18.如圖甲所示,電源電壓不變,燈泡L標(biāo)有“3V,0.9W”字樣,R0的電壓與電流的關(guān)系如圖乙所示,電流表量程為0~0.6A,當(dāng)S1  S2都斷開(kāi),滑片P從b端滑到某一位置c時(shí),滑動(dòng)變阻器R的電阻減少$\frac{4}{5}$,兩次電流表的示數(shù)之比為1:3,燈泡恰好正常發(fā)光,求:(解題時(shí)畫(huà)出等效電路圖)
(1)電源電壓
(2)閉合S1  S2時(shí),在不損壞電路元件的情況下,求電路總功率的變化范圍及滑動(dòng)變阻器相應(yīng)的變化范圍是多少?

分析 (1)當(dāng)S1  S2都斷開(kāi),滑片P位于b端或位于c點(diǎn)時(shí),燈泡與滑動(dòng)變阻器串聯(lián),電流表測(cè)電路中的電流,先根據(jù)P=$\frac{{U}^{2}}{R}$求出燈泡的電阻,根據(jù)電壓不變時(shí)電路的電流與電阻成反比得出等式即可求出滑動(dòng)變阻器的最大阻值,根據(jù)串聯(lián)電路的電流特點(diǎn)和歐姆定律求出燈泡正常發(fā)光時(shí)電路中的電流,根據(jù)電阻的串聯(lián)和歐姆定律求出電源的電壓;
(2)閉合S1  S2時(shí),電阻R0與滑動(dòng)變阻器并聯(lián),電流表測(cè)干路電流,先從圖乙中讀出一組電壓和電流的對(duì)應(yīng)值,根據(jù)歐姆定律求出R0的阻值,根據(jù)電流表的量程可知當(dāng)電壓表的示數(shù)為0.6A時(shí),變阻器接入電路中的電阻最小,電路消耗的總功率最大,根據(jù)并聯(lián)電路的電壓特點(diǎn)和歐姆定律求出通過(guò)R0的電流,根據(jù)并聯(lián)電路的電流特點(diǎn)求出通過(guò)滑動(dòng)變阻器的最大電流,利用歐姆定律求出變阻器接入電路中的最小阻值,根據(jù)P=UI求出電路消耗的最大總功率;當(dāng)滑動(dòng)變阻器接入電路中的電阻最大時(shí)電路消耗的總功率最小,根據(jù)P=$\frac{{U}^{2}}{R}$求出R0和滑動(dòng)變阻器消耗的電功率,兩者之和即為電路消耗的最小總功率,進(jìn)一步得出答案.

解答 解:(1)當(dāng)S1  S2都斷開(kāi),滑片P位于b端和位于c點(diǎn)時(shí)的等效電路圖如下圖所示:

由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可得,燈泡的電阻:
RL=$\frac{{{U}_{L}}^{2}}{{P}_{L}}$=$\frac{(3V)^{2}}{0.9W}$=10Ω,
因電壓不變時(shí),電路的電流與電阻成反比,Rb=R,Rc=R-$\frac{4}{5}$R=$\frac{1}{5}$R,
所以,$\frac{{I}_{1}}{{I}_{2}}$=$\frac{{R}_{L}+{R}_}{{R}_{L}+{R}_{c}}$=$\frac{{R}_{L}+\frac{1}{5}R}{{R}_{L}+R}$=$\frac{1}{3}$,
整理可得:R=5RL=5×10Ω=50Ω,
因圖2中燈泡正常發(fā)光,
所以,圖2中的電流I2=$\frac{{U}_{L}}{{R}_{L}}$=$\frac{3V}{10Ω}$=0.3A,
則電源的電壓:
U=I2(RL+$\frac{1}{5}$R)=0.3A×(10Ω+$\frac{1}{5}$×50Ω)=6V;
(2)閉合S1  S2時(shí),等效電路圖如下圖所示:

