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- 2021-11-10 发布
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题型29 动态电路相关计算
计算题解题思路
关键是分别抓住电路变化前后所处状态,分析电路中的变化量和不变量,运用有关电学规律和电路特点建立状态方程,联立求解。总之,只要掌握正确的解题思路和方法,常见电路的计算问题都能迎刃而解。解题思路如下结构图:
命题点一滑动变阻器引起的动态电路问题
1.如图,电源电压为8V,小灯泡L上标有“6V 3W”字样,已知滑动变阻器R的最大阻值为20Ω,电流表的量程为0﹣0.6A,电压表的量程为0﹣3V.灯泡电阻不随温度变化,下列说法不正确的是( )
A.灯泡的电阻为12Ω
B.闭合S1、断开S2,滑动变阻器滑片在最右端时,灯泡的实际功率为0.75W
C.闭合S1、S2,要保证电路中各元件安全,滑动变阻器R的取值范围4Ω﹣7.2Ω
D.闭合S1、S2,移动滑动变阻器,电流表的示数变化范围0.25﹣0.6 A
【答案】D
A、∵P=,
18
∴灯泡电阻为RL===12Ω.此选项正确;
B、闭合S1、断开S2,滑动变阻器滑片在最右端时,灯泡和滑动变阻器串联。
电路总电阻为R=12Ω+20Ω=32Ω,电路电流为I===0.25A。
灯泡的实际功率为P实=I2RL=(0.25A)2×12Ω=0.75W.此选项正确;
C、闭合S1、S2,电流表允许通过的最大电流为0.6A,
当灯泡正常发光时,
∵P=UI,
∴额定电流为I额===0.5A,
∴电路最大电流为I最大=I额=0.5A,电路最小电阻为R总小===16Ω,
滑动变阻器接入电路最小阻值为R0小=R总小﹣RL=16Ω﹣12Ω=4Ω;
当电压表示数为U0=3V时,
灯泡两端电压为U实=U﹣U0=8V﹣3V=5V,
在串联电路中,∵,∴,
解得R0大=7.2Ω。所以滑动变阻器的变阻范围为4Ω~7.2Ω.此选项正确;
D、当滑动变阻器接入电路电阻为7.2Ω时,
电路最小电流为I′=≈0.42A;电路最大电流为I″=IL=0.5A,所以电流表示数变化范围为0.42A~0.5A.此选项错误。故选:D。
2.如图所示电路电源电压不变,闭合开关S移动滑动变阻器的滑片至某位置,定值电阻R0消耗的功率为2.5W;再次移动滑片至另一位置,R0消耗的功率为10W,电压表的示数为5V.若前后两次滑动变阻器消耗的功率相同,则电源电压U= 15 V。
18
【解答】由图可知,滑动变阻器与定值电阻R0串联,电压表测量滑动变阻器两端的电压;
闭合开关S移动滑动变阻器的滑片至某位置时,R0消耗的功率为2.5W,
根据P=UI和串联电路的特点可知,
滑动变阻器消耗的功率:P滑=P总﹣P0=UI1﹣2.5W,﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣①
再次移动滑片至另一位置,R0消耗的功率为10W,
滑动变阻器消耗的功率:P滑′=P总′﹣P0′=UI2﹣10W,﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣②
由于前后两次滑动变阻器消耗的功率相同,则:
UI1﹣2.5W=UI2﹣10W﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣③
根据P=I2R可得前后两次电路中电流之比:
====,﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣④
由③④可得:UI2=15W﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣④;
由于闭合开关S移动滑动变阻器的滑片至某位置时,电压表的示数为5V。
