2026年作业本江西教育出版社九年级物理全一册沪粤版第74页答案
7. 提升题 小鸡孵化器的电路如图5所示,电源电压为72 V,$R_1$为定值电阻,$R_2$为用发热电阻丝改成的滑动变阻器,其上标有“100 $\Omega$ 3 A”字样,电流表$A_2$的量程为0~3 A,灯泡L上标有“12 V 3 W”字样。
(1)求灯泡正常工作时的电流和电阻。
(2)闭合S,断开$S_1$、$S_2$,灯泡正常发光,求$R_1$的阻值。
(3)S、$S_1$、$S_2$均闭合时,求$R_2$消耗的最大电功率和最小电功率。

答案

解:
(1) 灯泡正常工作时,由$P=UI$得额定电流:
$I_L = \dfrac{P_L}{U_L} = \dfrac{3\ \mathrm{W}}{12\ \mathrm{V}} = 0.25\ \mathrm{A}$
由欧姆定律$I=\dfrac{U}{R}$得灯泡正常工作的电阻:
$R_L = \dfrac{U_L}{I_L} = \dfrac{12\ \mathrm{V}}{0.25\ \mathrm{A}} = 48\ \Omega$
(2) 闭合S,断开$S_1$、$S_2$时,$R_1$与灯泡L串联,灯泡正常发光,电路电流$I=I_L=0.25\ \mathrm{A}$
$R_1$两端的电压:$U_1 = U - U_L = 72\ \mathrm{V} - 12\ \mathrm{V} = 60\ \mathrm{V}$
由欧姆定律得$R_1$的阻值:
$R_1 = \dfrac{U_1}{I} = \dfrac{60\ \mathrm{V}}{0.25\ \mathrm{A}} = 240\ \Omega$
(3) S、$S_1$、$S_2$均闭合时,灯泡L被短路,$R_1$与$R_2$并联,电源电压$U=72\ \mathrm{V}$
通过$R_1$的电流:$I_1 = \dfrac{U}{R_1} = \dfrac{72\ \mathrm{V}}{240\ \Omega} = 0.3\ \mathrm{A}$
电流表$A_2$量程为$0∼3\ \mathrm{A}$,干路允许的最大电流$I_{\mathrm{max}}=3\ \mathrm{A}$
则通过$R_2$的最大电流:$I_{2\mathrm{max}} = I_{\mathrm{max}} - I_1 = 3\ \mathrm{A} - 0.3\ \mathrm{A} = 2.7\ \mathrm{A} < 3\ \mathrm{A}$,符合滑动变阻器的电流限制
$R_2$消耗的最大电功率:$P_{2\mathrm{max}} = U · I_{2\mathrm{max}} = 72\ \mathrm{V} × 2.7\ \mathrm{A} = 194.4\ \mathrm{W}$
当滑动变阻器接入最大阻值$R_{2\mathrm{max}}=100\ \Omega$时,$R_2$消耗的电功率最小:
$P_{2\mathrm{min}} = \dfrac{U^2}{R_{2\mathrm{max}}} = \dfrac{(72\ \mathrm{V})^2}{100\ \Omega} = 51.84\ \mathrm{W}$
答:(1) 灯泡正常工作时电流为0.25A,电阻为48Ω;(2) $R_1$的阻值为240Ω;(3) $R_2$消耗的最大电功率为194.4W,最小电功率为51.84W。

