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D
10
290
解:
(1) 闭合开关,$R_x$、$R_0$串联,电流表测电路中的电流,当电流表示数为$0.04\ \mathrm{A}$时,由$I=\dfrac{U}{R}$可得,电路的总电阻
$R=\dfrac{U}{I}=\dfrac{6\ \mathrm{V}}{0.04\ \mathrm{A}}=150\ \Omega$
则此时力敏电阻的阻值
$R_x=R-R_0=150\ \Omega-30\ \Omega=120\ \Omega$
由图乙可知,此时水对力敏电阻$R_x$的压力为$1\ \mathrm{N}。$
(2) 容器B的重力
$G_B=m_B g=0.5\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=5\ \mathrm{N}$
容器B中的水的重力
$G_{\mathrm{水}}=m_{\mathrm{水}} g=5\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=50\ \mathrm{N}$
重物C的重力
$G_C=m_C g=0.5\ \mathrm{kg}×10\ \mathrm{N/kg}=5\ \mathrm{N}$
重物C恰好离开容器A底部时,容器A底部受到的压力
$F_A=G_C+G_B+G_{\mathrm{水}}=5\ \mathrm{N}+5\ \mathrm{N}+50\ \mathrm{N}=60\ \mathrm{N}$
容器A底部受到水的压强
$p=\dfrac{F_A}{S_A}=\dfrac{60\ \mathrm{N}}{300×10^{-4}\ \mathrm{m^2}}=2×10^3\ \mathrm{Pa}$
力敏电阻$R_x$受到的压力
$F=pS_x=2×10^3\ \mathrm{Pa}×30×10^{-4}\ \mathrm{m^2}=6\ \mathrm{N}$
由图乙知此时力敏电阻的阻值$R'_x=20\ \Omega,$此时电流表示数
$I'=\dfrac{U}{R'_x+R_0}=\dfrac{6\ \mathrm{V}}{20\ \Omega+30\ \Omega}=0.12\ \mathrm{A}$
答:
(1) 水对力敏电阻$R_x$的压力为$1\ \mathrm{N};$
(2) 重物C恰好离开容器A底部时电流表的示数为$0.12\ \mathrm{A}。$
【分析】
首先需要先区分两种开关状态对应的I-U图像:①只闭合S和S₁时,灯泡L与滑动变阻器R'串联,电压表测灯泡两端电压,由于灯泡电阻随温度升高而增大,其I-U图像为曲线;②只闭合S和S₂时,定值电阻R与滑动变阻器R'串联,电压表测定值电阻两端电压,定值电阻阻值恒定,其I-U图像为直线。接下来从滑片在最右端的初始状态入手,利用串联电路电压规律算出电源电压,再结合a点是两个电路都经过的公共滑片位置,推导定值电阻R的阻值、a点接入的滑动变阻器阻值,再结合“电压表示数与灯泡正常发光电压相等”的条件,推导灯泡的额定参数,最后通过电流变化判断滑动变阻器接入阻值的变化,确定滑片位置,逐一验证选项即可得到正确答案。
【解析】
步骤1:区分对应图像,计算电源电压
只闭合S、S₁,L与R'串联,灯泡电阻随温度变化,对应图乙的曲线;只闭合S、S₂,R与R'串联,定值电阻阻值不变,对应图乙的直线。
当滑片在滑动变阻器最右端时,R'接入阻值为20Ω,电路总电阻最大,电流最小,由图乙得最小电流$I_{\mathrm{小}}=0.25\ \mathrm{A}$,此时灯泡两端电压$U_L=1\ \mathrm{V}$。
根据欧姆定律,此时滑动变阻器两端电压:$U_{\mathrm{滑大}}=I_{\mathrm{小}}R'_{\mathrm{大}}=0.25\ \mathrm{A} × 20\ \Omega=5\ \mathrm{V}$
由串联电路电压规律,电源电压$U=U_L+U_{\mathrm{滑大}}=1\ \mathrm{V}+5\ \mathrm{V}=6\ \mathrm{V}$,因此A选项错误。
步骤2:计算定值电阻R的阻值和a点接入的变阻器阻值
由题意,只闭合S、S₁滑片滑到a点时灯泡正常发光,切换为只闭合S、S₂时滑片仍在a点,由图乙得此时电压表示数$U_R=3.75\ \mathrm{V}$,电流$I=0.375\ \mathrm{A}$。
