题目内容

15.如图所示,电源电压保持不变,滑动变阻器最大阻值为R1=40Ω,小灯泡的电阻为10Ω且保持不变,当S1、S2均闭合且滑片P滑动到b端时,电流表A1、A2的示数之比为3:2,;当S1、S2均断开且滑片P置于滑动变阻器中点时,小灯泡L的功率为10W,求:
(1)电阻R2的阻值;
(2)当S1、S2均闭合且滑片P在b端时,电压表V的示数;
(3)整个电路消耗的最大和最小电功率.

分析 (1)当S1、S2均闭合且滑片P滑到b端时,此时小灯泡L被短路,变阻器R1与电阻R2并联,电流表A1测干路电流,A2测R2电流,根据并联电路的电流特点求出两条支路的电流之比,根据并联电路的电压特点求出两电阻的阻值之比,然后求出R2的阻值;
(2)当S1、S2均断开且滑片P置于滑动变阻器中点时,灯泡与滑动变阻器阻值的一半串联,根据P=I2R求出电路中的电流,根据电阻的串联和欧姆定律求出电源的电压;当滑片P在b端时,小灯泡L被短路,变阻器R1与电阻R2并联,电压表测电源的电压,根据电源的电压可知电压表的示数;
(3)根据P=$\frac{{U}^{2}}{R}$,在电源电压一定时,电功率与电阻的关系是成反比,要求最大和最小电功率,先求最小和最大总电阻;当S1均闭合且滑片P滑到a端时电路中的总电阻最小,当S1、S2均断开且把滑片滑到b端时电路的总电阻最大,再利用P=$\frac{{U}^{2}}{R}$求出最大和最小总功率.

解答 解:(1)当S1、S2均闭合且滑片P滑到b端时,等效电路图如下图所示:

因并联电路中干路电流等于各支路电流之和,
所以,两支路的电流之比:
$\frac{{I}_{1}}{{I}_{2}}$=$\frac{{I}_{A1}-{I}_{A2}}{{I}_{A2}}$=$\frac{3-2}{2}$=$\frac{1}{2}$,
因并联电路中各支路两端的电压相等,
所以,由I=$\frac{U}{R}$可得,两电阻的阻值之比:
$\frac{{R}_{1}}{{R}_{2}}$=$\frac{\frac{U}{{I}_{1}}}{\frac{U}{{I}_{2}}}$=$\frac{{I}_{2}}{{I}_{1}}$=$\frac{2}{1}$,
解得:R2=$\frac{1}{2}$R1=$\frac{1}{2}$×40Ω=20Ω;
(2)当S1、S2均断开且滑片P置于变阻器中点时,等效电路图如下图所示:

由P=I2RL可得,电路中的电流:
I′=$\sqrt{\frac{P}{{R}_{L}}}$=$\sqrt{\frac{10W}{10Ω}}$=1A,
滑片在中点时,滑动变阻器连入电阻R1′=20Ω,
因串联电路中总电阻等于各分电阻之和,
所以,电源的电压:
U=I′(R1′+RL)=1A×(20Ω+10Ω)=30V,
当S1、S2均闭合且滑片P在b端时,电压表测电源电压,所以电压表示数U示=30V;
(3)当S1均闭合且滑片P滑到a端时,电路中的总电阻最小,电路消耗的电功率最大,
电路最大功率:
P大=$\frac{{U}^{2}}{{R}_{1}}$+$\frac{{U}^{2}}{{R}_{L}}$=$\frac{(30V)^{2}}{40Ω}$+$\frac{(30V)^{2}}{10Ω}$=112.5W;
当S1、S2均断开且滑片P滑到端b时,电路总电阻最大,电路消耗电功率最小,
电路最小功率:
P小=$\frac{{U}^{2}}{{R}_{1}+{R}_{L}}$=$\frac{(30V)^{2}}{40Ω+10Ω}$=18W.
答:(1)电阻R2的阻值是20Ω;
(2)当S1、S2均闭合且滑片P在b端时,电压表的示数是30V;
(3)整个电路消耗的最大功率为112.5W,最小电功率为18W.

点评 本题考查了串联电路和并联电路的特点以及欧姆定律、电功率公式的应用,关键是电路中最大和最小电阻的判断.

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