現有一個粗細均勻的金屬圓環,它是由一段銅絲和一段同種材料製成的電阻絲連接而成的。爲了研究它的導電*,小科把它接...
問題詳情:
現有一個粗細均勻的金屬圓環,它是由一段銅絲和一段同種材料製成的電阻絲連接而成的。爲了研究它的導電*,小科把它接入到如圖*所示的電路中。實驗時,小科先將觸點M與圓環上的A點連接,再移動滑動變阻器R1的滑片P至最右端後,閉合開關S,將觸點N從A開始沿逆時針方向滑動一週,在觸點N滑動的過程中,觸點M、N之間的電阻等效於一個變化的電阻,記爲RMN.設滑過弧MN的長爲x,電流表示數I與x之間的關係如圖乙所示。已知電源電壓恆爲4.5V,銅絲的阻值不計,觸點接觸良好。粗細均勻、同種材料製成的電阻絲阻值與其長度成正比。
(1)由圖乙可知,該金屬圓環中銅絲的長度是 cm。
(2)在觸點N滑動過程中,RMN的最大值是多少?
(3)每1cm電阻絲的阻值是 Ω.(提示:圖*中M、N之間的電阻等效於M、N之間兩段弧形金屬絲並聯後的總電阻)
(4)如圖*所示,把M、N接到圓環其中一條直徑的兩端,將滑片P移到最左端後閉合開關S,通電1min,電路消耗的電能爲W.求W的最大值。(計算過程中不需要說明取最大值的理由)
【回答】
(1)10;
(2)在觸點N滑動過程中,RMN的最大值是4Ω;
(3)0.4;
(4)通電1min,電路消耗電能的最大值爲224J。
【解答】解:
(1)當滑片在銅絲上移動時,金屬圓環的總電阻不變,根據歐姆定律可知,此時電路中的電流不變,
由圖乙可知,x從30cm到40cm的過程中,電路的電流不變,則該金屬圓環中銅絲的長度爲40cm﹣30cm=10cm;
(2)當x=0或x=50cm時,金屬圓環接入電路中的電阻爲零,此時電路爲R1的簡單電路,
由圖乙可知,電路中的電流I大=0.9A,
由I=可得,變阻器接入電路中的電阻R1===5Ω,
當電路中的電流最小時,電路的總電阻最大,金屬圓環接入電路中的電阻最大,
由圖乙可知,電路中的電流I小=0.5A,
此時電路的總電阻R總===9Ω,
因串聯電路中總電阻等於各分電阻之和,
所以,M、N之間的最大值RMN大=R總﹣R1=9Ω﹣5Ω=4Ω;
(3)由題意可知,M、N之間兩段弧形金屬絲並聯,分別設爲R3、R4,如下圖所示:
因並聯電路中總電阻的倒數等於各分電阻倒數之和,
所以,=+,即RMN=,
因金屬圓環中電阻絲的總電阻一定,即R3+R4的值不變,
所以,由數學知識“兩個正數和一定,兩數相同時乘積最大”可知,R3=R4時,M、N之間的總電阻最大,
則RMN大=,即4Ω=,解得:R3=R4=8Ω,
金屬圓環中電阻絲的總電阻R環=R3+R4=8Ω+8Ω=16Ω,
由圖乙可知,金屬圓環中電阻絲的總長度L=50cm﹣10cm=40cm,
所以,每1cm電阻絲的阻值是=0.4Ω;
(4)把M、N接到圓環其中一條直徑的兩端,將滑片P移到最左端後,電路爲圓環的簡單電路,
由電阻的並聯可知,當銅絲全部位於MN上方(或下方)時,上方(或下方)的電阻最小,電路的總電阻最小,
此時MN上、下兩部分電阻絲的電阻分別爲R5=25cm×0.4Ω/cm=10Ω,R6=R環﹣R5=16Ω﹣10Ω=6Ω,
此時電路的總電阻R總′===3.75Ω
則通電1min,電路消耗的最大電能W=t=×60s=324J。
知識點:電能 電功
題型:計算題