2021屆高考物理：電流、電阻、電功及電功率含答案

教學(xué)資料范本教學(xué)資料范本2021屆高考物理：電流、電阻、電功及電功率含答案編輯：__________________時(shí)間：__________________考點(diǎn)內(nèi)容要求高考(全國(guó)卷)三年命題情況對(duì)照分析20xx20xx20xx命題分析歐姆定律Ⅱ卷Ⅰ·T23：研究小燈泡的伏安特性曲線卷Ⅱ·T23：測(cè)微安表的內(nèi)阻，實(shí)物連線卷Ⅲ·T23：多用電表卷Ⅰ·T23：熱敏電阻的阻值隨溫度變化的曲線卷Ⅱ·T22：電表的改裝卷Ⅲ·T23：電阻的測(cè)量、實(shí)物連線卷Ⅰ·T23：電表的改裝與電路設(shè)計(jì)卷Ⅱ·T23：研究二極管電壓與溫度關(guān)系卷Ⅲ·T23：歐姆表改裝及設(shè)計(jì)1.從高考題型看，以選擇題和實(shí)驗(yàn)題的形式命題，且每年必有電學(xué)實(shí)驗(yàn)題。2．對(duì)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的考查方式有：基本儀器的使用、讀數(shù)、畫實(shí)驗(yàn)原理圖、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)器材的選取、連接實(shí)物圖等多種方式。電阻定律Ⅰ電阻的串聯(lián)、并聯(lián)Ⅰ電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻Ⅱ閉合電路的歐姆定律Ⅱ電功率、焦耳定律Ⅰ實(shí)驗(yàn)八：測(cè)定金屬的電阻率(同時(shí)練習(xí)使用螺旋測(cè)微器)實(shí)驗(yàn)九：描繪小電珠的伏安特性曲線實(shí)驗(yàn)十：測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)十一：練習(xí)使用多用電表核心素養(yǎng)物理觀念：電功、電熱、電功率、電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻、電阻串聯(lián)、并聯(lián)?？茖W(xué)思維：歐姆定律、電阻定律、閉合電路的歐姆定律、焦耳定律。科學(xué)探究：測(cè)定金屬絲電阻率、描繪小電珠的伏安特性曲線、測(cè)定電源的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻(如20xx卷Ⅰ·T23)。科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：電路設(shè)計(jì)與安全、練習(xí)使用多用電表(如20xx卷Ⅰ·T23)。第1節(jié)電流、電阻、電功及電功率一、電流及歐姆定律1．電流的理解(1)定義：電荷的定向移動(dòng)形成電流。(2)條件：①有可以自由移動(dòng)的電荷；②導(dǎo)體兩端存在電壓。(3)方向：電流是標(biāo)量，為研究問題方便，規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞯姆较?。在外電路中電流由電源正極到負(fù)極，在內(nèi)電路中電流由電源負(fù)極到正極。(4)三個(gè)表達(dá)式①定義式：I＝eq\f(q,t)，q為在時(shí)間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量。②微觀表達(dá)式：I＝nqSv，其中n為導(dǎo)體中單位體積內(nèi)自由電荷的個(gè)數(shù)，q為每個(gè)自由電荷的電荷量，S為導(dǎo)體的橫截面積，v為自由電荷定向移動(dòng)的速率。③決定式：I＝eq\f(U,R)，即歐姆定律。2．歐姆定律(1)內(nèi)容：導(dǎo)體中的電流I跟導(dǎo)體兩端的電壓U成正比，跟導(dǎo)體的電阻R成反比。(2)適用范圍：適用于金屬和電解液等純電阻電路。二、電阻定律1．電阻定律(1)內(nèi)容：同種材料的導(dǎo)體，其電阻R與它的長(zhǎng)度l成正比，與它的橫截面積S成反比；導(dǎo)體電阻還與構(gòu)成它的材料有關(guān)。(2)表達(dá)式：R＝ρeq\f(l,S)。2．電阻率(1)計(jì)算式：ρ＝Req\f(S,l)。(2)物理意義：反映導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，是導(dǎo)體材料本身的屬性。(3)電阻率與溫度的關(guān)系金屬的電阻率隨溫度升高而增大，半導(dǎo)體的電阻率隨溫度升高而減小。