Question

10．某興趣小組設計了如圖所示電路，AB為裸導線，CD、EF是材料、粗細完全相同的均勻裸電阻絲，其電阻與長度成正比．AB、CD平行放置，并用導線與電流表、開關S₁和電源相連，電源電壓U=20V，EF垂直放置在AB、CD的中點間，且接觸良好，CD=2EF，A、C兩點間有開關S₂．現(xiàn)只閉合開關S₁，電流表示數(shù)I₁=1A；若把EF從兩中點間向左邊移動一段距離后，電流表的示數(shù)為I₂=$\frac{4}{5}$I₁；若把EF從兩中點間向右邊移動一段距離后，電流表示數(shù)為I₃=1.6I₁．求：
　 （1）在上述EF向左、向右移動過程中，電路總電阻的變化量大小△R_左、△R_右各為多少？
　 （2）電流表示數(shù)為I₂時，EF消耗的功率與電路消耗的總功率之比為多少？
　 （3）把EF移動到B、D兩點間，再閉合兩開關，電路消耗的總功率為多少？

Answer 1

分析 （1）只閉合開關S₁時，EF和DF段電阻串聯(lián)，根據(jù)歐姆定律求出三種情況下電路中的總電阻，然后求出電路總電阻的變化量△R_左和△R_右的大�。�
（2）根據(jù)電阻的串聯(lián)結合EF在兩中點間時電路的總電阻求出EF段的電阻，又知道電流表示數(shù)為I₂時電路中的總P=I²R求出EF消耗的功率與電路消耗的總功率之比；
（3）把EF移動到B、D兩點間，再閉合兩開關時，EF段電阻和CD段電阻并聯(lián)，根據(jù)并聯(lián)電路的電壓特點和P=$\frac{{U}^{2}}{R}$得出他們消耗的電功率，兩者之和即為電路消耗的總功率．

解答 解：（1）根據(jù)歐姆定律可得：
EF垂直放置在AB、CD的中點間時電路中的電阻：R_中=$\frac{U}{{I}_{1}}$=$\frac{20V}{1A}$=20Ω，
把EF從兩中點間向左邊移動一段距離后電路中的總電阻：R_左=$\frac{U}{{I}_{2}}$=$\frac{U}{\frac{4}{5}{I}_{1}}$=$\frac{20V}{\frac{4}{5}×1A}$=25Ω，
把EF從兩中點間向右邊移動一段距離后電路中的總電阻：R_右=$\frac{U}{{I}_{3}}$=$\frac{U}{1.6{I}_{1}}$=$\frac{20V}{1.6×1A}$=12.5Ω，
△R_左=R_左-R_中=25Ω-20Ω=5Ω，△R_右=R_中-R_右=20Ω-12.5Ω=7.5Ω；
（2）設EF、CF、DF三段電阻絲的電阻為R，則EF垂直放置在AB、CD的中點間時電路中的電阻：
R_中=2R=20Ω，
解得：R=10Ω，
把EF從兩中點間向左邊移動一段距離后，電路中的總電阻：
R_左=25Ω，
因為串聯(lián)電路中各處的電流相等，
所以根據(jù)P=I²R可得：
 P_EF：P_總=I₂²R：I₂²×R_左=R：R_左=10Ω：25Ω=2：5；
（3）把EF移動到B、D兩點間，再閉合兩開關時，EF段電阻和CD段電阻并聯(lián)，
并聯(lián)電路中各支路兩端的電壓相等，
EF段電阻和CD段電阻消耗的電功率：
P_EF=$\frac{{U}^{2}}{R}$=$\frac{{（20V）}^{2}}{10Ω}$=40W，
P_CD=$\frac{{U}^{2}}{2R}$=$\frac{{（20V）}^{2}}{2×10Ω}$=20W，
電路消耗的總功率：
P=P_EF+P_CD=40W+20W=60W．
答：（1）在EF向左、向右移動過程中，電路總電阻的變化量大小△R_左為5Ω，△R_右為7.5Ω；
（2）電流表示數(shù)為I₂時，EF消耗的功率與電路消耗的總功率之比為2：5；
（3）把EF移動到B、D兩點間，再閉合兩開關，電路消耗的總功率為60W．

點評 本題考查了串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的特點以及歐姆定律、電功率公式的應用，分清EF移動時電路的連接方式是解決本題的關鍵．