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高温挡工作时电流大于熔断器允许通过的最大电流
【分析】
本题分为电阻测量和电加热器设计两部分,解题思路如下:
1. (1)部分:
① 连接电路时,需遵循电流表串联、电压表并联,滑动变阻器“一上一下”接线的原则,完善电路;
② 闭合开关前,滑动变阻器滑片应置于最大阻值处,保护电路,根据滑动变阻器接线判断滑片位置;
③ 利用I-U图像,结合欧姆定律$R=\frac{U}{I}$计算电阻阻值。
2. (2)部分:
① 电阻丝阻值与长度成正比,根据已知5cm电阻丝的阻值,计算22cm电阻丝的阻值;
② 低温挡为两电阻串联,利用电功率公式$P=\frac{U^2}{R}$计算总电阻,进而求出$R_2$的阻值,再根据阻值与长度的关系得到长度;
③ 分析图(d)电路,计算并联时的总电流,与熔断器最大电流比较,找出不能正常工作的原因;
④ 要实现四挡调温,需通过开关控制电阻的串联、并联及单独工作状态,设计符合要求的电路。
【解析】
(1) ① 电路连接:电流表串联在电路中,选择0~0.6A量程,滑动变阻器采用“一上一下”接线,连接方式如图(见参考答案中的连接图);
② 闭合开关前,滑动变阻器滑片应置于阻值最大处,由图(a)可知,滑片置于右端时,滑动变阻器接入电路的电阻丝最长,阻值最大,故填“右”;
③ 由图(b),当$U=3V$时,$I=0.6A$,根据欧姆定律$R_0=\frac{U}{I}=\frac{3V}{0.6A}=5Ω$;
(2) ① 电阻丝粗细均匀,阻值与长度成正比,5cm长电阻丝阻值为5Ω,即1cm对应1Ω,故22cm长的$R_1=22×1Ω=22Ω$;
② 图(c)低温挡为$R_1$与$R_2$串联,由$P=\frac{U^2}{R}$得,总电阻$R_{总}=\frac{U^2}{P}=\frac{(220V)^2}{880W}=55Ω$,则$R_2=R_{总}-R_1=55Ω-22Ω=33Ω$,对应长度为33cm;
③ 图(d)中,高温挡时$R_1$与$R_2$并联,总电阻$R_{并}=\frac{R_1R_2}{R_1+R_2}=\frac{22Ω×33Ω}{22Ω+33Ω}=13.2Ω$,总电流$I=\frac{U}{R_{并}}=\frac{220V}{13.2Ω}≈16.7A$,大于熔断器允许的最大电流12A,会导致熔断器熔断,故不能正常工作;
④ 四挡调温电路设计:在虚线框内,将$R_1$、$R_2$分别与开关串联后并联,或采用串联加支路开关的方式,实现单独$R_1$工作、单独$R_2$工作、两电阻串联、两电阻并联四种状态(电路图见参考答案)。
【答案】
(1) ① 见参考答案中的电路连接图;② 右;③ 5
(2) ① 22;② 33;③ 高温挡工作时电流大于熔断器允许通过的最大电流;④ 见参考答案中的电路图
【知识点】
欧姆定律的应用;电功率计算;电路设计
【点评】
本题综合考查了电路连接、欧姆定律、电功率公式的应用及电路设计,涉及串联、并联电路的特点,需结合电阻与长度的比例关系分析,对学生的综合应用能力要求较高。
【难度系数】
0.4