三、電功率、焦耳定律1．電功(1)定義：導(dǎo)體中的自由電荷在電場(chǎng)力作用下定向移動(dòng)，電場(chǎng)力做的功稱為電功。(2)公式：W＝qU＝IUt。(3)電流做功的實(shí)質(zhì)：電能轉(zhuǎn)化成其他形式能的過程。2．電功率(1)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)電流所做的功，表示電流做功的快慢。(2)公式：P＝eq\f(W,t)＝IU。3．焦耳定律(1)內(nèi)容：電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導(dǎo)體的電阻及通電時(shí)間成正比。(2)公式：Q＝I2Rt。4．熱功率(1)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的發(fā)熱量。(2)表達(dá)式：P＝eq\f(Q,t)＝I2R。1．思考辨析(正確的畫“√”，錯(cuò)誤的畫“×”)(1)由于規(guī)定正電荷定向移動(dòng)方向?yàn)殡娏鞣较?，所以電流是矢量?(×)(2)由R＝eq\f(U,I)知，導(dǎo)體的電阻與導(dǎo)體兩端電壓成正比，與流過導(dǎo)體的電流成反比。 (×)(3)由ρ＝eq\f(RS,l)知，導(dǎo)體的電阻率與導(dǎo)體的電阻和橫截面積的乘積成正比，與導(dǎo)體的長(zhǎng)度成反比。 (×)(4)公式W＝eq\f(U2,R)t＝I2Rt可適用于所有電路。 (×)(5)金屬的電阻率由導(dǎo)體本身的性質(zhì)決定，與溫度有關(guān)。 (√)(6)公式W＝UIt適用于任何電路中求電功，Q＝I2Rt適用于任何電路求電熱。 (√)2．(人教版選修3－1P43T3改編)安培提出了著名的分子電流假說，根據(jù)這一假說，電子繞核運(yùn)動(dòng)可等效為一環(huán)形電流。設(shè)電荷量為e的電子以速率v繞原子核沿順時(shí)針方向做半徑為r的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，關(guān)于該環(huán)形電流的說法，正確的是()A．電流大小為eq\f(ve,2πr)，電流方向?yàn)轫槙r(shí)針B．電流大小為eq\f(ve,r)，電流方向?yàn)轫槙r(shí)針C．電流大小為eq\f(ve,2πr)，電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針D．電流大小為eq\f(ve,r)，電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針C[電子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期T＝eq\f(2πr,v)，由I＝eq\f(e,T)得I＝eq\f(ve,2πr)，電流的方向與電子運(yùn)動(dòng)方向相反，故電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針。]3．(人教版選修3－1P48T2改編)將四個(gè)定值電阻a，b，c，d分別接入電路，測(cè)得相應(yīng)的電流值、電壓值如圖所示。其中電阻最接近的兩個(gè)電阻是()A．a(chǎn)和bB．b和dC．a(chǎn)和cD．c和d[答案]A4．(滬科版選修3－1P67T2改編)有一根長(zhǎng)1.22m的導(dǎo)線，橫截面積為0.10mm2。在它兩端加0.60V電壓時(shí)，通過它的電流正好是0.10A。則這根導(dǎo)線是由________制成的(下表是常溫下幾種材料的電阻率，單位為Ω·m)()銅錳銅合金鎳銅合金鋁1.7×10－84.4×10－75.0×10－72.9×10－8A．銅絲 B．錳銅合金C．鎳銅合金 D．鋁絲C[由R＝eq\f(U,I)及R＝ρeq\f(l,S)得ρ＝eq\f(US,Il)＝eq\f(0.6×0.1×10－6,0.1×1.22)Ω·m＝4.9×10－7Ω·m。所以導(dǎo)線是由鎳銅合金制成的。]電流、歐姆定律[依題組訓(xùn)練]1．如圖所示，在1價(jià)離子的電解質(zhì)溶液內(nèi)插有兩根碳棒A和B作為電極，將它們接在直流電源上，于是溶液里就有電流通過。若在t秒內(nèi)，通過溶液內(nèi)截面S的正離子數(shù)為n1，通過的負(fù)離子數(shù)為n2，設(shè)基本電荷為e，則以下說法中正確的是()A．正離子定向移動(dòng)形成的電流方向從A→B，負(fù)離子定向移動(dòng)形成的電流方向從B→AB．