则:P滑′=U滑′I2=5V×I2 ﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣⑤
根据②⑤可知:UI2﹣10W=5V×I2 ﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣⑥
由④⑥可得:I2=1A,U=15V。
故答案为:15。
3.一学生按照图甲所示的电路图做实验。此时两表示数如图乙所示,电压表的示数为 2 V,则电热丝电阻Rx的阻值为 5 Ω.已知电热丝Rx和滑动变阻器的最大阻值相等,滑片P在b端时,电热丝的发热功率为Pb,滑片P在a端时,电热丝的发热功率为Pa,那么Pa:Pb= 4:1 。(不考虑电热丝阻值随温度的变化)
【解答】(1)由图知,电压表使用的是0﹣3V量程,分度值为0.1V,示数为2V;
电流表使用的是0﹣0.6A量程,分度值为0.02A,示数为0.4A,
由欧姆定律可得电热丝电阻Rx的阻值:
18
Rx===5Ω;
(2)由题知,电热丝Rx和滑动变阻器的最大阻值相等,
当滑片P在b端时,滑动变阻器的电阻全连入,
则电路的总电阻Rb=2Rx,电路中电流Ib==,
电热丝的发热功率:Pb=Ib2Rx=()2×Rx=×﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣①
当滑片P在a端时,滑动变阻器连入电阻为0,电路中电阻Ra=Rx,
电热丝的发热功率:Pa=﹣﹣﹣﹣﹣﹣﹣②;
由①②可得:
Pa:Pb=:×=4:1。
故答案为:2;5; 4:1。
4.如图所示,电路中定值电阻R1=20Ω,R2为滑动变阻器,电源电压保持不变,当滑片在a端时,电流表示数为0.3A,滑片在b端时电压表示数为4V.求:
(1)电源电压;
(2)滑动变阻器R2的最大阻值;
(3)R1的最小电功率。
【解答】(1)当滑片在a端时,滑动变阻器短路,只有R1工作,
由I=得电源电压:U=I1R1=0.3A×20Ω=6V;
(2)滑片在b端时,滑动变阻器达到最大阻值,和R1串联,根据串联电路的分压特点可
18
得:
=,=,解得:滑动变阻器R2的最大阻值R2=40Ω;
(3)当滑动变阻器的阻值最大时,电路中的电流最小,R1消耗的电功率最小,此时R1两端的电压U1=U﹣U2=6V﹣4V=2V,R1消耗的最小电功率P1===0.2W。
5.如图甲所示电路,R是滑动变阻器,R0是标有“8V8W”的字样的电器(不考虑阻值变化),通过小灯泡L的电流随其两端电压变化的图象如图乙所示。闭合开关S,滑动变阻器的滑片P滑到最左端时,R0恰好正常工作。
(1)求电源电压;
(2)滑动变阻器的滑片P在某一位置时,电压表的示数如图丙所示,求此时R接入电路的阻值。
【解答】由电路图可知,定值电阻R0与灯泡L、滑动变阻器R串联,电压表测R0两端的电压。
(1)滑动变阻器的滑片P滑到最左端时,接入电路中的电阻为零,
因串联电路中各处的电流相等,且R0恰好正常工作,
所以,由P=UI可得,电路中的电流:
IL=I0===1A,由图象乙,此时灯泡两端电压UL=8V,因串联电路中总电压等于各分电压之和,所以,电源的电压:U=UL+U0=8V+8V=16V;
(2)由I=可得,R0的阻值:R0===8Ω,
由图丙可知,电压表的量程为0~15V量程,分度值为0.5V,R0两端的电压U0′=4V,
18
此时电路中电流:I===0.5A,
由乙图象可知,此时灯泡电压UL′=2V,R两端电压:
UR=U﹣UL′﹣U0′=16V﹣2V﹣4V=10V,
此时R接入电路中的阻值:R===20Ω。
6.如图所示的电路,电源电压U=4.5V且保持不变,R1=5Ω,R2标有“50Ω
0.5A”字样的滑动变阻器,电流表的量程为0﹣0.6A,电压表的量程为0~3V,则:
(1)在接入电路之前,滑动变阻器R2两端允许加载的最大电压是多少?
(2)电路的最大总功率为多少?
(3)为了保护电路,滑动变阻器接入电路的电阻值的变化范围是怎样的?
