Question

5．如圖所示，R為電阻箱，電壓表為理想電壓表．當(dāng)電阻箱讀數(shù)為R₁=2Ω時(shí)，電壓表讀數(shù)為U₁=4V；當(dāng)電阻箱讀數(shù)為R₂=5Ω時(shí)，電壓表讀數(shù)為U₂=5V．求：
（1）電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r．
（2）當(dāng)電阻箱R讀數(shù)為多少時(shí)，電源的輸出功率最大？最大值P_m為多少？此時(shí)電源的效率為多少？

Answer 1

分析 （1）運(yùn)用閉合電路歐姆定律，分別研究電阻為R₁和R₂的情況，列出含有電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的方程組求解．
（2）當(dāng)電阻箱的阻值等于電源的內(nèi)電阻時(shí)電源的輸出功率最大，再求解P_m．由輸出功率與總功率之比求電源的效率．

解答 解：（1）由閉合電路歐姆定律得：
  E=U₁+$\frac{{U}_{1}}{{R}_{1}}$r，代入得：E=4+$\frac{4}{2}r$=4+2r ①
  E=U₂+$\frac{{U}_{2}}{{R}_{2}}$r，代入得：E=5+$\frac{5}{5}$r=5+r  ②
聯(lián)立上式并代入數(shù)據(jù)解得：E=6V，r=1Ω
即電源電動(dòng)勢(shì)為6V，內(nèi)阻為1Ω；
（2）電源的輸出功率表達(dá)式為：P=$\frac{{E}^{2}}{（R+r）^{2}}$R
將上式變形為：P=$\frac{{E}^{2}}{\frac{（R-r）^{2}}{R}+4r}$
由上式可知R=r=1Ω時(shí)P有最大值為 P_m=$\frac{{E}^{2}}{4r}$=9W；
此時(shí)電源的效率為 η=$\frac{UI}{EI}$=$\frac{R}{R+r}$=50%
答：
（1）電源電動(dòng)勢(shì)為6V，內(nèi)阻為1Ω．
（2）當(dāng)電阻箱R讀數(shù)為1Ω時(shí)，電源的輸出功率最大，最大值P_m為9W，此時(shí)電源的效率為50%．

點(diǎn)評(píng) 本題是測(cè)量電源電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻的方法：伏阻法．電壓表和定值電阻組合，相當(dāng)于電壓表和電流表雙重作用．