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15. 如图所示的电路，电源电压是3 V，闭合开关S后，两灯均发光，电压表的示数是1.6 V，此时灯L₁两端的电压是
1.4
V；一段时间后，两灯同时熄灭，电压表示数变大，导致这种现象的原因可能是L₂断路
（选填“断路”或“短路”）。答案
15. 1.4 断路 [解析]由图可知,灯$\mathrm{L}_1$、$\mathrm{L}_2$串联,电压表V测灯$\mathrm{L}_2$两端电压。已知电压表的示数是1.6 V,即$\mathrm{L}_2$两端电压$U_2=1.6\ \mathrm{V}$,因为串联电路两端电压等于各部分电压之和,所以灯$\mathrm{L}_1$两端的电压$U_1 = U - U_2 = 3\ \mathrm{V} - 1.6\ \mathrm{V} = 1.4\ \mathrm{V}$;两灯同时熄灭,说明电路可能出现断路故障,电压表示数变大,说明电压表与电源两极相连通,因此电路故障可能为灯$\mathrm{L}_2$断路。
解析
【分析】首先明确电路中L₁与L₂为串联关系，电压表测量L₂两端的电压；利用串联电路总电压等于各部分电压之和的规律，可计算L₁两端的电压；两灯同时熄灭说明电路出现断路故障，结合电压表示数变大的现象，判断故障原因。
【解析】1. 电路分析：由题图可知，灯$\mathrm{L}_1$、$\mathrm{L}_2$串联，电压表$\mathrm{V}$并联在$\mathrm{L}_2$两端，测量$\mathrm{L}_2$两端的电压。已知电源电压$U=3\ \mathrm{V}$，电压表示数即$\mathrm{L}_2$两端电压$U_2=1.6\ \mathrm{V}$。根据串联电路的电压规律：串联电路总电压等于各用电器两端电压之和，即$U=U_1+U_2$，因此$\mathrm{L}_1$两端的电压$U_1=U-U_2=3\ \mathrm{V}-1.6\ \mathrm{V}=1.4\ \mathrm{V}$。2. 故障分析：两灯同时熄灭，说明电路中无电流，属于断路故障；电压表示数变大，说明电压表的两个接线柱能与电源两极连通，此时电压表相当于直接接在电源两端，因此故障为$\mathrm{L}_2$断路。
【答案】1.4；断路
【知识点】串联电路电压规律；电路故障分析
【点评】本题结合串联电路考查电压计算和电路故障判断，是电学基础题型，需掌握串联电路电压特点及断路故障的分析逻辑。
【难度系数】0.7
【解析】1. 电路分析：由题图可知，灯$\mathrm{L}_1$、$\mathrm{L}_2$串联，电压表$\mathrm{V}$并联在$\mathrm{L}_2$两端，测量$\mathrm{L}_2$两端的电压。已知电源电压$U=3\ \mathrm{V}$，电压表示数即$\mathrm{L}_2$两端电压$U_2=1.6\ \mathrm{V}$。根据串联电路的电压规律：串联电路总电压等于各用电器两端电压之和，即$U=U_1+U_2$，因此$\mathrm{L}_1$两端的电压$U_1=U-U_2=3\ \mathrm{V}-1.6\ \mathrm{V}=1.4\ \mathrm{V}$。2. 故障分析：两灯同时熄灭，说明电路中无电流，属于断路故障；电压表示数变大，说明电压表的两个接线柱能与电源两极连通，此时电压表相当于直接接在电源两端，因此故障为$\mathrm{L}_2$断路。
【答案】1.4；断路
【知识点】串联电路电压规律；电路故障分析
【点评】本题结合串联电路考查电压计算和电路故障判断，是电学基础题型，需掌握串联电路电压特点及断路故障的分析逻辑。
【难度系数】0.7
四、应用题
