的时间都为t。由W1=U1q1和W1=t,可得U1=3 V,=0.1 s/Ω。再由W2=U2q2和W2=t,可求出U2=6 V,W2=3.6 J,D正确。
10.D　由题图可看出当只闭合S1时,电阻R1与R2串联,再与小风扇M并联,则小风扇M的电压刚好为额定电压,则PM=IME,解得IM=0.5 A,小风扇M正常工作时发热功率为PM热=r=0.25 W,A、B错误;由题图可看出同时闭合开关S1和S2,电阻R2被短路,则R1与小风扇M并联,通过电阻R1的电流为E=I1R1,解得I1=0.6 A,电阻R1消耗的功率为P1=R1,解得P1=3.6 W,C错误,D正确。
11.解析 (1)因为电源两端的电压保持不变,当闭合开关S1、S3,断开S2时,R3被短路,R2支路为断路,只有电阻R1接入电路中,即R1两端电压即为电源两端的电压,根据欧姆定律有
U=I1R1=6 V。
(2)当闭合开关S2、S3,断开S1时,电阻R3被短路,R1支路为断路,只有电阻R2接入电路中,因为电源两端的电压保持不变,根据欧姆定律有R2==5 Ω。
(3)闭合S1,断开S2、S3时,电阻R2支路为断路,电阻R1、R3在电路中串联,电路消耗的电功率为P1=
闭合S2,断开S1、S3时,电阻R1支路为断路,电阻R2、R3在电路中串联,电路消耗的电功率为P2=
又因为P1∶P2=1∶2,代入数据得R3=10 Ω。
(4)电源两端的电压保持不变,根据P=可知,电路中总电阻最大时电路功率最小,电路总电阻最小时,电路功率最大,根据串联电路的总电阻总是大于其中任一电阻,并联电路的总电阻总是小于其中最小的电阻的规律可知,当R1、R3串联时,电路的功率最小,为Pmin==1.2 W
当R1、R2并联时,电路的功率最大,为Pmax==9 W。
答案 (1)6 V　(2)5 Ω　(3)10 Ω　(4)9 W　1.2 W
12.解析 (1)电饭煲盛上食物后,接上电源,S2自动闭合,同时把手动开关S1闭合,这时黄灯短路红灯亮,电饭煲处于加热状态。
加热到80 ℃时,S2自动断开,S1仍闭合,待电饭煲中水烧干后,温度升高到103 ℃时,开关S1自动断开,这时饭已煮熟,黄灯亮,电饭煲处于保温状态。
由于电饭煲散热,待温度下降至60 ℃时,S2自动闭合,电饭煲重新处于加热状态,待温度上升到80 ℃时,又自动断开,电饭煲再次处于保温状态。
(2)不能,因为如果不闭合S1,则只能将食物加热至80 ℃。
(3)设电饭煲处于加热状态时,功率为P1,P1=W=1 064.8 W
设电饭煲处于保温状态时消耗的功率为P2,则
P2= W=88.7 W
所以P1∶P2=12∶1。
答案 见解析
13.C　当开关S接通位置1时,三个用电器消耗的电功率均为P,令R1=R,则有R1=R2=R,RD=2(R1+R2)=4R,则有P=,且电阻R1、R2的电压等于U0。将开关S切换到位置2时,电阻器D和电阻R1并联后再与电阻R2串联,由于电阻器D和电阻R1并联后的总电阻的阻值小于电阻R2的阻值,则电阻R2两端的电压大于U0,电阻器D和电阻R1的电压小于U0,则P1<=P,P2>=P,故A、B错误;由于电阻器D和电阻R1并联,则PD=,P1=,又根据题图甲可知,此时电阻器D的阻值大于4R,即RD'>4R,则有P1>4PD,故C正确;开关S接通位置1时,电路的总电阻为R总=R,开关S切换到位置2时,电路的总电阻为R总'=+R>+R=R>R总,则P总'14.解析 (1)充满电的时间t==1.2 h。
(2)小型水泵的输出功率P==1.5 W。
(3)电动机的输出功率P'= W=2 W
电动机工作电流I2= A=0.5 A
由题意可得P2=P'+r,解得r=2 Ω。
答案 (1)1.2 h　(2)1.5 W　(3)2 Ω
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