溶液內(nèi)由于正、負(fù)離子移動(dòng)方向相反，溶液中的電流抵消，電流等于零C．溶液內(nèi)的電流方向從A→B，電流I＝eq\f(n1e,t)D．溶液內(nèi)的電流方向從A→B，電流I＝eq\f((n1＋n2(e,t)D[電荷的定向移動(dòng)形成電流，規(guī)定正電荷定向移動(dòng)的方向?yàn)殡娏鞣较?，由題圖所示可知，溶液中的正離子從A向B運(yùn)動(dòng)，負(fù)離子由B向A移動(dòng)，負(fù)電荷由B向A移動(dòng)相當(dāng)于正電荷由A向B移動(dòng)，因此電流方向是A→B，帶電離子在溶液中定向移動(dòng)形成電流，電流不為零，故選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤；溶液中電流方向是A→B，電流I＝eq\f(q,t)＝eq\f(n1e＋n2e,t)，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤，D正確。]2．如圖所示，一根長(zhǎng)為L(zhǎng)、橫截面積為S的金屬棒，其材料的電阻率為ρ，棒內(nèi)單位體積內(nèi)自由電子數(shù)為n，電子的質(zhì)量為m、電荷量為e。在棒兩端加上恒定的電壓時(shí)，棒內(nèi)產(chǎn)生電流，自由電子定向運(yùn)動(dòng)的平均速率為v，則金屬棒內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為()A．eq\f(mv2,2eL)B．eq\f(mv2Sn,e)C．ρnevD．eq\f(ρev,SL)C[由電流定義可知：I＝eq\f(q,t)＝eq\f(nvtSe,t)＝neSv。由歐姆定律可得：U＝IR＝neSv·ρeq\f(L,S)＝ρneLv，又E＝eq\f(U,L)，故E＝ρnev，選項(xiàng)C正確。]3．(多選)我國(guó)已經(jīng)于20xx年10月1日起禁止銷售100W及以上的白熾燈，以后將逐步淘汰白熾燈。假設(shè)某同學(xué)研究白熾燈得到某白熾燈的伏安特性曲線如圖所示。圖象上A點(diǎn)與原點(diǎn)的連線與橫軸成α角，A點(diǎn)的切線與橫軸成β角，則()A．白熾燈的電阻隨電壓的增大而減小B．在A點(diǎn)，白熾燈的電阻可表示為tanβC．在A點(diǎn)，白熾燈的電功率可表示為U0I0D．在A點(diǎn)，白熾燈的電阻可表示為eq\f(U0,I0)CD[白熾燈的電阻隨電壓的增大而增大，A錯(cuò)誤；在A點(diǎn)，白熾燈的電阻可表示為eq\f(U0,I0)，不能表示為tanβ，選項(xiàng)B錯(cuò)誤，D正確；在A點(diǎn)，白熾燈的功率可表示為U0I0，C正確。]1．三個(gè)電流表達(dá)式的比較公式適用范圍字母含義公式含義定義式I＝eq\f(q,t)一切電路q為時(shí)間t內(nèi)通過導(dǎo)體橫截面的電荷量eq\f(q,t)反映了I的大小，但不能說I∝q，I∝eq\f(1,t)決定式I＝eq\f(U,R)金屬、電解液U：導(dǎo)體兩端的電壓R：導(dǎo)體本身的電阻I由U、R決定，I∝UI∝eq\f(1,R)微觀式I＝nqSv一切電路n：導(dǎo)體單位體積內(nèi)的自由電荷數(shù)q：每個(gè)自由電荷的電荷量S：導(dǎo)體橫截面積v：電荷定向移動(dòng)速率從微觀上看n、q、S、v決定了I的大小2．伏安特性曲線的兩點(diǎn)注意(1)I-U圖象叫作導(dǎo)體的伏安特性曲線，U-I圖象是元件兩端的電壓與流過它的電流之間的關(guān)系圖象。(2)U-I(或I-U)圖象為曲線時(shí)，圖線上某點(diǎn)與O點(diǎn)連線的斜率表示電阻(或電阻的倒數(shù))，但圖線的斜率沒有實(shí)際意義。電阻、電阻定律[依題組訓(xùn)練]1．電阻與電阻率的關(guān)系2．電阻的決定式和定義式的比較公式R＝ρeq\f(L,S)R＝eq\f(U,I)區(qū)別電阻的決定式電阻的定義式說明了導(dǎo)體的電阻由ρ、L、S共同決定提供了一種測(cè)電阻的方法——伏安法，R與U、I均無關(guān)只適用于粗細(xì)均勻的金屬導(dǎo)體和濃度均勻的電解液適用于任何純電阻導(dǎo)體[題組訓(xùn)練]1．關(guān)于材料的電阻率，下列說法正確的是()A．把一根長(zhǎng)導(dǎo)線截成等長(zhǎng)的三段，則每段的電阻率都是原來的eq\f(1,3)B．材料的電阻率隨溫度的升高而增大C．通常情況下純金屬的電阻率較合金的電阻率小D．