16. 小汽车上有四扇门(相当于四个开关),只有当四扇门都关闭(四个开关都闭合)时,报警指示灯才熄灭。请在方框内画出符合这一要求的自动电路图(要求:不能发生电源短路现象)。
16. 小汽车上有四扇门(相当于四个开关),只有当四扇门都关闭(四个开关都闭合)时,报警指示灯才熄灭。请在方框内画出符合这一要求的自动电路图(要求:不能发生电源短路现象)。
答案
16. 如答图所示
解析
【分析】
要满足“四扇门都关闭（四个开关都闭合）时报警指示灯熄灭，且不发生电源短路”的要求，需让四个开关串联后与指示灯并联。当四个开关都闭合时，指示灯被短路，电流优先通过开关支路，指示灯熄灭；只要有一个开关断开，指示灯所在支路导通，灯发光，同时串联保护电阻可避免电源短路。
【解析】
根据设计思路，将四个开关S₁、S₂、S₃、S₄串联，再与指示灯L并联，干路串联保护电阻R。电流从电源正极流出，经电阻R后分为两条支路：一条经过指示灯L，另一条经过四个串联的开关；两条支路汇合后回到电源负极。当四个开关全部闭合时，指示灯支路被短路，指示灯熄灭；任意一个开关断开时，指示灯支路导通，指示灯发光，且不会发生电源短路。
【答案】
如答图所示
【知识点】
电路串并联、短路判断
【点评】
本题结合生活实际考查电路设计，核心是理解“多开关控制指示灯熄灭”的逻辑，需结合串并联电路特点和短路的防范来设计，是电路知识的实际应用。
【难度系数】
0.5
要满足“四扇门都关闭（四个开关都闭合）时报警指示灯熄灭，且不发生电源短路”的要求，需让四个开关串联后与指示灯并联。当四个开关都闭合时，指示灯被短路，电流优先通过开关支路，指示灯熄灭；只要有一个开关断开，指示灯所在支路导通，灯发光，同时串联保护电阻可避免电源短路。
【解析】
根据设计思路，将四个开关S₁、S₂、S₃、S₄串联，再与指示灯L并联，干路串联保护电阻R。电流从电源正极流出，经电阻R后分为两条支路：一条经过指示灯L，另一条经过四个串联的开关；两条支路汇合后回到电源负极。当四个开关全部闭合时，指示灯支路被短路，指示灯熄灭；任意一个开关断开时，指示灯支路导通，指示灯发光，且不会发生电源短路。
【答案】
如答图所示
【知识点】
电路串并联、短路判断
【点评】
本题结合生活实际考查电路设计，核心是理解“多开关控制指示灯熄灭”的逻辑，需结合串并联电路特点和短路的防范来设计，是电路知识的实际应用。
【难度系数】
0.5
17. 小亮走进教室后，闭合开关$\mathrm{S}_{1}$，两盏日光灯全部正常发光；旋转墙壁上的电位器$\mathrm{S}_{2}$，电风扇开始工作，且顺时针旋转时风速变大。请在图中画出符合上述要求的电路。
答案
17. 如答图所示
解析
【分析】
要完成该电路连接，需结合家庭电路的安全原则和用电器工作要求分析：①家庭电路中用电器需并联，保证工作互不影响，开关应接在相线上，断开开关时用电器不带电，符合安全要求；②两盏日光灯需同时发光，说明开关$\mathrm{S}_{1}$是两灯的总开关，控制并联的两盏灯；③电位器$\mathrm{S}_{2}$控制电风扇，顺时针旋转时风速变大，说明电位器需串联在电路中，且顺时针旋转时接入电阻减小，电流增大，从而风速变大。
【解析】
1. 连接两盏日光灯：将开关$\mathrm{S}_{1}$的一端接相线，$\mathrm{S}_{1}$的另一端分为两路，分别连接两盏日光灯的一端，两盏日光灯的另一端共同连接到中性线，使两灯并联，$\mathrm{S}_{1}$控制两灯，闭合$\mathrm{S}_{1}$时两灯正常发光，断开时用电器不带电，符合安全要求。
2. 连接电风扇与电位器：将电位器$\mathrm{S}_{2}$的一端接相线，$\mathrm{S}_{2}$的另一端连接电风扇的一端，电风扇的另一端连接中性线形成通路；顺时针旋转电位器时，其接入电路的电阻变小，电路电流变大，电风扇风速变大，符合题目要求。
