Question

如图甲所示电路中，电源电压保持不变，初始时滑动变阻器R₁的滑片P在最右端，合上开关后滑片P向左滑动，电压表读数U与x、电流表读数I与x的关系如图乙、丙所示．

请回答：

（1）仔细观察图乙、丙中电压表和电流表的读数，可以判断出当x＜5cm时，电路中出现了　　（选填“短路”或“断路”），电源电压是　　V．（2）定值电阻R₂的阻值多大？

（3）闭合开关，滑动变阻器的滑片P在最左端时，电路消耗的总功率多大？

（4）请比较：闭合开关，在滑片P从x=5cm处向左滑动到x=10cm处的过程中，滑动变阻器R₁与定值电阻R₂产生的热量哪个多？（请通过计算说明）

 

Answer 1

分析：    （1）从图象上可以看出断点的位置和电源电压的大小；

（2）从图象上可看出，当电流表读数为I₁=0.15A时，电压表读数为U₁=1.35V，电压表测量滑动变阻器两端的电压，根据串联电路电压特点求出R₂两端的电压，根据欧姆定律求出R₂的阻值；

（3）闭合开关，滑动变阻器的滑片P在最左端时，电路为R₂的简单电路，根据P=求出电路消耗的总功率；

（4）先计算x=5cm时和x=10cm时滑动变阻器接入电路的电阻，根据电阻的串联和欧姆定律表示出电路的电流，利用P=I²R表示出滑动变阻器R₁的电功率，利用数学知识判断出最小功率并计算大小；当滑动变阻器接入电路中的电阻最小时电路中的电流最大，根据电阻的串联和欧姆定律求出电流，利用P=I²R求出最大功率，然后两者的功率相比较，利用Q=W=Pt判断两者产生热量的关系．

解答：    解：（1）根据图象可知：断点位置在x等于5cm处，电源电压U₀等于1.50V；

（2）当电流表读数为I₁=0.15A时，电压表读数为U₁=1.35V，

∵串联电路中总电阻等于各分电阻之和，

∴定值电阻R₂两端的电压：

U₂=U﹣U₁=1.50V﹣1.35V=0.15V，

由欧姆定律可得：

R₂===1Ω；

（3）闭合开关，滑动变阻器的滑片P在最左端时，电路为R₂的简单电路，

电路的总功率：

P===2.25W；

（4）当x=5cm时，设滑动变阻器接入电路中的电阻为R₁，则

R₁===9Ω；

当x=10cm时，设滑动变阻器接入电路中的电阻为R₂，则

R₂===4Ω；

当滑动变阻器接入电路中的电阻为R1时，电路中的电流：

I==，

滑动变阻器的电功率：

P₁=I²R₁=（）²R₁=，

由数学知识可知，当R₁=1Ω，其消耗的电功率最大，且9Ω时消耗的电功率最小，

∴P_1min===0.2025W，

当滑动变阻器接入电路中的电阻为4Ω，电路中的电流最大，定值电阻R₂消耗的电功率最大，

此时电路中的电流：

I_max===0.3A，

∴P_2max=（I_max）²R₂=（0.3A）²×1Ω=0.09W，

∵P_1min＞P_2max，

∴由Q=W=Pt可知，滑动变阻器R₁产生的热量大于定值电阻R₂产生的热量．

答：（1）断路；1.50；

（2）定值电阻R₂的阻值为1Ω；

（3）闭合开关，滑动变阻器的滑片P在最左端时，电路消耗的总功率为2.25W；

（4）闭合开关，在滑片P从x=5cm处向左滑动到x=10cm处的过程中，滑动变阻器R₁产生的热量大于定值电阻R₂产生的热量．