解析

【分析】
本题考查欧姆定律与电功率的综合应用,需先明确不同开关状态下的电路连接结构:
(1) 灯泡正常工作时,利用额定功率公式$P=UI$求额定电流,再结合欧姆定律$I=\frac{U}{R}$计算灯泡电阻;
(2) 闭合S、断开$S_1$、$S_2$时,$R_1$与灯泡L串联,串联电路电流处处相等,灯泡正常发光时电流等于额定电流,先求$R_1$两端电压,再用欧姆定律求$R_1$阻值;
(3) S、$S_1$、$S_2$均闭合时,灯泡L被短路,$R_1$与$R_2$并联,电源电压不变,先计算$R_1$的电流,再根据电流表量程确定干路最大电流,从而得到$R_2$的最大电流以计算最大功率;当滑动变阻器接入最大阻值时,$R_2$电流最小,功率最小,用$P=\frac{U^2}{R}$计算最小功率。
【解析】
解:
(1) 灯泡正常工作时,额定电压$U_L=12\ \mathrm{V}$,额定功率$P_L=3\ \mathrm{W}$,由$P=UI$得额定电流:
$I_L = \frac{P_L}{U_L} = \frac{3\ \mathrm{W}}{12\ \mathrm{V}} = 0.25\ \mathrm{A}$
由欧姆定律$I=\frac{U}{R}$,得灯泡正常工作的电阻:
$R_L = \frac{U_L}{I_L} = \frac{12\ \mathrm{V}}{0.25\ \mathrm{A}} = 48\ \Omega$
(2) 闭合S,断开$S_1$、$S_2$时,$R_1$与灯泡L串联,灯泡正常发光,电路电流$I=I_L=0.25\ \mathrm{A}$。
串联电路总电压等于各部分电压之和,因此$R_1$两端电压:
$U_1 = U - U_L = 72\ \mathrm{V} - 12\ \mathrm{V} = 60\ \mathrm{V}$
由欧姆定律得$R_1$的阻值:
$R_1 = \frac{U_1}{I} = \frac{60\ \mathrm{V}}{0.25\ \mathrm{A}} = 240\ \Omega$
(3) S、$S_1$、$S_2$均闭合时,灯泡L被短路,$R_1$与$R_2$并联,电源电压$U=72\ \mathrm{V}$。
并联电路各支路电压等于电源电压,通过$R_1$的电流:
$I_1 = \frac{U}{R_1} = \frac{72\ \mathrm{V}}{240\ \Omega} = 0.3\ \mathrm{A}$
电流表$A_2$测干路电流,量程为0~3 A,故干路允许的最大电流$I_{\mathrm{max}}=3\ \mathrm{A}$。
并联电路干路电流等于各支路电流之和,因此通过$R_2$的最大电流:
$I_{2\mathrm{max}} = I_{\mathrm{max}} - I_1 = 3\ \mathrm{A} - 0.3\ \mathrm{A} = 2.7\ \mathrm{A}$,该电流小于滑动变阻器允许的最大电流3 A,符合要求。
则$R_2$消耗的最大电功率:
$P_{2\mathrm{max}} = U · I_{2\mathrm{max}} = 72\ \mathrm{V} × 2.7\ \mathrm{A} = 194.4\ \mathrm{W}$
当滑动变阻器接入最大阻值$R_{2\mathrm{max}}=100\ \Omega$时,$R_2$消耗的电功率最小,此时:
$P_{2\mathrm{min}} = \frac{U^2}{R_{2\mathrm{max}}} = \frac{(72\ \mathrm{V})^2}{100\ \Omega} = 51.84\ \mathrm{W}$
【答案】
(1) 灯泡正常工作时电流为0.25 A,电阻为48 Ω;
(2) $R_1$的阻值为240 Ω;
(3) $R_2$消耗的最大电功率为194.4 W,最小电功率为51.84 W。
【知识点】
欧姆定律、电功率计算、串并联电路特点
【点评】
本题为电学综合提升题,需准确判断不同开关状态下的电路连接方式,结合串并联电路规律、欧姆定律和电功率公式进行计算,重点考查学生的电路分析能力与公式应用能力,需理清各物理量的关联关系。
【难度系数】
0.5
8.图6所示的是一种电热水龙头的电路简图。旋转开关S同时接触两个相邻触点,从而控制流出的水为冷水、温水或热水。已知$R_1$、$R_2$是电热丝,$R_2=55\ \Omega$,温水挡的电功率是2.2 kW。
(1)当流出水为温水时,求接入电路的电阻的阻值。
(2)当流出水为温水时,若该水龙头1 min消耗的电能由燃油燃烧提供,则所需燃油的质量至少是多少?(燃油的热值为$4.4×10^7\ \mathrm{J/kg}$,不计热量损失)
(3)若该水龙头1 min能放出1 kg的温水($40\ °\mathrm{C}$),热效率为84%,则温水升高的温度是多少?[$c_{\mathrm{水}}=4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}$]