【解答】(1)在接入电路之前,由欧姆定律可得,滑动变阻器R2两端允许加载的最大电压是:U2=I2R2=0.5A×50Ω=25V;
(2)当电路中电流最大时,电路中的总功率最大:
P大=UI大=4.5V×0.5A=2.25W;
(3)当电流表示数为I1=0.5A时,电阻R1两端电压为U1=I1R1=0.5A×5Ω=2.5V;
滑动变阻器两端的电压U2=U﹣U1=4.5V﹣2.5V=2V,所以滑动变阻器连入电路的电阻最小为R小===4Ω;
当电压表示数最大为U大=3V时,R1两端电压为U3=U﹣U大=4.5V﹣3V=1.5V,电路电流为I′===0.3A;
滑动变阻器接入电路的电阻最大为R大===10Ω。
18
所以R2的取值范围为4Ω≤R2≤10Ω。
7.如图所示电路,电源电压恒为8V,小灯泡标有“6V 3W“字样。若不考虑温度对灯泡电阻的影响,闭合开关S,求:
(1)小灯泡的额定电流;
(2)小灯泡正常发光时,滑动变阻器R接入电路的阻值。
(3)移动滑动变阻器的滑片,当电压表示数为3V时,小灯泡的实际功率。
【解答】解:(1)灯泡的额定电压是6V,额定功率是3W,
由P=UI得,灯泡的额定电流:IL===0.5A,
由欧姆定律得,灯泡的电阻:R===12Ω;
(2)灯泡正常工作时电路中的电流为:I=IL=0.5A,
滑动变阻器两端的电压:U'=U总﹣U=8V﹣6V=2V,
所以滑动变阻器的电阻:R'===4Ω;
(3)当电压表示数为3V时,灯泡两端的电压为3V,
此时灯泡的实际功率为:P实===0.75W。
8.在如图所示的电路中,电源电压为12V,滑动变阻器的阻值范围在0至50Ω之间,闭合开关S,调节滑动变阻器,当滑片P置于滑动变阻器的中点时,电流表的示数为0.3A.求:
(1)定值电阻R1的阻值;
(2)当滑动变阻器的滑片P置于阻值最大处时,电路的总功率是多少?(得数保留1位小数)
(3)电流表接入电路中的量程是0至0.6A,在不改变电流表量程的情况下,为了保证电流表的安全,滑动变阻器接入电路中的最小阻值是多少?
18
【解答】解:由图可知,R1和滑动变阻器串联,电流表测量电路中的电流;
(1)当滑片P置于滑动变阻器的中点时,根据I=可得:
总电阻R===40Ω;
因串联电路中总电阻等于各分电阻之和,
所以,R1=R﹣R2=40Ω﹣×50Ω=15Ω;
(2)当滑动变阻器的滑片P置于阻值最大处时,此时总电阻R总=R1+R2=15Ω+50Ω=65Ω;
则总功率P===2.2W;
(3)因电流表的量程为0~0.6A,所以,电路中的最大电流I最大=0.6A,
根据I=可得电路中的最小总阻值:
R总最小===20Ω。
因串联电路中总电阻等于各分电阻之和,所以滑动变阻器接入电路中的最小阻值:
R滑′=R总最小﹣R1=20Ω﹣15Ω=5Ω。
命题点二开关的通断引起的相关计算
9.如图,电源电压恒定,R1=30Ω,R2=60Ω,当开关S3闭合,S1、S2都断开时,电流表的示数为0.1A。
(1)求电源电压;
(2)当开关S3断开,S1、S2都闭合时,求电流表的示数和通电1min电流对R1所做的功。
18
【解答】解:(1)当开关S3闭合,S1、S2都断开时,R1与R2串联,电流表测电路中的电流,
因串联电路中总电阻等于各分电阻之和,
所以,由I=可得,电源的电压:
U=I(R1+R2)=0.1A×(30Ω+60Ω)=9V;
(2)当开关S3断开,S1、S2都闭合时,R1与R2并联,电流表测干路电流,
因并联电路中各支路两端的电压相等,
所以,通过两电阻的电流分别为:
I1===0.3A,I2===0.15A,
因并联电路中干路电流等于各支路电流之和,
所以,干路电流:
I=I1+I2=0.3A+0.15A=0.45A,
通电1min电流对R1所做的功:
W1=UI1t=9V×0.3A×60s=162J。
10.如图所示的电路,电源电压保持不变,R1=30Ω,R2=10Ω.当闭合开关S1、S,断开S2时,电流表的示数为0.4A。
(1)求电源电压;
(2)当闭合开关S2、S,断开S1时,求电流表的示数;
(3)当闭合开关S1、S2、S时,通电100s,求整个电路消耗的电能。
【解答】解:(1)当闭合开关S1、S,断开S2时,电路为R1的简单电路,电流表测通过的电流,
由I=可得,电源电压:
U=I1R1=0.4A×30Ω=12V;
18
(2)当闭合开关S2、S,断开S1时,电路为R2的简单电路,电流表测通过的电流,
则电流表的示数:
I2===1.2A;
(3)当闭合开关S1、S2、S时,R1与R2并联,
因并联电路中各支路独立工作、互不影响,
所以,通过R1、R2的电流不变,
因并联电路中干路电流等于各支路电流之和,
所以,干路电流:
I=I1+I2=0.4A+1.2A=1.6A,
通电100s整个电路消耗的电能:
W=UIt=12V×1.6A×100s=1920J。
11.如图所示的电路中,只闭合S1时,通过R2的电流是1.5A,R1=30Ω,R2=20Ω.求:
(1)电源电压是多大?