【答案】
如答图所示
【知识点】
家庭电路连接、并联电路特点、滑动变阻器应用
【点评】
本题考查家庭电路的基础连接规则，需掌握用电器并联、开关接相线的安全原则，以及滑动变阻器调节电路的原理，属于常规电路连接题，难度适中。
【难度系数】
0.5
要完成该电路连接，需结合家庭电路的安全原则和用电器工作要求分析：①家庭电路中用电器需并联，保证工作互不影响，开关应接在相线上，断开开关时用电器不带电，符合安全要求；②两盏日光灯需同时发光，说明开关$\mathrm{S}_{1}$是两灯的总开关，控制并联的两盏灯；③电位器$\mathrm{S}_{2}$控制电风扇，顺时针旋转时风速变大，说明电位器需串联在电路中，且顺时针旋转时接入电阻减小，电流增大，从而风速变大。
【解析】
1. 连接两盏日光灯：将开关$\mathrm{S}_{1}$的一端接相线，$\mathrm{S}_{1}$的另一端分为两路，分别连接两盏日光灯的一端，两盏日光灯的另一端共同连接到中性线，使两灯并联，$\mathrm{S}_{1}$控制两灯，闭合$\mathrm{S}_{1}$时两灯正常发光，断开时用电器不带电，符合安全要求。
2. 连接电风扇与电位器：将电位器$\mathrm{S}_{2}$的一端接相线，$\mathrm{S}_{2}$的另一端连接电风扇的一端，电风扇的另一端连接中性线形成通路；顺时针旋转电位器时，其接入电路的电阻变小，电路电流变大，电风扇风速变大，符合题目要求。
【答案】
如答图所示
【知识点】
家庭电路连接、并联电路特点、滑动变阻器应用
【点评】
本题考查家庭电路的基础连接规则，需掌握用电器并联、开关接相线的安全原则，以及滑动变阻器调节电路的原理，属于常规电路连接题，难度适中。
【难度系数】
0.5
18.阅读短文,回答问题。
风光互补发电项目
为保护地球家园,我国将努力争取2060年前实现碳中和。为了降低化石能源占比,我国目前正大力开发利用太阳能、风能、核能等新能源,风光互补发电项目正大规模推进。风光互补发电系统由太阳能电池板、风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。
下表为某型号风光互补路灯系统的部分技术参数,其中风力发电的最大输出功率$P_大$是指风速达到最大限制风速$v_大$时风力发电机的输出功率;光照功率$P_光$是指太阳光照射到电池板表面处每平方米的辐射功率,光电转化效率$\eta_光$是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率。
(1)太阳能属于
(2)在人类使用能源的过程中,必然有部分能量由于种种原因浪费掉且不能再重新利用,说明能量的转移或转化具有
(3)若风力发电时的输出功率与风速的平方成正比,则当输出功率为25 W时,风速为
(4)某家庭年耗电1 500 kW·h,若家用电器全部改用太阳能电池供电,假定按1年200天、每天5 h光照计算,则要安装的太阳能电池板面积至少是
风光互补发电项目
为保护地球家园,我国将努力争取2060年前实现碳中和。为了降低化石能源占比,我国目前正大力开发利用太阳能、风能、核能等新能源,风光互补发电项目正大规模推进。风光互补发电系统由太阳能电池板、风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。
下表为某型号风光互补路灯系统的部分技术参数,其中风力发电的最大输出功率$P_大$是指风速达到最大限制风速$v_大$时风力发电机的输出功率;光照功率$P_光$是指太阳光照射到电池板表面处每平方米的辐射功率,光电转化效率$\eta_光$是指太阳能电池板将光能转化为电能的效率。
