题目内容

13.如图甲所示,电源由n个电动势E=1.5V、内阻均为r(具体值未知)的电池串联组成,合上开关,在变阻器的滑片C从A端滑到B端的过程中,电路中的一些物理量的变化如图乙中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ所示,电表对电路的影响不计.Ⅰ图为输出功率与路端电压关系曲线;Ⅱ图为路端电压与总电流关系图线;Ⅲ图为电源的输出效率与外电阻的关系图线)

(1)求组成电源的电池的个数以及一个电池的内阻;
(2)求滑动变阻器的总阻值;
(3)写出图Ⅰ、Ⅱ中a、b、c三点的坐标(不要求计算过程).

分析 电流表测电路电流,电压表测外电路电压,即滑动变阻器电压;
(1)当滑动变阻器接入电路的阻值为零时,电路短路,电路电流为短路电流,等于电源电压与电源内阻的比值;当滑动变阻器接入电路的阻值与电源内阻阻值相等时,电源输出功率最大,根据图象数据,应用欧姆定律与电功率公式列方程,求出电源电压,然后求出电池节数.
(2)电源的输出功率与电源的总功率之比是电源的效率,滑动变阻器接入电路的阻值越大,电源效率越高,当滑动变阻器阻值全部接入电路时,滑动变阻器效率最高,由图丙所示图象,应用电功率公式及效率公式可以求出滑动变阻器的最大阻值.
(3)由欧姆定律、串联电路特点及图象可以求出各点的坐标.

解答 解:设电源电压为U,内阻为r;
(1)由Ⅱ图可知,短路电流:I=$\frac{U}{r}$=3A,
当滑动变阻器电阻与电源内阻相等时,电源输出功率最大,
由于滑动变阻器接入电路的电阻与电源内阻相等,
由串联电路特点知,电源内阻电压等于滑动变阻器电压,
则滑动变阻器电压为$\frac{U}{2}$,R滑=r,由乙图得:P最大=$\frac{{{U}_{滑}}^{2}}{{R}_{滑}}=\frac{(\frac{U}{2})^{2}}{r}$=$\frac{{U}^{2}}{4r}$=4.5W,
解得:U=6V,r=2Ω,每节干电池电压为1.5V,电源电压为6V,则电源由4节干电池组成,每个电池的内阻${r}_{0}=\frac{2}{4}=0.5Ω$.
(2)电源效率η=$\frac{{P}_{出}}{{P}_{总}}=\frac{{I}^{2}R}{{I}^{2}(R+r)}=\frac{1}{1+\frac{r}{R}}$,当滑动变阻器阻值全部接入电路时,电源的效率最高,
由丙图得:η=$\frac{R}{R+r}=\frac{R}{R+2}$=0.8,解得R=8Ω;
(3)当输出功率达到最大时 R=4r=2Ω时,此时的路端电压为3V,b(3V、4.5W) c(4.8V、2.88W) a(0.6A、4.8V);
答:(1)串联干电池的个数为4个,每个电池的内阻为0.5Ω.
(2)滑动变阻器的最大阻值为8Ω.
(3)各点坐标分别为:a(0.6A、4.8V);b(3V、4.5W);c(4.8V、2.88W).

点评 本题难度较大,分析清楚电路结构、根据各图象获得所需信息,应用欧姆定律、电功率公式、效率公式等即可正确解题.

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