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12
0.3
0.075
不变
6
10
9.5
【分析】
我们可以分两步逻辑推导电路连接:
1. 先从参数明确的挡位二入手分析:已知电源电压U=4.8V,挡位二要求通过R2的电流为1.2A,根据欧姆定律可算出R2两端电压U2=I2R2=1.2A×4Ω=4.8V,刚好等于电源总电压,说明此时R2直接并联在电源两端,因此R2的两个接线端分别对应接b触点和c触点,挡位二时b接电源正极、c接电源负极,刚好满足R2的供电要求。
2. 再验证挡位一的匹配性:挡位一长铜片接a(电源正极)、短铜片接b(电源负极),此时R2两端电压为1.2V,总电源电压4.8V,说明R1和R2串联分压,计算得总电流I=U2/R2=1.2V/4Ω=0.3A,总电阻R总=U/I=4.8V/0.3A=16Ω,刚好等于R1+R2=12Ω+4Ω=16Ω,说明此时电流路径是电源正极→a→R1→R2→b→电源负极,因此R1的一端接a触点,R1的另一端和R2的非b端共同连接到c触点,即可同时满足两个挡位的全部要求。
【解析】
结合欧姆定律和串并联电路特点,对推导的电路进行双重验证:
1. 挡位二验证:长铜片同时接触a、b(接电源正极),短铜片接触c(接电源负极),R1两端接a、c,R2两端接b、c,此时R1与R2并联在电源两端:
通过R2的电流$I_2 = \frac{U}{R_2} = \frac{4.8\ \mathrm{V}}{4\ \Omega} = 1.2\ \mathrm{A}$,完全符合挡位二的要求。
2. 挡位一验证:长铜片接触a(接电源正极),短铜片接触b(接电源负极),此时电流路径为电源正极→a→R1→c→R2→b→电源负极,R1与R2串联:
电路电流$I = \frac{U}{R_1+R_2} = \frac{4.8\ \mathrm{V}}{12\ \Omega+4\ \Omega} = 0.3\ \mathrm{A}$,
R2两端电压$U_2 = I R_2 = 0.3\ \mathrm{A} × 4\ \Omega = 1.2\ \mathrm{V}$,完全符合挡位一的要求。
最终按照该连接方式完成虚线框内的电路绘制即可。
【答案】

【知识点】
欧姆定律应用,串并联电路设计,串联分压规律
【点评】
本题是典型的应用型电路设计题,重点考察学生对串并联电路特性的掌握和逆向推导能力,解题时优先从参数特征明显的挡位切入,再验证另一挡位的合理性,可大幅降低推导难度,避免思路混乱。
【难度系数】
0.5
【分析】
这是一道力学与电学结合的实际应用型综合题,解题思路按模块逐步推进:
1. 第(1)小问:先观察电压表的量程和分度值,准确读出电压表示数;已知目标截取的电阻阻值为40Ω,直接套用欧姆定律I=U/R,代入已读出的电压值和目标电阻值,算出对应的电流,移动鳄鱼夹直到电流等于该数值,此时截取的电阻就恰好为40Ω。
2. 第(2)①小问:代入阿基米德原理公式,将一半浸入汽油的排开体积代入计算浮力;浮子始终处于漂浮状态,浮力等于自身重力,浮子重力不变则浮力不变,因此浸入汽油的体积也不会发生变化。
3. 第(2)②小问:明确电路为定值电阻R和电阻片接入部分串联,利用两次不同滑片位置的电流,结合电源电压恒定不变的特点列欧姆定律方程组,求解得到电源电压和定值电阻R的阻值;再代入0.5A的电流条件算出此时电阻片接入的阻值,利用电阻片阻值和长度成正比的规律,结合总阻值40Ω对应0~10cm的油面变化范围,用比例法算出对应的油面高度。
【解析】
(1) 图乙中电压表选用0~15V量程,分度值为0.5V,读数为12V;根据欧姆定律,要得到40Ω的电阻,对应的电路电流为:
$I=\frac{U}{R}=\frac{12\ \mathrm{V}}{40\ \Omega}=0.3\ \mathrm{A}$,移动鳄鱼夹直到电流表示数为0.3A即可得到目标电阻。
(2) ① 浮子一半体积浸入汽油,排开汽油的体积$V_\mathrm{排}=\frac{1}{2}×20\ \mathrm{cm}^3=10\ \mathrm{cm}^3=1×10^{-5}\ \mathrm{m}^3$,根据阿基米德原理:
$F_\mathrm{浮}=\rho_\mathrm{汽油}gV_\mathrm{排}=0.75×10^3\ \mathrm{kg/m}^3 ×10\ \mathrm{N/kg} ×1×10^{-5}\ \mathrm{m}^3=0.075\ \mathrm{N}$;
油面上升后浮子仍处于漂浮状态,浮力始终等于浮子自身重力,浮子重力不变,因此浮力不变,浸入汽油中的体积不变。
② 电路中定值电阻R和电阻片接入部分串联:
当OA在M端时,电阻片全部40Ω接入电路,此时电流$I_1=0.12\ \mathrm{A}$,电源电压满足:$U=I_1(R+R_\mathrm{总})=0.12\ \mathrm{A}×(R+40\ \Omega)$;
当OA在N端时,电阻片接入阻值为0,此时电流$I_2=0.6\ \mathrm{A}$,电源电压满足:$U=I_2R=0.6\ \mathrm{A}× R$;
联立两式解得$R=10\ \Omega$,代入得电源电压$U=0.6\ \mathrm{A}×10\ \Omega=6\ \mathrm{V}$。