(1)太阳能属于
可再生
(选填“可再生”或“不可再生”)能源。(2)在人类使用能源的过程中,必然有部分能量由于种种原因浪费掉且不能再重新利用,说明能量的转移或转化具有
方向性
。(3)若风力发电时的输出功率与风速的平方成正比,则当输出功率为25 W时,风速为
3
m/s。(4)某家庭年耗电1 500 kW·h,若家用电器全部改用太阳能电池供电,假定按1年200天、每天5 h光照计算,则要安装的太阳能电池板面积至少是
7.5
$m^2$;若太阳能辐射的总功率为$P_0$,且太阳光在穿透太空及地球大气层到达地面的途中能量损耗率为$\eta$(已知球面面积为$4π r^2$,r为球半径),则太阳到地球的距离$D=$$\sqrt{\dfrac{P_0(1-\eta)}{4π P_光}}$
(用物理量符号表示)。答案
18. (1)可再生 (2)方向性 (3)3 (4)7.5 $\sqrt{\dfrac{P_0(1-\eta)}{4π P_光}}$ [解析](1)太阳能可以在自然界里源源不断地得到补充,所以它属于可再生能源;(2)能量的转化或转移具有方向性;(3)设风力发电机的输出功率为$P$,风速为$v$,则$P=kv^2$,因为发电机的最大输出功率为400 W,最大限制风速为12 m/s,代入上式有$400 = 144k$,解得$k=\dfrac{25}{9}$,即$P=\dfrac{25}{9}v^2$,当输出功率为25 W时,可求得风速为3 m/s;(4)太阳能电池板1年可转化的电能:$W_总=\eta_光 P_光 St$,则太阳能电池板的面积: $S = \dfrac{W_总}{\eta_光 P_光 t} = \dfrac{1\ 500 × 3.6 × 10^6\ \mathrm{J}}{20\% × 1\ 000\ \mathrm{W/m^2} × 200 × 5 × 3\ 600\ \mathrm{s}} = 7.5\ \mathrm{m^2}$;由题意可知,太阳光照射到地面时单位面积上的辐射功率:$P_光 = \dfrac{P_0(1-\eta)}{4π D^2}$,则太阳到地球的距离: $D=\sqrt{\dfrac{P_0(1-\eta)}{4π P_光}}$。
解析
【分析】
本题围绕风光互补发电项目，考查能源分类、能量特性及相关物理计算。解题思路如下：
1. 第一问根据可再生能源的定义判断太阳能的类型；
2. 第二问回忆能量转移或转化的核心特性；
3. 第三问利用“输出功率与风速平方成正比”的关系，先通过最大输出功率和最大风速求出比例系数，再代入25W的条件计算风速；
4. 第四问先结合电能需求、光电转化效率、光照功率及时间，推导计算太阳能电池板面积；再根据太阳总功率、能量损耗率与球面面积的关系，推导太阳到地球的距离。
【解析】
(1) 可再生能源是可在自然界中源源不断获取补充的能源，太阳能符合该特征，因此属于可再生能源。
(2) 能量的转移或转化过程中，总有部分能量无法被再利用，说明能量的转移或转化具有方向性。
(3) 设风力发电机输出功率为$P$，风速为$v$，由题意得$P=kv^2$（$k$为比例系数）。已知最大输出功率$P_大=400\ \mathrm{W}$，最大限制风速$v_大=12\ \mathrm{m/s}$，代入得$400 = k×12^2$，解得$k=\frac{25}{9}$，即$P=\frac{25}{9}v^2$。当输出功率$P=25\ \mathrm{W}$时，代入得$25=\frac{25}{9}v^2$，解得$v=3\ \mathrm{m/s}$。