答案

解:
(1) 温水挡的电功率$P_{\mathrm{温}}=2.2\ \mathrm{kW}=2200\ \mathrm{W}$,电源电压$U=220\ \mathrm{V}$
由$P=\dfrac{U^{2}}{R}$可得,接入电路的电阻:
$R_1=\dfrac{U^2}{P_{\mathrm{温}}}=\dfrac{(220\ \mathrm{V})^2}{2200\ \mathrm{W}}=22\ \Omega$
(2) 工作时间$t=1\ \mathrm{min}=60\ \mathrm{s}$,温水挡1 min消耗的电能:
$W=P_{\mathrm{温}}t=2200\ \mathrm{W}×60\ \mathrm{s}=1.32×10^5\ \mathrm{J}$
不计热量损失,燃油完全燃烧放出的热量$Q_{\mathrm{放}}=W=1.32×10^5\ \mathrm{J}$
由$Q_{\mathrm{放}}=mq$可得,所需燃油的最小质量:
$m=\dfrac{Q_{\mathrm{放}}}{q}=\dfrac{1.32×10^5\ \mathrm{J}}{4.4×10^7\ \mathrm{J/kg}}=3×10^{-3}\ \mathrm{kg}$
(3) 由热效率公式$\eta=\dfrac{Q_{\mathrm{吸}}}{W}×100\%$得,水吸收的热量:
$Q_{\mathrm{吸}}=W\eta=1.32×10^5\ \mathrm{J}×84\%=1.1088×10^5\ \mathrm{J}$
由$Q_{\mathrm{吸}}=c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}\Delta t$可得,温水升高的温度:
$\Delta t=\dfrac{Q_{\mathrm{吸}}}{c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}}=\dfrac{1.1088×10^5\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·° C)}×1\ \mathrm{kg}}=26.4\ °\mathrm{C}$
答:(1) 接入电路的电阻阻值为$22\ \Omega$;(2) 所需燃油的质量至少为$3×10^{-3}\ \mathrm{kg}$;(3) 温水升高的温度为$26.4\ °\mathrm{C}$。

解析

【分析】
本题是电学与热学的综合计算题,解题思路如下:
1. 第(1)问,先将温水挡电功率单位换算为瓦,结合电源电压,利用电功率公式变形求接入电阻;
2. 第(2)问,先计算温水挡1min消耗的电能,不计热量损失时燃油放热等于消耗的电能,再通过热值公式变形求燃油质量;
3. 第(3)问,根据热效率求水吸收的热量,再利用热量公式变形计算温水升高的温度。
【解析】
解:(1) 温水挡的电功率$P_{\mathrm{温}}=2.2\ \mathrm{kW}=2200\ \mathrm{W}$,电源电压$U=220\ \mathrm{V}$,
由$P=\dfrac{U^{2}}{R}$可得,接入电路的电阻:
$R_1=\dfrac{U^2}{P_{\mathrm{温}}}=\dfrac{(220\ \mathrm{V})^2}{2200\ \mathrm{W}}=22\ \Omega$;
(2) 工作时间$t=1\ \mathrm{min}=60\ \mathrm{s}$,温水挡1 min消耗的电能:
$W=P_{\mathrm{温}}t=2200\ \mathrm{W}×60\ \mathrm{s}=1.32×10^5\ \mathrm{J}$,
不计热量损失,燃油完全燃烧放出的热量$Q_{\mathrm{放}}=W=1.32×10^5\ \mathrm{J}$,
由$Q_{\mathrm{放}}=mq$可得,所需燃油的最小质量:
$m=\dfrac{Q_{\mathrm{放}}}{q}=\dfrac{1.32×10^5\ \mathrm{J}}{4.4×10^7\ \mathrm{J/kg}}=3×10^{-3}\ \mathrm{kg}$;
(3) 由热效率公式$\eta=\dfrac{Q_{\mathrm{吸}}}{W}×100\%$得,水吸收的热量:
$Q_{\mathrm{吸}}=W\eta=1.32×10^5\ \mathrm{J}×84\%=1.1088×10^5\ \mathrm{J}$,
由$Q_{\mathrm{吸}}=c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}\Delta t$可得,温水升高的温度:
$\Delta t=\dfrac{Q_{\mathrm{吸}}}{c_{\mathrm{水}}m_{\mathrm{水}}}=\dfrac{1.1088×10^5\ \mathrm{J}}{4.2×10^3\ \mathrm{J/(kg·℃)}×1\ \mathrm{kg}}=26.4\ \mathrm{℃}$。
【答案】
(1) $22\ \Omega$;(2) $3×10^{-3}\ \mathrm{kg}$;(3) $26.4\ \mathrm{℃}$
【知识点】
电功率计算、热值计算、热量计算
【点评】
本题是电学与热学的综合应用题,考查相关公式的灵活运用,解题需注意单位统一,各物理量关系清晰,难度适中。
【难度系数】
0.5