熱學估算,朋友們最怕的題型有兩大類,一個是電熱檔位問題,還有一個就是熱學極值問題。
熱學極值問題主要包含滑阻極值,用家電或電路的電功率極值問題,電路電壓的極值問題。
下邊這道題,就基本上一次性包含上述的三大極值問題。題目如下:
要作出此題,最關鍵之處是求出電路電壓極值問題。
求出電路電壓極值,之后求出滑阻極值與電功率極值問題相對簡單。
電路電壓極值的求法是:
1、先求電路電壓最大值。
通過剖析,我們不難發覺,電路電壓最大值顯然是由那么幾部份的電壓最大值(最大量程)決定:
(1)電壓表A的最大量程,此題中電流表的阻值沒有指明,所以不用考慮。
(2)用家電的標牌電壓(額定電壓),此題中燈L標有“2.5V1.25W”,通過公式I=P/U可求出用家電燈泡的電壓為0.5A。
(3)還有一個用家電,就是滑阻,它的標牌電壓(額定電壓)是1A。
(4)定值內阻兩端的電流表V的最大量程數,此題中的可以看成是定值內阻的是燈泡,通過看圖可知,電流表測的不是燈泡的電流,而是滑阻兩端的電流。所以,此題就不用考慮電流表對最大電壓的影響。
假如還有一個電流表測的是燈泡的電流且阻值是“0~3V”,這么你要注意了,這時你要做兩步:先依照公式
求出燈泡內阻,你將求出燈泡內阻R=5Ω,第二步再依照
就可求出通過燈泡的最大電壓值I=3V/5Ω=0.6A。
由上述四項分別求出的電壓,采用“大中取小”的方式最終決定電路電壓的最大值是多少。如上題中,我們從“0.5A”和“1A”中比較中,我取0.5A為電路電壓的最終最大值。
2、再求電路電壓的最小值。
通過剖析,我們不難發覺,若電路中的電壓最小時,一定是電路中的內阻最大的時侯。
有兩種情況代表內阻最大,可分別求出電路電壓最小值:
(1)滑阻標牌上標注的最大電阻求出電路電壓最小值。
此題中滑阻標牌是“20Ω1A”,這說明該滑阻的最大電阻是20Ω。當滑阻取20Ω時,最小的電路電壓用下邊的公式求出:
I小=U/(R滑+R燈)
其中R燈早已可用前面的公式求出為5Ω,比這么題通過20Ω求出的I小=4.5V/25Ω=0.18A;
(2)滑阻兩端的電流表最大量程,就代表了滑阻此時容許的最大值,于是可求出此時滑阻容許的電壓最小值。
你可能會問,為何滑阻兩端并聯了電流表的最大量程就代表滑阻有容許的最大值呢?
由于滑阻和燈泡的聯接是串聯關系,依據串聯分壓可知,串聯電路中電阻大的分壓越多。于是,當滑阻兩端的電流最大時,也就意味著此時滑阻的電阻容許的電阻是最大的。所以,當聽到滑阻兩端有電流表時串聯電路總電阻怎么計算?,且當電流表示數為最大量程時,也就是決定了滑阻容許的最大電阻,所以串聯電路總電阻怎么計算?,此時用電流表求出的電路電壓值是最小的。
千萬注意的是,此時電路電壓最小值其實是由滑阻兩端的電流表的最大量程決定,但因為滑阻的電阻并不曉得,所以并不能直接求出滑阻容許的最小電壓值。
于是我們卻想到與滑阻串聯的燈泡,燈泡與滑阻通過的電壓是相等的,且燈泡的阻值是已知的,R燈=5Ω。所以,只要求出燈泡的電壓,也就是求出電路電壓的最小值。公式如下:
I小=I燈=U燈/R燈=(U-Uv)/R燈
上述公式幫助我們求出的最終最小電壓是I小=(4.5V-3V)/5Ω=0.3A。
由上述兩項分別求出的電壓,采用“小中取大”的方式最終決定電路電壓的最小值是多少。
如上題中,我們從“0.18A”和“0.3A”中比較中,我取0.3A為電路電壓的最終最小值。
【題外話,有中學生可能會問為何不“小中取小”?朋友們試想一下,若當燈泡容許的電壓為0.18A時,電流表的最大量程會被超出,由于按照Uv=U-U燈=U-I小·R燈=4.5V-0.18A·5Ω=3.6V。這很顯著,3.6V早已超過了電流表的最大量程。】
所以,這道題的電路極值(電壓范圍)為0.3~0.5A。
C選項錯誤。
對于A選項,涉及的是求用家電的電功率的最小值。
值得注意的是,求用家電的電功率的大小,須要先關注用家電是串聯還是并聯電路中。假如用家電在串聯電路中,優先考慮如下公式:
由公式可以看出,若燈泡的阻值是一定的,決定燈泡消耗電功率的大小的誘因是電壓。所以,在串聯電路中,當電壓最小值時,燈泡消耗的電功率也是最小的。
上題中,我們早已求出電壓最小值是0.3A,因而,此時燈泡消耗的電功率最小值是P小=0.3A·0.3A·5Ω=0.45W。
A選項因而是錯誤的。
B選項求的是電路總功率的最大值。
求電路總功率與用家電的電功率是有區別的。由于電路總功率的求法通常用公式:P=UI。在此公式中,總電流U雖然就是電源電流,通常都是不變的且是已知的,電壓的大小是關鍵。所以說,無論是串聯電路,還是并聯電路,總功率的最大值和最小值都是由電壓的最大和最小值決定的。
在此題中,我們早已求出電路電壓的最大值是0.5A,所以,電路總功率P大=U·I大=4.5V·0.5A=2.25W。
B選項因而也是錯誤的。
D選項是求滑阻范圍的。
剛剛我們也說了,滑阻的范圍是由電路電壓的范圍決定的。由公式
R=U/I
可知,當電路電壓(也就是總電壓,只不過串聯電路的電路電壓的大小與各用家電的通過的電壓是相同的)最大值時,電路內阻(也就是總內阻)是最小的。
同理,當電路電壓最小值,應該是電路內阻(總內阻)最大的時侯。
所以,R大=U/I小=4.5V/0.3A=15Ω,所以,電路的總內阻的最大值是15Ω。
則
R滑大=R大-R燈=15Ω-5Ω=10Ω。
我們再用相像的公式求電路總內阻的最小值,
R小=U/I大=4.5V/0.5A=9Ω,所以,電路的總內阻的最小值是9Ω。
則
R滑小=R小-R燈=9Ω-5Ω=4Ω。
于是,我們求出滑阻的極值(最大值和最小值范圍):4Ω~10Ω。
D選項是對的。
這道題的解題具體過程如下:
為了了解朋友們的把握情況,請試著作出下邊的一題:
【不定項選擇題】在如圖所示的電路中,電源電流為4V,電壓表的阻值為“0~0.6A”,電流表的阻值為“0~3V”,小燈泡標有“2V1W”字樣(燈的內阻不變),滑動變阻器上標有“20Ω1A”字樣,閉合開關,在保證電路各器件安全的情況下,下述說法正確的是()
A小燈泡的最小功率為0.36W
B電流表的示數范圍是1~3V
C滑動變阻器接入電路中的電阻范圍是4~12Ω
D電路總功率變化范圍1~2W