当电流表示数$I_3=0.5\ \mathrm{A}$时,电路总电阻$R_\mathrm{总}'=\frac{U}{I_3}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.5\ \mathrm{A}}=12\ \Omega$,此时电阻片接入的阻值$R'=R_\mathrm{总}'-R=12\ \Omega-10\ \Omega=2\ \Omega$,即OA距离N端的电阻为2Ω,OA距离M端的电阻为$40\ \Omega-2\ \Omega=38\ \Omega$。
由于电阻片阻值和长度成正比,40Ω的电阻片对应油面从0cm到10cm的变化,因此油面高度$h=\frac{10\ \mathrm{cm}}{40\ \Omega}×38\ \Omega=9.5\ \mathrm{cm}$。
【答案】
(1) 12;0.3
(2) ① 0.075;不变 ② 6;10;9.5
【知识点】
欧姆定律计算,阿基米德原理,串联电路规律
【点评】
本题是结合自动油量表实际场景的力电综合题,既考查了电表读数、浮力基础计算等基础知识点,也考查了串联电路欧姆定律联立求解的能力,最后需要利用电阻与长度成正比的隐含条件通过比例法计算油面高度,对学生的综合应用能力有一定要求,易错点是最后油面高度对应的电阻段的判断。
【难度系数】
0.4
【分析】
这是一道力学与电学结合的实际应用型综合题,解题思路按模块逐步推进:
1. 第(1)小问:先观察电压表的量程和分度值,准确读出电压表示数;已知目标截取的电阻阻值为40Ω,直接套用欧姆定律I=U/R,代入已读出的电压值和目标电阻值,算出对应的电流,移动鳄鱼夹直到电流等于该数值,此时截取的电阻就恰好为40Ω。
2. 第(2)①小问:代入阿基米德原理公式,将一半浸入汽油的排开体积代入计算浮力;浮子始终处于漂浮状态,浮力等于自身重力,浮子重力不变则浮力不变,因此浸入汽油的体积也不会发生变化。
3. 第(2)②小问:明确电路为定值电阻R和电阻片接入部分串联,利用两次不同滑片位置的电流,结合电源电压恒定不变的特点列欧姆定律方程组,求解得到电源电压和定值电阻R的阻值;再代入0.5A的电流条件算出此时电阻片接入的阻值,利用电阻片阻值和长度成正比的规律,结合总阻值40Ω对应0~10cm的油面变化范围,用比例法算出对应的油面高度。
【解析】
(1) 图乙中电压表选用0~15V量程,分度值为0.5V,读数为12V;根据欧姆定律,要得到40Ω的电阻,对应的电路电流为:
$I=\frac{U}{R}=\frac{12\ \mathrm{V}}{40\ \Omega}=0.3\ \mathrm{A}$,移动鳄鱼夹直到电流表示数为0.3A即可得到目标电阻。
(2) ① 浮子一半体积浸入汽油,排开汽油的体积$V_\mathrm{排}=\frac{1}{2}×20\ \mathrm{cm}^3=10\ \mathrm{cm}^3=1×10^{-5}\ \mathrm{m}^3$,根据阿基米德原理:
$F_\mathrm{浮}=\rho_\mathrm{汽油}gV_\mathrm{排}=0.75×10^3\ \mathrm{kg/m}^3 ×10\ \mathrm{N/kg} ×1×10^{-5}\ \mathrm{m}^3=0.075\ \mathrm{N}$;
油面上升后浮子仍处于漂浮状态,浮力始终等于浮子自身重力,浮子重力不变,因此浮力不变,浸入汽油中的体积不变。
② 电路中定值电阻R和电阻片接入部分串联:
当OA在M端时,电阻片全部40Ω接入电路,此时电流$I_1=0.12\ \mathrm{A}$,电源电压满足:$U=I_1(R+R_\mathrm{总})=0.12\ \mathrm{A}×(R+40\ \Omega)$;
当OA在N端时,电阻片接入阻值为0,此时电流$I_2=0.6\ \mathrm{A}$,电源电压满足:$U=I_2R=0.6\ \mathrm{A}× R$;
联立两式解得$R=10\ \Omega$,代入得电源电压$U=0.6\ \mathrm{A}×10\ \Omega=6\ \mathrm{V}$。
当电流表示数$I_3=0.5\ \mathrm{A}$时,电路总电阻$R_\mathrm{总}'=\frac{U}{I_3}=\frac{6\ \mathrm{V}}{0.5\ \mathrm{A}}=12\ \Omega$,此时电阻片接入的阻值$R'=R_\mathrm{总}'-R=12\ \Omega-10\ \Omega=2\ \Omega$,即OA距离N端的电阻为2Ω,OA距离M端的电阻为$40\ \Omega-2\ \Omega=38\ \Omega$。
由于电阻片阻值和长度成正比,40Ω的电阻片对应油面从0cm到10cm的变化,因此油面高度$h=\frac{10\ \mathrm{cm}}{40\ \Omega}×38\ \Omega=9.5\ \mathrm{cm}$。
【答案】
(1) 12;0.3
(2) ① 0.075;不变 ② 6;10;9.5
【知识点】
欧姆定律计算,阿基米德原理,串联电路规律
【点评】
本题是结合自动油量表实际场景的力电综合题,既考查了电表读数、浮力基础计算等基础知识点,也考查了串联电路欧姆定律联立求解的能力,最后需要利用电阻与长度成正比的隐含条件通过比例法计算油面高度,对学生的综合应用能力有一定要求,易错点是最后油面高度对应的电阻段的判断。
【难度系数】
0.4