電阻率是反映材料導(dǎo)電性能好壞的物理量，電阻率越大的導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大C[材料的電阻率與長(zhǎng)度無關(guān)，A錯(cuò)誤；半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度升高而減小，B錯(cuò)誤；通常情況下純金屬的電阻率較合金的電阻率小，C正確；電阻率大的導(dǎo)體，電阻不一定大，D錯(cuò)誤。]2．如圖所示，厚度均勻的矩形金屬薄片邊長(zhǎng)ab＝10cm，bc＝5cm。當(dāng)將A與B接入電壓為U的電路中時(shí)，電流為1A；若將C與D接入同一電路中，則電流為()A．4AB．2AC．eq\f(1,2)AD．eq\f(1,4)AA[設(shè)沿A、B方向的橫截面積為S1，沿C、D方向的橫截面積為S2，則eq\f(S1,S2)＝eq\f(1,2)，A、B接入電路中時(shí)的電阻為R1，C、D接入電路中時(shí)的電阻為R2，則有eq\f(R1,R2)＝eq\f(ρ\f(lab,S1),ρ\f(lbc,S2))＝eq\f(4,1)。兩種情況下電壓相等，電流之比為eq\f(I1,I2)＝eq\f(R2,R1)＝eq\f(1,4)，I2＝4I1＝4A。故A正確。]3．兩根完全相同的金屬裸導(dǎo)線，如果把其中的一根均勻拉長(zhǎng)到原來的2倍，把另一根對(duì)折后絞合起來，然后給它們分別加上相同電壓后，則在相同時(shí)間內(nèi)通過它們的電荷量之比為()A．1∶4 B．1∶8C．1∶16 D．16∶1C[本題應(yīng)根據(jù)電阻定律R＝ρeq\f(l,S)、歐姆定律I＝eq\f(U,R)和電流定義式I＝eq\f(q,t)求解。對(duì)于第一根導(dǎo)線，均勻拉長(zhǎng)到原來的2倍后，則其橫截面積必然變?yōu)樵瓉淼膃q\f(1,2)，由電阻定律可得其電阻變?yōu)樵瓉淼?倍，第二根導(dǎo)線對(duì)折后，長(zhǎng)度變?yōu)樵瓉淼膃q\f(1,2)，橫截面積變?yōu)樵瓉淼?倍，故其電阻變?yōu)樵瓉淼膃q\f(1,4)。給上述變化后的裸導(dǎo)線加上相同的電壓，由歐姆定律得：I1＝eq\f(U,4R)，I2＝eq\f(U,\f(1,4)R)＝eq\f(4U,R)，由I＝eq\f(q,t)可知，在相同時(shí)間內(nèi)，電荷量之比q1∶q2＝I1∶I2＝1∶16。]導(dǎo)體變形時(shí)電阻變化分析方法(1)導(dǎo)體的電阻率不變。(2)導(dǎo)體的體積不變，由V＝lS可知l與S成反比。(3)在ρ、l、S都確定之后，應(yīng)用電阻定律R＝ρeq\f(l,S)求解。電功、電功率與電熱、熱功率[講典例示法]1．純電阻電路與非純電阻電路的比較2．電動(dòng)機(jī)的三個(gè)功率及關(guān)系輸入功率電動(dòng)機(jī)的總功率P總＝P入＝UI輸出功率電動(dòng)機(jī)的有用功的功率，也叫機(jī)械功率熱功率電動(dòng)機(jī)線圈上有電阻，電流通過線圈時(shí)會(huì)發(fā)熱，熱功率P熱＝I2r三者關(guān)系P總＝P出＋P熱效率η＝eq\f(P出,P入)×100%＝eq\f(P出,P總)×100%特別說明①正常工作的電動(dòng)機(jī)是非純電阻元件②電動(dòng)機(jī)因故障或其他原因不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)純電阻元件[典例示法]如圖所示是一提升重物用的直流電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電路圖。電動(dòng)機(jī)內(nèi)電阻r＝0.8Ω，電路中另一電阻R＝10Ω，直流電壓U＝160V，電壓表示數(shù)UV＝110V。試求：(1)通過電動(dòng)機(jī)的電流；(2)輸入電動(dòng)機(jī)的電功率；(3)若電動(dòng)機(jī)以v＝1m/s勻速豎直向上提升重物，求該重物的質(zhì)量。(g取10m/s2)思路點(diǎn)撥：解此題要注意以下幾點(diǎn)：(1)電路結(jié)構(gòu)及電路中電壓的關(guān)系；(2)含電動(dòng)機(jī)電路為非純電阻電路，歐姆定律不能適用；(3)區(qū)分電動(dòng)機(jī)的輸入功率和輸出功率。[解析](1)由電路中的電壓關(guān)系可得電阻R的分壓UR＝U－UV＝(160－110)V＝50V，流過電阻的電流IR＝eq\f(UR,R)＝eq\f(50,10)A＝5A，即通過電動(dòng)機(jī)的電流IM＝IR＝5A。