高中物理必修三 学习笔记 第十二章　专题强化9　闭合电路的功率　故障分析

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，下列情况可能的是()A．R1短路 B．R2短路C．R1断路 D．R2断路针对训练2如图所示电路中，电源电压为6V，当合上开关S后，两个标有“3V、1