(2)只闭合S2时,通电20s电流通过R1产生的电热是多少?
(3)开关通断情况发生变化,整个电路消耗的最小电功率P和最大电功率P′之比是多少?
【解答】解:(1)当只闭合开关S1时,只有R2接入电路,
根据欧姆定律可得,电源电压:U=U2=IR2=1.5A×20Ω=30V;
(2)当只闭合S2时,R1与R2串联,
电路的总电阻:R=R1+R2=30Ω+20Ω=50Ω;
此时电路中的电流:I1===0.6A;
通电20s电流通过R1产生的电热:Q=I12R1t=(0.6A)2×30Ω×20s=216J;
(3)当只闭合S2时,R1与R2串联,总电阻最大,电路中电流最小,整个电路消耗的功率最小,
18
由2小题可知,电流中的最小电流I小=0.6A,
则整个电路消耗的最小电功率:P=UI小=30V×0.6A=18W;
当S1、S3闭合,S2断开时,R1与R2并联,总电阻最小,由P=可知,此时电路消耗的功率最大,R1与R2并联的总电阻:R并===12Ω,则整个电路消耗的最大电功率:P′===75W;
所以,整个电路消耗的最小电功率P和最大电功率P′之比:==。
12.如图所示的电路中,电源电压保持不变,灯L标有“12V 12W”的字样,R2=12Ω,当S1、S2都闭合时。电流表示数为1.2A.这时灯L正常发光(忽略温度对灯丝电阻的影响),求:
(1)电源电压;
(2)电阻R1的阻值;
(3)若将开关S1、S2都断开。此时灯L实际消耗的功率是多少?
【解答】(1)当S1、S2都闭合时,L与R1并联,电流表测干路电流,
因并联电路中各支路两端的电压相等,且灯泡正常发光,
所以,电源的电压U=UL=12V;
(2)当S1、S2都闭合时,由P=UI可得,通过灯泡的电流:
IL===1A,
因并联电路中干路电流等于各支路电流之和,
所以,通过R1的电流:
I1=I﹣IL=1.2A﹣1A=0.2A,
由I=可得,R1的阻值:
18
R1===60Ω;
(3)灯泡的电阻:
RL===12Ω,
将开关S1、S2都断开时,L与R2串联,
因串联电路中总电阻等于各分电阻之和,
所以,电路中的电流:
I′===0.5A,
则灯L实际消耗的功率:
PL=(I')2RL=(0.5A)2×12Ω=3W。
命题点三滑片移动、开关通断共同引起的相关计算
13.如图所示,R0是阻值为80Ω的定值电阻,R为滑动变阻器,其上标有“100Ω 3A”字样,电流表A1的量程为0~0.6A,电流表A2的量程为0~3A,灯泡上标有“8V 1.6W”字样。
求:
(1)灯泡的额定电流;
(2)闭合开关S,断开开关S1、S2时,灯泡正常发光,求电源电压的大小;
(3)开关S、S1、S2都闭合时,在不损坏电流表的前提下,求R消耗电功率的最小值和最大值。
【解答】解:(1)由P=UI得灯泡L额定电流为:
I额===0.2A。
(2)闭合S,断开S1、S2,灯泡L与电阻R0串联,灯泡正常发光,
则此时灯泡两端的电压为UL=I额=8V,此时电路中的电流为I=I额=0.2A,
18
由I=可知:
电阻R0两端的电压为:U0=IR0=0.2A×80Ω=16V,
所以,电源电压U=U0+UL=16V+8V=24V。
(3)开关S、S1、S2都闭合时,电阻R0和滑动变阻器R并联,灯泡被短路;电流表A1测通过电阻R0的电流,电流表A2测干路中的总电流。
由于滑动变阻器的最大电阻为R大=100Ω,则R消耗电功率的最小值为:
Pmin===5.76W。
此时通过R0的电流为:I0===0.3A,
电流表A1测通过电阻R0的电流,电流表A2测干路中的总电流,电流表A1的量程为0~0.6A,电流表A2的量程为0~3A,
所以,通过R的最大电流为:Imax=I﹣I0=3A﹣0.3=2.7A,
R消耗电功率的最大值为:Pmax=UImax=24V×2.7A=64.8W。
14.如图所示,电源电压恒定不变,R1的阻值为12Ω.小灯泡L上标有“6V 3W”字样,小灯泡电阻不随温度改变。若闭合S1、S2,断开S3,小灯泡刚好正常发光,此时电压表的示数为3V,求:
(1)电源电压为多少;
(2)R2阻值为多大;
(3)若闭合S1、S3,断开S2,并移动滑动变阻器R的滑片,滑动变阻器接入电路的电阻为多大时,电路的总功率最大,这个最大的功率等于多少。
【解答】解:(1)闭合S1、S2,断开S3时,灯泡L与定值电阻R2串联,电压表测R2两端的电压,
因串联电路中总电压等于各分电压之和,且灯泡正常发光,
所以,电源电压:
18
U=UL+U2=6V+3V=9V;
(2)闭合S1、S2,断开S3时,灯泡L与定值电阻R2串联,且灯泡正常发光,
因串联电路中各处的电流相等,
所以,由P=UI可得,电路中的电流:
I===0.5A,
由I=可得,R2的阻值:
R2===6Ω;
(3)闭合S1、S3,断开S2时,滑动变阻器R与定值电阻R1串联,
当滑动变阻器接入电路中的电阻为0时,电路中的总电阻最小,电路的总功率最大,
则电路的最大功率:
P===6.75W。
15.如图所示,电源电压为6V,小灯泡标有“4V,1.6W”的字样,定值电阻R=20Ω,不考虑温度对灯丝电阻的影响,滑动变阻器上标有“0~20Ω,1A”字样。求:
(1)小灯泡的电阻为多大?
(2)若只闭合S,S1时,要使电路消耗的功率最小,此时滑动变阻器的滑片应向哪端移动?此时消耗最小功率是多少W?
(3)若电流表的测量范围为0~0.6A,电压表的测量范围为0~3V,当只闭合S与S2时,在不损坏用电器的前提下,求滑动变阻器的取值范围。
【解答】解:(1)由P=可知,灯泡电阻:
RL===10Ω;
18
(2)由图示电路图可知,只闭合S,S1时两电阻串联,
由P=可知,在电压U一定时,电路总电阻R越大,电路总功率越小,
只闭合S、S1,滑片移至b端时电路总电阻最大,功率最小,
最小功率:P===0.9W;
(3)由P=UI可知,灯泡额定电流:IL===0.4A,
由图示电路图可知,当只闭合S与S2时灯泡与滑动变阻器串联,
电流表的测量范围为0~0.6A,灯泡额定电流为0.4A,则电路最大电流:I=0.4A,
由I=可知,R总最小=RL+R滑===15Ω,
滑动变阻器接入电路的最小电阻:R滑最小=R总最小﹣RL=15Ω﹣10Ω=5Ω,
电压表的测量范围为0~3V,滑动变阻器两端最大电压:U滑最大=3V,
此时滑动变阻接入电路的阻值最大,电路电流最小,
最小电路电流:I最小====0.3A,
由I=可知,R滑最大===10Ω,
滑动变阻器接入电路的阻值范围是:5Ω~10Ω;
16.如下图所示,电源电压保持9V不变,灯泡L的额定功率为3W,额定电压
为6V,电阻R1=20Ω.只闭合S2,将滑动变阻器的滑片P移到中点时,电流表的示数为0.3A.(不考虑温度对灯丝电阻的影响,计算结果保留两位小数)求:
(1)只闭合S2,将滑动变阻器的滑片P移到中点时,此时灯泡L的实际功率是多少?