(2)電動(dòng)機(jī)的分壓UM＝UV＝110V，輸入電動(dòng)機(jī)的功率P電＝IMUM＝550W。(3)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱功率P熱＝Ieq\o\al(2,M)r＝20W，電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率P出＝P電－P熱＝530W，又因P出＝mgv，所以m＝eq\f(P出,gv)＝53kg。[答案](1)5A(2)550W(3)53kg[考法拓展1]在上例中，若直流電壓不變，電動(dòng)機(jī)正常工作過程中，轉(zhuǎn)子突然被卡死，電壓表的示數(shù)變?yōu)槎嗌?？[解析]轉(zhuǎn)子突然被卡死，電路變?yōu)榧冸娮桦娐?，根?jù)歐姆定律I＝eq\f(U,R＋r)UV＝Ir可得：UV＝11.9V。[答案]11.9V[考法拓展2]在上例中，若電動(dòng)機(jī)的輸出功率保持不變，將一質(zhì)量m＝26.5kg的重物從靜止開始向上吊起，15s時(shí)，重物已達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)重物上升的高度是多少？(g取10m/s2)[解析]重物勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，mg＝F，P＝Fv又根據(jù)動(dòng)能定理Pt－mgh＝eq\f(1,2)mv2可得：h＝29.8m。[答案]29.8m非純電阻電路的分析方法(1)抓住兩個(gè)關(guān)鍵量：確定電動(dòng)機(jī)的電壓UM和電流IM是解決這類問題的關(guān)鍵。若能求出UM、IM，就能確定電動(dòng)機(jī)的電功率P＝UMIM，根據(jù)電流IM和電動(dòng)機(jī)的電阻r可求出熱功率Pr＝Ieq\o\al(2,M)r，最后求出輸出功率P出＝P－Pr。(2)首先，對(duì)其他純電阻電路、電源的內(nèi)電路，利用歐姆定律進(jìn)行分析計(jì)算，確定相應(yīng)的電壓或電流。然后，利用閉合電路的電壓關(guān)系、電流關(guān)系間接確定非純電阻電路的工作電壓和電流。[跟進(jìn)訓(xùn)練]純電阻電路中功率的分析與計(jì)算1．有兩個(gè)標(biāo)有“110V,25W”和“110V,60W”字樣的燈泡，要把它們接在220V的電源上，燈泡既正常發(fā)光，又最省電的連接方式應(yīng)是圖中的()ABCDB[額定電壓相同而額定功率不相同的電燈，它們的電阻是不相同的，由P＝U2/R可知，功率大的電燈的電阻比功率小的電燈的電阻小，也就是說60W燈泡的電阻比25W燈泡的電阻小，對(duì)于A，兩燈并聯(lián)后與一個(gè)滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，若滑動(dòng)變阻器的分得電壓與兩燈并聯(lián)后的電壓相等，兩燈能正常工作，整個(gè)電路消耗的電功率為P＝2(P1＋P2)＝2×(25＋60)W＝170W，有用電功率為85W；對(duì)于B，若滑動(dòng)變阻器與25W燈并聯(lián)后的總電阻與60W燈的電阻相等，兩燈均能正常發(fā)光，此時(shí)電路中消耗的總電功率為P＝2P2＝2×60W＝120W，有用電功率為85W；對(duì)于C，因60W燈的電阻比25W燈的電阻小，據(jù)串聯(lián)電路的分壓原理知此時(shí)燈(110V,25W)電壓將大于110V而被燒毀，所以C的電路不可能使兩燈正常工作；在D中，當(dāng)兩個(gè)滑動(dòng)變阻器與其串聯(lián)的燈泡電阻分別相等時(shí)，兩燈均能正常發(fā)光，電路消耗的總功率為170W，有用的電功率為85W，綜上所述，只有B選項(xiàng)符合題意。]非純電阻電路中功率的分析與計(jì)算2．(多選)如圖所示，電源電動(dòng)勢(shì)E＝3V，小燈泡L的規(guī)格為“2V0.4W”，開關(guān)S接1，當(dāng)滑動(dòng)變阻器調(diào)到R＝4Ω時(shí)，小燈泡L正常發(fā)光，現(xiàn)將開關(guān)S接2，小燈泡L和電動(dòng)機(jī)M均正常工作。則()A．電源內(nèi)阻為1ΩB．電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻為4ΩC．電動(dòng)機(jī)正常工作電壓為1VD．電源效率約為93.3%AD[小燈泡正常工作時(shí)的電阻RL＝eq\f(U2,P)＝10Ω，流過小燈泡的