(4) ① 家庭年耗电$W=1500\ \mathrm{kW·h}=1500×3.6×10^6\ \mathrm{J}$，光照总时间$t=200×5×3600\ \mathrm{s}$，光电转化效率$\eta_光=20\%$，光照功率$P_光=1000\ \mathrm{W/m^2}$。根据电能转化关系$W=\eta_光 P_光 S t$，可得太阳能电池板面积$S=\frac{W}{\eta_光 P_光 t}$，代入数值计算得$S=7.5\ \mathrm{m^2}$。
② 太阳辐射总功率为$P_0$，到达地面时能量损耗率为$\eta$，则地面单位面积的辐射功率$P_光=\frac{P_0(1-\eta)}{4π D^2}$，整理得太阳到地球的距离$D=\sqrt{\frac{P_0(1-\eta)}{4π P_光}}$。
【答案】
(1) 可再生 (2) 方向性 (3) 3 (4) $7.5$；$\sqrt{\dfrac{P_0(1-\eta)}{4π P_光}}$
【知识点】
可再生能源、能量的方向性、太阳能发电计算
【点评】
本题结合新能源开发的实际场景，将基础概念与物理计算结合，既考查能源分类、能量特性等基础知识，又要求学生运用比例关系、公式推导解决实际问题，是一道综合性较强的基础题。
【难度系数】
0.5
本题围绕风光互补发电项目，考查能源分类、能量特性及相关物理计算。解题思路如下：
1. 第一问根据可再生能源的定义判断太阳能的类型；
2. 第二问回忆能量转移或转化的核心特性；
3. 第三问利用“输出功率与风速平方成正比”的关系，先通过最大输出功率和最大风速求出比例系数，再代入25W的条件计算风速；
4. 第四问先结合电能需求、光电转化效率、光照功率及时间，推导计算太阳能电池板面积；再根据太阳总功率、能量损耗率与球面面积的关系，推导太阳到地球的距离。
【解析】
(1) 可再生能源是可在自然界中源源不断获取补充的能源，太阳能符合该特征，因此属于可再生能源。
(2) 能量的转移或转化过程中，总有部分能量无法被再利用，说明能量的转移或转化具有方向性。
(3) 设风力发电机输出功率为$P$，风速为$v$，由题意得$P=kv^2$（$k$为比例系数）。已知最大输出功率$P_大=400\ \mathrm{W}$，最大限制风速$v_大=12\ \mathrm{m/s}$，代入得$400 = k×12^2$，解得$k=\frac{25}{9}$，即$P=\frac{25}{9}v^2$。当输出功率$P=25\ \mathrm{W}$时，代入得$25=\frac{25}{9}v^2$，解得$v=3\ \mathrm{m/s}$。
(4) ① 家庭年耗电$W=1500\ \mathrm{kW·h}=1500×3.6×10^6\ \mathrm{J}$，光照总时间$t=200×5×3600\ \mathrm{s}$，光电转化效率$\eta_光=20\%$，光照功率$P_光=1000\ \mathrm{W/m^2}$。根据电能转化关系$W=\eta_光 P_光 S t$，可得太阳能电池板面积$S=\frac{W}{\eta_光 P_光 t}$，代入数值计算得$S=7.5\ \mathrm{m^2}$。
② 太阳辐射总功率为$P_0$，到达地面时能量损耗率为$\eta$，则地面单位面积的辐射功率$P_光=\frac{P_0(1-\eta)}{4π D^2}$，整理得太阳到地球的距离$D=\sqrt{\frac{P_0(1-\eta)}{4π P_光}}$。
【答案】
(1) 可再生 (2) 方向性 (3) 3 (4) $7.5$；$\sqrt{\dfrac{P_0(1-\eta)}{4π P_光}}$
【知识点】
可再生能源、能量的方向性、太阳能发电计算
【点评】
本题结合新能源开发的实际场景，将基础概念与物理计算结合，既考查能源分类、能量特性等基础知识，又要求学生运用比例关系、公式推导解决实际问题，是一道综合性较强的基础题。
【难度系数】
0.5
