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(1) 解:由$P=UI$得,灯泡正常发光时的电流:
$I=\frac{P}{U}=\frac{9\ \mathrm{W}}{6\ \mathrm{V}}=1.5\ \mathrm{A}$
(2) 当开关$\mathrm{S}_1$、$\mathrm{S}_2$均闭合时,电阻$R$被短路,灯泡正常发光,故电源电压$U=6\ \mathrm{V}。$
灯泡的电阻:$R_{\mathrm{L}}=\frac{U}{I}=\frac{6\ \mathrm{V}}{1.5\ \mathrm{A}}=4\ \Omega$
当开关$\mathrm{S}_1$闭合、$\mathrm{S}_2$断开时,$R$与$\mathrm{L}$串联,电路总电阻:$R_{\mathrm{总}}=\frac{U}{I'}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.5\ \mathrm{A}}=12\ \Omega$
电阻$R$的阻值:$R=R_{\mathrm{总}}-R_{\mathrm{L}}=12\ \Omega-4\ \Omega=8\ \Omega$
灯泡的实际功率:$P_{\mathrm{实}}=I'^2R_{\mathrm{L}}=(0.5\ \mathrm{A})^2×4\ \Omega=1\ \mathrm{W}$
(1) 解:闭合$\mathrm{S}_1$、断开$\mathrm{S}_2,$电路为$R_1$的简单电路,
由$I=\frac{U}{R}$得,$R_1$的阻值:$R_1=\frac{U}{I_1}=\frac{9\ \mathrm{V}}{0.9\ \mathrm{A}}=10\ \Omega$
$R_1$连续工作100 s产生的热量:$Q=W=UI_1t=9\ \mathrm{V}×0.9\ \mathrm{A}×100\ \mathrm{s}=810\ \mathrm{J}$
(2) 闭合$\mathrm{S}_1$和$\mathrm{S}_2,$$R_1$与$R_2$并联,并联电路各支路电压等于电源电压,故$R_2$两端的电压$U_2=U=9\ \mathrm{V}$
通过$R_2$的电流:$I_2=\frac{U_2}{R_2}=\frac{9\ \mathrm{V}}{18\ \Omega}=0.5\ \mathrm{A}$
【分析】
1. 第(1)问:已知灯泡额定电压和额定功率,根据电功率公式$P=UI$的变形公式$I=\frac{P}{U}$,可直接求出灯泡正常发光时的电流。
2. 第(2)问:
先根据开关状态分析电路:当$S_1$、$S_2$均闭合时,$R$被短路,灯泡正常发光,故电源电压等于灯泡额定电压;
利用欧姆定律先计算灯泡的电阻;当$S_1$闭合、$S_2$断开时,$R$与灯泡串联,已知此时电流,根据欧姆定律求出总电阻,再结合串联电路电阻的特点求出$R$的阻值;
最后利用$P=I^2R$计算灯泡的实际功率。
【解析】
(1) 已知灯泡的额定功率$P_{\mathrm{额}}=9\ \mathrm{W}$,额定电压$U_{\mathrm{额}}=6\ \mathrm{V}$,根据$P=UI$,可得灯泡正常发光时的电流:
$I_{\mathrm{额}}=\frac{P_{\mathrm{额}}}{U_{\mathrm{额}}}=\frac{9\ \mathrm{W}}{6\ \mathrm{V}}=1.5\ \mathrm{A}$
(2) ① 当开关$S_1$、$S_2$均闭合时,电阻$R$被短路,电路为灯泡的简单电路,灯泡正常发光,因此电源电压$U=U_{\mathrm{额}}=6\ \mathrm{V}$。
根据欧姆定律$I=\frac{U}{R}$,可得灯泡的电阻:
$R_{\mathrm{L}}=\frac{U_{\mathrm{额}}}{I_{\mathrm{额}}}=\frac{6\ \mathrm{V}}{1.5\ \mathrm{A}}=4\ \Omega$
② 当开关$S_1$闭合、$S_2$断开时,$R$与灯泡串联,此时电流表示数$I=0.5\ \mathrm{A}$,根据欧姆定律可得电路的总电阻:
$R_{\mathrm{总}}=\frac{U}{I}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.5\ \mathrm{A}}=12\ \Omega$
根据串联电路总电阻等于各分电阻之和,可得电阻$R$的阻值:
$R=R_{\mathrm{总}}-R_{\mathrm{L}}=12\ \Omega-4\ \Omega=8\ \Omega$
③ 灯泡的实际功率:
$P_{\mathrm{实}}=I^2R_{\mathrm{L}}=(0.5\ \mathrm{A})^2×4\ \Omega=1\ \mathrm{W}$
【答案】
(1) 灯泡正常发光时的电流为$\boldsymbol{1.5\ \mathrm{A}}$;
(2) 电阻$R$的阻值为$\boldsymbol{8\ \Omega}$,灯泡的实际功率为$\boldsymbol{1\ \mathrm{W}}$。
【知识点】
电功率计算、欧姆定律、串并联电路特点
【点评】
