20.如圖是小明設計的探究電路特點的實驗電路圖,其中電源電壓為4.5V,定值電阻R0的規(guī)格為“5Ω 1A”,變阻器上標有“20Ω  1A”,燈L上標有“2.5V 1W”,電流表選擇量程“0-0.6A”,電壓表選擇量程為“0-3V”.S1閉合,S2接b,調(diào)節(jié)變阻器滑片位置使燈正常發(fā)光.不計燈絲電阻變化.求:
(1)燈正常發(fā)光時,通過變阻器的電流;
(2)保持變阻器滑片位置不動,當S1閉合,S2接a時,定值電阻R0的功率;
(3)當S1閉合,S2接a時,為保證電路中各元件的安全,變阻器允許接入電路的阻值范圍.

分析 (1)S1閉合、S2接b,燈泡L與滑動變阻器R串聯(lián),電壓表測R兩端的電壓,根據(jù)正常發(fā)光時的電壓和額定功率相等,根據(jù)P=UI和串聯(lián)電路的電流特點求出通過變阻器的電流;
(2)S1閉合、S2接b,燈泡正常發(fā)光時,根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點求出滑動變阻器兩端的電壓,根據(jù)歐姆定律求出變阻器接入電路中的電阻;保持變阻器滑片位置不動,當S1閉合,S2接a時,R0與R串聯(lián),根據(jù)電阻的串聯(lián)和歐姆定律求出電路中的電流,再根據(jù)P=I2R求出定值電阻R0的功率;
(3)當S1閉合,S2接a時,R0與R串聯(lián),電壓表測R兩端的電壓,電流表測電路中的電流,比較通過定值電阻和滑動變阻器的最大電流、電流表的量程確定電路中的最大電流,根據(jù)歐姆定律求出電路中的總電阻,利用電阻的串聯(lián)求出變阻器接入電路中的最小阻值;當電壓表的示數(shù)最大時,滑動變阻器接入電路中的電阻最大,根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點求出R0兩端的電壓,根據(jù)串聯(lián)電路的電流特點和歐姆定律求出電路中的電流,再根據(jù)歐姆定律求出變阻器接入電路中的最大阻值,然后得出答案.

解答 解:(1)S1閉合、S2接b,燈泡L與滑動變阻器R串聯(lián),電壓表測R兩端的電壓,
因串聯(lián)電路中各處的電流相等,且燈泡正常發(fā)光,
所以,由P=UI可得,通過變阻器的電流:
IR=IL=$\frac{{P}_{L}}{{U}_{L}}$=$\frac{1W}{2.5V}$=0.4A;
(2)S1閉合、S2接b,燈泡正常發(fā)光時,因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和,
所以,滑動變阻器兩端的電壓:UR=U-UL=4.5V-2.5V=2V,
由I=$\frac{U}{R}$可得,滑動變阻器接入電路中的電阻:
R=$\frac{{U}_{R}}{{I}_{R}}$=$\frac{2V}{0.4A}$=5Ω,
保持變阻器滑片位置不動,當S1閉合,S2接a時,R0與R串聯(lián),
因串聯(lián)電路中總電阻等于各分電阻之和,
所以,電路中的電流:
I=$\frac{U}{R+{R}_{0}}$=$\frac{4.5V}{5Ω+5Ω}$=0.45A,
則定值電阻R0的功率:
P0=I2R0=(0.45A)2×5Ω=1.0125W;
(3)當S1閉合,S2接a時,R0與R串聯(lián),電壓表測R兩端的電壓,電流表測電路中的電流,
因定值電阻和滑動變阻器允許通過的最大電流均為1A,電流表的量程為0~0.6A,
所以,電路中的最大電流I=0.6A,此時變阻器接入電路中的電阻最小,
電路中的最小總電阻:
R總小=$\frac{U}{{I}_{大}}$=$\frac{4.5V}{0.6A}$=7.5Ω,
則變阻器接入電路中的最小阻值:
R=R總小-R0=7.5Ω-5Ω=2.5Ω;
電壓表的量程為“0-3V”當電壓表的示數(shù)UR大=3V時,滑動變阻器接入電路中的電阻最大,
此時R0兩端的電壓:
U0=U-UR大=4.5V-3V=1.5V,
此時電路中的電流:
I=$\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}}$=$\frac{1.5V}{5Ω}$=0.3A,
變阻器接入電路中的最大阻值:
R=$\frac{{U}_{R大}}{{I}_{小}}$=$\frac{3V}{0.3A}$=10Ω,
所以,變阻器允許接入電路的阻值范圍為2.5Ω~10Ω.
答:(1)燈正常發(fā)光時,通過變阻器的電流為0.4A;
(2)保持變阻器滑片位置不動,當S1閉合,S2接a時,定值電阻R0的功率;
(3)當S1閉合,S2接a時,為保證電路中各元件的安全,變阻器允許接入電路的阻值范圍為2.5Ω~10Ω.

點評 本題考查了串聯(lián)電路的特點和歐姆定律、電功率公式的應用,正確的判斷電路的連接方式和變阻器接入電路中最大、最小阻值的判斷是關鍵.

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