由圖乙可知,當(dāng)U0=3V時(shí),I0=0.1A,則R0的阻值:
R0=$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$=$\frac{3V}{0.1A}$=30Ω,
因并聯(lián)電路中各支路兩端的電壓相等,
所以,圖3中通過(guò)R0的電流:
I0′=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{6V}{30Ω}$=0.2A,
當(dāng)電流表的示數(shù)為0.6A時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路中的電阻最小,電路消耗的總功率最大,
因并聯(lián)并聯(lián)電路中干路電流等于各支路電流之和,
所以,通過(guò)滑動(dòng)變阻器的最大電流:
I滑大=I-I0′=0.6A-0.2A=0.4A,
滑動(dòng)變阻器接入電路中的最小阻值:
R滑小=$\frac{U}{{I}_{滑大}}$=$\frac{6V}{0.4A}$=15Ω,
電路消耗的最大總功率:
P=UI=6V×0.6A=3.6W;
當(dāng)滑動(dòng)變阻器接入電路中的電阻最大時(shí),電路消耗的總功率最小,
則電路消耗的最小總功率:
P=P0+P滑小=$\frac{{U}^{2}}{{R}_{0}}$+$\frac{{U}^{2}}{R}$=$\frac{(6V)^{2}}{30Ω}$+$\frac{(6V)^{2}}{50Ω}$=1.92W,
綜上可知,滑動(dòng)變阻器接入電路中電阻的范圍為15Ω~50Ω,電路總功率的范圍為1.92W~3.6W.
答:(1)電源的電壓為6V;
(2)閉合S1  S2時(shí),在不損壞電路元件的情況下,求電路總功率的變化范圍為1.92W~3.6W,滑動(dòng)變阻器相應(yīng)的變化范圍是15Ω~50Ω.

點(diǎn)評(píng) 本題考查了串并聯(lián)電路的特點(diǎn)和歐姆定律、電功率公式的靈活應(yīng)用,關(guān)鍵是滑動(dòng)變阻器接入電路中電阻和電路消耗總功的最大、最小值的確定.

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(2)請(qǐng)你用筆畫(huà)線代替導(dǎo)線,將圖1中的實(shí)物圖連接完整.
(3)閉合開(kāi)關(guān)前,圖1中滑動(dòng)變阻器的滑片P應(yīng)位于A(選填“A”或“B”)端.
(4)小葉同學(xué)閉合開(kāi)關(guān),移動(dòng)滑片P到某一點(diǎn)時(shí),電壓表示數(shù)(如圖2所示)為2.2V,若他想測(cè)量小燈泡的額定功率,應(yīng)將圖1中滑片P向B(選填“A”或“B”)端移動(dòng),使電壓表的示數(shù)為2.5V.
(5)小向同學(xué)移動(dòng)滑片P,記下多組對(duì)應(yīng)的電壓表和電流表的示數(shù),并繪制成圖3所示的I-U圖象,根據(jù)圖象信息,可計(jì)算出小燈泡的額定功率是0.5W.
(6)小勇同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中連接好電路,閉合開(kāi)關(guān),移動(dòng)變阻器滑片P,發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不亮,電壓表有示數(shù),電流表無(wú)示數(shù),原因可能是燈絲斷了(寫(xiě)出一種即可).
(7)在該實(shí)驗(yàn)中要求改變小燈泡兩端的電壓進(jìn)行多次測(cè)量,這樣做是為了得普遍規(guī)律(選填“得普遍規(guī)律”或“求平均值”).
(8)實(shí)驗(yàn)中他們還發(fā)現(xiàn):燈絲的電阻值隨電壓升高而增大,可導(dǎo)體的電阻不是與電壓、電流無(wú)關(guān)嗎?怎么會(huì)有這樣的結(jié)論呢?請(qǐng)你給他們作出合理的解釋?zhuān)簾艚z兩端電壓增大時(shí),燈絲的溫度升高,因此燈絲電阻增大.

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