Question

在如圖所示的電路中，電源兩端的電壓U保持不變，將滑動變阻器的滑片P置于某位置a，其接入電路的電阻值為R_a，閉合開關S₁、斷開開關S₂、S₃，電阻R₁消耗的電功率P₁=0.8W，電壓表V₁的示數(shù)為U₁，電流表A的示數(shù)為I₁；將滑動變阻器的滑片P置于最左端，閉合開關S₁、斷開開關S₂、S₃，電阻R₁消耗的電功率P′₁=1.8W，電路消耗的總功率為P，電流表A的示數(shù)為I₂；將滑動變阻器的滑片P置于某位置b，其接入電路的電阻值為R_b，閉合開關S₁、斷開開關S₂、S₃，電路消耗的總功率為P′，電壓表V₂的示數(shù)為U₂．已知：P：P′=2：1，U₁：U₂=4：5．求：
（1）I₁與I₂的比值；
（2）R_a與R_b的比值；
（3）當滑動變阻器的滑片P置于位置a或位置b，并通過開關的斷開或閉合改變電路結(jié)構(gòu)，使電路消耗的電功率最大，則此最大電功率為多大．

Answer 1

【答案】分析：先畫出三種情況的等效電路圖：
（1）根據(jù)P=I²R結(jié)合圖甲和圖乙中電阻R₁消耗的電功率求出I₁與I₂的比值．
（2）根據(jù)P=UI結(jié)合圖乙和圖丙中電路消耗的總功率求出兩者的電流之比，再根據(jù)電源的電壓不變分別根據(jù)歐姆定律和電阻的串聯(lián)特點表示出電源的電壓，利用電流關系分別得出R_a和R_b與R₁、R₂之間的關系，進一步求出R_a與R_b的比值．
（3）由實物電路圖可知，因為R_a＜R_b，所以當所有開關均閉合，滑動變阻器的滑片P置于位置a時，電路消耗的總功率最大；先根據(jù)以上關系求出圖甲和圖乙的電流關系，根據(jù)歐姆定律結(jié)合電壓表的示數(shù)關系求出R₁、R₂、R_a三電阻之間的關系；根據(jù)串聯(lián)電路電阻的分壓特點得出圖甲中R₁兩端的電壓與電源電壓之間的關系，根據(jù)電功率公式表示出電阻R₁消耗的電功率，把以上關系帶入圖丁即可求出電路消耗的最大功率．
解答：解：將滑動變阻器的滑片P置于某位置a，閉合開關S₁、斷開S₂、S₃時，等效電路如答圖甲所示；
將滑動變阻器的滑片P置于最左端，閉合開關S₁、斷開S₂、S₃時，等效電路如答圖乙所示；
將滑動變阻器的滑片P置于某位置b，閉合開關S₁、斷開S₂、S₃時，等效電路如答圖丙所示．

（1）∵P=I²R，且P₁=0.8W，P₁′=1.8W，
∴=------------------①
（2）∵P=UI，且P：P′=2：1，
∴=------------------②
∵電源的電壓不變，
∴由甲、乙兩圖可得：U=I₂（R₁+R₂）=I₁（R₁+R_a+R₂）----③
由乙、丙兩圖可得：U=I₂（R₁+R₂）=I₃（R₁+R_b+R₂）------④
由①②③④可得：
2R_a=R₁+R₂------------------------⑤
R_b=R₁+R₂------------------------⑥
∴R_a：R_b=1：2；
（3）因為R_a＜R_b，所以當所有開關均閉合，滑動變阻器的滑片P置于位置a時，電路消耗的總功率最大，其等效電路如答圖丁所示．

由①②兩式可知=-----------------⑦
∵U=IR，
∴==---------------⑧
由⑤⑥⑦⑧可得：=，=；
由圖甲可得：U₁=U=U=，P₁==0.8W，
解得=3.2W，
根據(jù)P_max=++=++=22=22×0.8W=17.6W．
答：（1）I₁與I₂的比值為2：3；
（2）R_a與R_b的比值為1：2；
（3）電路消耗的電功率最大電功率為17.6W．
點評：題考查了學生對串、并聯(lián)電路的判斷，串聯(lián)電路的特點以及歐姆定律、電功率公式的應用．本題難點在于很多同學無法將三種狀態(tài)下的功率關系及電壓關系聯(lián)系在一起，故無法找到突破口．解答此類問題時，可將每一種情況中的已知量和未知量都找出來，仔細分析找出各情況中的關聯(lián)，即可求解．