根据欧姆定律,定值电阻$R=\dfrac{U_R}{I}=\dfrac{3.75\ \mathrm{V}}{0.375\ \mathrm{A}}=10\ \Omega$。
此时滑动变阻器两端电压$U_{\mathrm{滑}a}=U-U_R=6\ \mathrm{V}-3.75\ \mathrm{V}=2.25\ \mathrm{V}$,因此a点接入的变阻器阻值$R_a=\dfrac{U_{\mathrm{滑}a}}{I}=\dfrac{2.25\ \mathrm{V}}{0.375\ \mathrm{A}}=6\ \Omega$,因此C选项错误。
步骤3:推导灯泡正常发光的参数
由题意,滑片从a移到b点时,电压表示数等于灯泡正常发光的电压,结合图像可知此时电路电流为0.3A,此时定值电阻两端电压$U'_R=I'R=0.3\ \mathrm{A} × 10\ \Omega=3\ \mathrm{V}$,即灯泡的额定电压$U_{\mathrm{额}}=3\ \mathrm{V}$。
只闭合S、S₁,滑片在a点时灯泡正常发光,此时滑动变阻器接入阻值为$R_a=6\ \Omega$,滑动变阻器两端电压$U_{\mathrm{滑额}}=U-U_{\mathrm{额}}=6\ \mathrm{V}-3\ \mathrm{V}=3\ \mathrm{V}$,电路电流即灯泡额定电流$I_{\mathrm{额}}=\dfrac{U_{\mathrm{滑额}}}{R_a}=\dfrac{3\ \mathrm{V}}{6\ \Omega}=0.5\ \mathrm{A}$。
因此灯泡正常发光的电阻$R_L=\dfrac{U_{\mathrm{额}}}{I_{\mathrm{额}}}=\dfrac{3\ \mathrm{V}}{0.5\ \mathrm{A}}=6\ \Omega$,B选项错误。
步骤4:判断b点位置
只闭合S、S₂,滑片从a点移到b点时,电路电流从0.375A减小到0.3A,电源电压恒定,说明电路总电阻变大,滑动变阻器接入的阻值变大,因此滑片向右移动,b点在a点的右侧,D选项正确。
【答案】
D
【知识点】
串联电路规律,欧姆定律应用,动态电路分析
【点评】
本题的核心突破口是抓住“a点是两个不同电路共用的滑片位置”这一隐含条件,将两个独立的开关状态关联起来,对学生从I-U图像中提取有效信息的能力要求较高,容易出现的错误是混淆曲线和直线对应的电路,无法建立两个状态的物理量联系。
【难度系数】
0.3
【分析】
首先明确该电路为串联电路,电源电压保持不变,解题思路分三步:1. 当AB直接接导线时,待测电阻为0,此时电路只有滑动变阻器R1工作,根据欧姆定律写出电源电压和R1的关系式;2. 当AB间接入10Ω电阻时,R1和10Ω电阻串联,再次根据欧姆定律写出电源电压的表达式,利用电源电压不变联立两个式子,即可解出R1的阻值,同时算出电源总电压;3. 已知电源电压和R1的阻值,当电流为0.02A时,先根据欧姆定律算出此时电路的总电阻,总电阻减去R1的阻值,就得到AB间接的待测电阻的阻值。
【解析】
解:设电源电压为U,
① 当A、B之间直接接导线,接入电阻为0时,电路为R₁的简单电路,电流I₁=0.6A,由欧姆定律可得:
$U = I_1R_1 = 0.6\ \mathrm{A} × R_1$ ---(1)
② 当A、B之间接入阻值$R_2=10\ \Omega$的电阻时,R₁与R₂串联,电流I₂=0.3A,串联总电阻为$R_1+R_2$,由欧姆定律可得:
$U = I_2(R_1 + R_2) = 0.3\ \mathrm{A} × (R_1 + 10\ \Omega)$ ---(2)
由于电源电压U恒定不变,联立(1)(2)得:
$0.6\ \mathrm{A} × R_1 = 0.3\ \mathrm{A} × (R_1 + 10\ \Omega)$
展开整理:$0.6R_1 = 0.3R_1 + 3$
解得:$R_1 = 10\ \Omega$
将$R_1=10\ \Omega$代入(1)式,得电源电压$U = 0.6\ \mathrm{A} × 10\ \Omega = 6\ \mathrm{V}$
③ 当电流表示数$I_3=0.02\ \mathrm{A}$时,此时电路总电阻:
$R_{\mathrm{总}}' = \frac{U}{I_3} = \frac{6\ \mathrm{V}}{0.02\ \mathrm{A}} = 300\ \Omega$
串联电路总电阻等于各分电阻之和,因此A、B间接的待测电阻:
$R_x = R_{\mathrm{总}}' - R_1 = 300\ \Omega - 10\ \Omega = 290\ \Omega$
【答案】
10;290
【知识点】
欧姆定律应用;串联电阻规律
【点评】
本题结合欧姆表的实际制作场景考查欧姆定律的应用,核心是抓住电源电压不变的特点列方程求解,易错点是忽略滑动变阻器R1本身的内阻,直接用电源电压除以电流得到待测电阻,导致计算结果错误。
【难度系数】
0.6
【分析】
这是一道力电综合的跨学科题目,解题思路分两小问逐步推进:
1. 第一问:首先识别电路为R₀与Rₓ串联,电流表测电路总电流。已知电源电压和电流表示数,先根据欧姆定律求出电路总电阻,减去定值电阻R₀的阻值即可得到此时力敏电阻Rₓ的阻值,最后对照图乙的Rₓ-F图像,直接读取该阻值对应的压力,就是水对Rₓ的压力。
2. 第二问:先分别计算出容器B、重物C、B内原有水的总重力,当重物C恰好离开A容器底部时,C对A底的压力为0,由于A是柱形容器,A容器底部受到的总压力等于所有物体的总重力,据此先算出A容器底部的水的压强,再利用压强公式计算水对力敏电阻Rₓ上表面的压力,对照图乙得到此时Rₓ的阻值,最后根据串联电路的欧姆定律算出电路电流,也就是电流表的示数。
【解析】
(1) 由图甲可知,Rₓ与R₀串联,电流表测电路中的电流。
当电流I₁=0.04 A时,根据欧姆定律$I=\frac{U}{R}$,电路总电阻:
$R_{\mathrm{总}} = \frac{U}{I_1} = \frac{6\ \mathrm{V}}{0.04\ \mathrm{A}} = 150\ \Omega$
此时力敏电阻的阻值:
$R_x = R_{\mathrm{总}} - R_0 = 150\ \Omega - 30\ \Omega = 120\ \Omega$
对照图乙的$R_x-F$图像,可得此时力敏电阻受到的水的压力为1 N。
(2) 先计算各物体的重力:
容器B的重力:$G_B = m_B g = 0.5\ \mathrm{kg} × 10\ \mathrm{N/kg} = 5\ \mathrm{N}$
重物C的重力:$G_C = m_C g = 0.5\ \mathrm{kg} × 10\ \mathrm{N/kg} = 5\ \mathrm{N}$
B内水的重力:$G_{\mathrm{水}} = m_{\mathrm{水}} g = 5\ \mathrm{kg} × 10\ \mathrm{N/kg} = 50\ \mathrm{N}$
当重物C恰好离开A容器底部时,C对A底压力为0,柱形容器A底部受到的总压力等于三者总重力:
$F_A = G_B + G_C + G_{\mathrm{水}} = 5\ \mathrm{N} + 5\ \mathrm{N} + 50\ \mathrm{N} = 60\ \mathrm{N}$
A容器底部受到水的压强:
$p = \frac{F_A}{S_A} = \frac{60\ \mathrm{N}}{300 × 10^{-4}\ \mathrm{m^2}} = 2 × 10^3\ \mathrm{Pa}$
力敏电阻$R_x$上表面受到的水的压力:
$F_x = p S_x = 2 × 10^3\ \mathrm{Pa} × 30 × 10^{-4}\ \mathrm{m^2} = 6\ \mathrm{N}$
对照图乙可知,此时$R_x$的阻值$R'_x = 20\ \Omega$
根据欧姆定律,此时电路电流:
$I' = \frac{U}{R'_x + R_0} = \frac{6\ \mathrm{V}}{20\ \Omega + 30\ \Omega} = 0.12\ \mathrm{A}$
【答案】
(1) 1 N (2) 0.12 A
【知识点】
欧姆定律应用;液体压强计算;串联电路特点
【点评】
本题属于力电综合跨学科题型,既考查了串联电路欧姆定律的基础计算,又结合柱形容器的液体压力特点考查压强相关计算,同时要求学生具备读取图像信息的能力,解题时需要注意区分容器底面积和力敏电阻的受力面积,避免直接将总重力当作$R_x$受到的压力的典型错误。
【难度系数】
0.4