Question

16．如圖所示的電路中，燈泡L上標有“12V 9W”字樣，滑動變阻器的最大阻值為R₁，電源電壓保持不變．當(dāng)開關(guān)S₁、S₂、S₃都閉合時，燈泡L正常發(fā)光，兩電流表指針位置相同；當(dāng)開關(guān)S₁、S₂斷開，S₃閉合時，改變滑片P的位置，使滑動變阻器連入電路的阻值分別為R₁和$\frac{1}{4}$R₁，在這兩種情況下，滑動變阻器消耗的功率相等．（燈泡電阻不隨溫度的變化而改變）求：
（1）電源電壓；
（2）R₂的阻值；
（3）滑動變阻器的最大阻值R₁．

Answer 1

分析 （1）當(dāng)開關(guān)S₁、S₂、S₃都閉合時，R₂與燈泡并聯(lián)，電流表A₁測R₂支路的電流，電流表A測干路電流，根據(jù)并聯(lián)電路的電壓特點和燈泡正常發(fā)光時的電壓和額定電壓相等可知電源的電壓；
（2）當(dāng)開關(guān)S₁、S₂、S₃都閉合時，根據(jù)P=UI求出通過燈泡的電流，根據(jù)并聯(lián)電流的電流特點確定兩電流表的量程，根據(jù)兩電流表指針位置相同時大量程示數(shù)是小量程示數(shù)的5倍得出等式即可求出通過R₂的電流，利用并聯(lián)電路的電壓特點和歐姆定律求出R₂的阻值；
（3）根據(jù)歐姆定律求出燈泡的電阻，當(dāng)開關(guān)S₁、S₂斷開，S₃閉合時，滑動變阻器與燈泡串聯(lián)，根據(jù)歐姆定律和電阻的串聯(lián)分別求出滑動變阻器連入電路的阻值分別為R₁、$\frac{{R}_{1}}{4}$時電路中的電流，利用P=I²R表示出滑動變阻器消耗的功率，利用兩者相等求出滑動變阻器的阻值R₁．

解答 解：（1）當(dāng)開關(guān)S₁、S₂、S₃都閉合時，R₂與燈泡并聯(lián)，電流表A₁測R₂支路的電流，電流表A測干路電流，
因并聯(lián)電路中各支路兩端的電壓相等，且燈泡正常發(fā)光時兩端的電壓和額定電壓相等，
所以，電源的電壓U=U_L=12V；
（2）由P=UI可得，通過燈泡的電流：
I_L=$\frac{{P}_{L}}{{U}_{L}}$=$\frac{9W}{12V}$=0.75A，
因并聯(lián)電路中干路電流等于各支路電路之和，且兩電流表指針位置相同，
所以，I_L+I₂=5I₂，
解得：I₂=$\frac{{I}_{L}}{4}$=$\frac{0.75A}{4}$=0.1875A，
因并聯(lián)電路中各支路兩端的電壓相等，
所以，由I=$\frac{U}{R}$可得，R₂的阻值：
R₂=$\frac{U}{{I}_{2}}$=$\frac{12V}{0.1875A}$=64Ω；
（3）燈泡的電阻：
R_L=$\frac{{U}_{L}}{{I}_{L}}$=$\frac{12V}{0.75A}$=16Ω，
當(dāng)開關(guān)S₁、S₂斷開，S₃閉合時，滑動變阻器與燈泡串聯(lián)，
因串聯(lián)電路中總電阻等于各分電阻之和，
所以，滑動變阻器連入電路的阻值分別為R₁、$\frac{{R}_{1}}{4}$時電路中的電流：
I₁=$\frac{U}{{R}_{1}+{R}_{L}}$=$\frac{12V}{{R}_{1}+16Ω}$，I₂=$\frac{U}{\frac{1}{4}{R}_{1}+{R}_{L}}$=$\frac{12V}{\frac{1}{4}{R}_{1}+16Ω}$，
因P=I²R，且在這兩種情況下滑動變阻器消耗的功率相等，
所以，I₁²R₁=I₂²×$\frac{{R}_{1}}{4}$，即（$\frac{12V}{{R}_{1}+16Ω}$）²R₁=（$\frac{12V}{\frac{1}{4}{R}_{1}+16Ω}$）²×$\frac{{R}_{1}}{4}$，
解得：R₁=32Ω．
答：（1）電源電壓為12V；
（2）R₂的阻值為64Ω；
（3）滑動變阻器的最大阻值為32Ω．

點評 本題考查了串聯(lián)電路的特點和并聯(lián)電路的特點以及歐姆定律、電功率公式的靈活應(yīng)用，關(guān)鍵是知道燈泡正常發(fā)光時的電壓和額定電壓相等以及利用滑動變阻器消耗的電功率相等得出滑動變阻器的最大阻值．