(2)只闭合S2,调节滑动变阻器的滑片,使灯泡正常发光,此时滑动变阻器接入电路中的阻值是多少?
(3)只闭合S1,将滑动变阻器滑片P移到最右端时,在60s内电流做的总功是多少?
18
【解答】解:(1)灯泡L的额定功率为3W,额定电压为6V,
根据P=得小灯泡的电阻:
RL===12Ω,
只闭合S2,将滑动变阻器的滑片P移到中点时,L与R2串联,此时电流表的示数为0.3A,
此时灯泡L的实际功率:PL实=I2RL=(0.3A)2×12Ω=1.08W;
(2)只闭合S2,L与R2串联,灯泡正常发光时,设滑动变阻器连入电路中阻值为R2′,
通过灯泡的电流:I===0.5A,
此时滑动变阻器两端电压为:
U2′=U﹣UL=9V﹣6V=3V,
滑动变阻器接入电路中的阻值:
R2′====6Ω;
(3)只闭合S2,将滑动变阻器的滑片P移到中点时,灯泡L与R2串联,电流表的示数为0.3A,
电路的总电阻:R总===30Ω,
此时变阻器接入电路的阻值:R2=R总﹣RL=30Ω﹣12Ω=18Ω,
则变阻器的最大阻值R2=36Ω,
只闭合S1,将滑动变阻器滑片P移到最右端时,R1和R2串联。
此时电路中总电阻:
R总′=R1+R2=20Ω+36Ω=56Ω。
在60s内电流做的总功:
18
W=•t=×60s=86.79J。
命题点四实际应用类动态电路计算
17.某同学设计了一个利用如图甲所示的电路来测量海水的深度,其中R1=2Ω是一个定值电阻,R2是一个压敏电阻,它的阻值随所受压力F的变化关系如图(乙)所示,电源电压保持6V不变,将此压敏电阻用绝缘薄膜包好后放在一个硬质“”形绝缘盒中,放入海水中保持受力面水平,且只有一个面积为0.02m2的面承受海水压力,(设海水的密度ρ海水=1.0×103kg/m3)。求:
(1)当图甲中电流表A的示数为0.2A时,压敏电阻R2的阻值是多少?
(2)如图(乙)所示,当压敏电阻R2的阻值为20Ω时,查看坐标图回答,此时压敏电阻R2所受的压力是多少?求此时压敏电阻R2所受的压强是多少?此时压敏电阻R2所处的海水深度是多少?
(3)若图甲中电流表A的最大测量值为0.6A,则使用此方法能测出海水的最大深度是多少?
【解答】解:(1)∵I=
∴当电流表示数为0.2A时,总电阻为:R===30Ω;
压敏电阻R2的阻值为:R2=R﹣R1=30Ω﹣2Ω=28Ω;
(2)根据图象可知:当压敏电阻R2的阻值为20Ω时,压敏电阻受到海水的压力为4×104N;
则压敏电阻受到的压强为:p===2×106Pa;
则压敏电阻R2所处的海水深度是:h===200m;
18
(3)当电流表示数达到最大0.6A时,总电阻为:R===10Ω;
此时压敏电阻R2的阻值为:R2=R﹣R1=10Ω﹣2Ω=8Ω;
根据图象可知:当压敏电阻R2的阻值为8Ω时,压敏电阻受到海水的压力为10×104N;
则压敏电阻受到的压强为:p大===5×106Pa;
则使用此方法能测量出海水的最大深度是:h大===500m;
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