本题考查串并联电路特点、欧姆定律和电功率公式的综合应用,关键是准确判断开关不同状态下的电路连接方式,利用灯泡额定参数求出灯丝电阻是解题的关键。
【难度系数】
0.7
【分析】
(1)闭合$\mathrm{S}_1$、断开$\mathrm{S}_2$时,电路为$R_1$的简单电路,已知电源电压和电流,可利用欧姆定律$I=\frac{U}{R}$计算$R_1$的阻值;纯电阻电路中,电流产生的热量等于电流做的功,利用$Q=W=UIt$计算$R_1$产生的热量。
(2)闭合$\mathrm{S}_1$和$\mathrm{S}_2$时,$R_1$与$R_2$并联,根据并联电路的电压特点可知$R_2$两端的电压等于电源电压,再利用欧姆定律$I=\frac{U}{R}$计算通过$R_2$的电流。
【解析】
(1)闭合$\mathrm{S}_1$、断开$\mathrm{S}_2$,电路为$R_1$的简单电路
根据欧姆定律$I=\frac{U}{R}$,可得$R_1$的阻值:
$R_1=\frac{U}{I_1}=\frac{9\ \mathrm{V}}{0.9\ \mathrm{A}}=10\ \Omega$
$R_1$连续工作100 s产生的热量:
$Q=W=UI_1t=9\ \mathrm{V}×0.9\ \mathrm{A}×100\ \mathrm{s}=810\ \mathrm{J}$
(2)闭合$\mathrm{S}_1$和$\mathrm{S}_2$,$R_1$与$R_2$并联
根据并联电路的电压特点,$R_2$两端的电压:
$U_2=U=9\ \mathrm{V}$
根据欧姆定律,通过$R_2$的电流:
$I_2=\frac{U_2}{R_2}=\frac{9\ \mathrm{V}}{18\ \Omega}=0.5\ \mathrm{A}$
【答案】
(1)$R_1$的阻值为$10\ \Omega$,$R_1$产生的热量为$810\ \mathrm{J}$;
(2)$R_2$两端的电压为$9\ \mathrm{V}$,通过$R_2$的电流为$0.5\ \mathrm{A}$。
【知识点】
欧姆定律、焦耳定律、并联电路的特点
【点评】
本题考查串并联电路的特点、欧姆定律和焦耳定律的应用,解题的关键是正确分析不同开关状态下的电路连接方式。
【难度系数】
0.7
【分析】
1. 对于问题(1):已知电热饮水机加热状态的额定功率和额定电压,根据电功率公式$P=UI$的变形式$I=\frac{P}{U}$,代入数据即可求出加热状态下的总电流。
2. 对于问题(2):首先分析电路状态,当温控开关$S_0$闭合时,$R_1$与$R_2$并联,为加热挡;$S_0$断开时,只有$R_2$工作,为保温挡。先利用$P=\frac{U^2}{R}$计算出$R_2$的功率(即保温功率),再用加热总功率减去$R_2$的功率得到$R_1$的功率,最后根据$P=\frac{U^2}{R}$的变形式$R=\frac{U^2}{P}$计算$R_1$的阻值。
3. 对于问题(3):可先根据$P=\frac{U^2}{R}$求出加热状态下的总电阻,再利用$P_{实}=\frac{U_{实}^2}{R_{总}}$计算实际电压下的加热实际功率,也可通过比例关系$P_{实}=(\frac{U_{实}}{U_{额}})^2P_{额}$简化计算。
【解析】
(1)已知加热状态的额定功率$P=920\ \mathrm{W}$,额定电压$U=220\ \mathrm{V}$,由$P=UI$可得加热状态下的总电流:
$I=\frac{P}{U}=\frac{920\ \mathrm{W}}{220\ \mathrm{V}}≈4.2\ \mathrm{A}$
(2)当$S_0$断开时,只有$R_2$工作,为保温挡,根据$P=\frac{U^2}{R}$可得$R_2$的功率:
$P_2=\frac{U^2}{R_2}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{1210\ \mathrm{Ω}}=40\ \mathrm{W}$
当$S_0$闭合时,$R_1$与$R_2$并联,为加热挡,总功率$P=P_1+P_2$,则$R_1$的功率:
$P_1=P-P_2=920\ \mathrm{W}-40\ \mathrm{W}=880\ \mathrm{W}$
再由$P=\frac{U^2}{R}$可得$R_1$的阻值:
$R_1=\frac{U^2}{P_1}=\frac{(220\ \mathrm{V})^2}{880\ \mathrm{W}}=55\ \mathrm{Ω}$
(3)利用比例关系计算实际功率:
$P_{实}=(\frac{U_{实}}{U})^2P=(\frac{198\ \mathrm{V}}{220\ \mathrm{V}})^2×920\ \mathrm{W}=745.2\ \mathrm{W}$
【答案】
(1)加热状态下的总电流大约是$4.2\ \mathrm{A}$;
(2)电阻$R_1$的阻值是$55\ \mathrm{Ω}$;
(3)实际电压为$198\ \mathrm{V}$时,加热的实际功率是$745.2\ \mathrm{W}$。
【知识点】
电功率的计算、并联电路的特点、实际功率计算
【点评】
本题为电学综合计算题,需先明确不同工作状态对应的电路连接方式,再灵活运用电功率公式及其变形式求解,同时掌握实际功率与额定功率的比例计算方法,对电路分析能力和公式应用能力有一定要求。
【难度系数】
0.6