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电学综合计算题在中考中常作为压轴题出现。解题时,应先认真分析电路以把握电路连接情况,再根据已知条件找出不同物理量之间的关系,最后根据规律和公式列出等式求解。
例1(2019·辽宁·盘锦)如图1所示,R1阻值是20 Ω。当滑片P移到a端,开关都闭合时,电流表示数是0.9 A,灯L正常发光。再断开开关S1,电流表示数变化了0.4 A,接着调节滑片P到b端,灯L的功率与额定功率之比是1∶4。(电源电压与灯丝电阻均保持不变)求:
(1)电源电压;
(2)灯L的额定功率;
(3)滑动变阻器的最大阻值。
解析:(1)当滑片P位于a端,开关都闭合时,灯泡与电阻R1并联,电流表测干路电流,断开开关S1后,只有灯泡连入电路,电流表测量灯泡的电流。由于电流表示数变化了0.4 A,则通过R1的电流为I1=0.4 A,故电源电压:U=I1R1=0.4 A × 20 Ω=8 V。
(2)当灯泡正常发光时,根据并联电路各支路两端的电压相等可知:灯泡的额定电压为8 V;根据并联电路电流特点可知:I额=I-I1=0.9 A-0.4 A=0.5 A,因此灯泡的额定功率:P额=U额I额=8 V × 0.5 A=4 W。
(3)灯泡电阻RL=[U额I额]=[8 V0.5 A]=16 Ω,S1断开,滑片P在b端时,灯泡与滑动变阻器R2串联,而P实∶P额=1∶4,则P实=[14]P额=[14] × 4 W=1 W,根据P=I2R可得此时电流:I=[P实RL]=[1 W16 Ω]=0.25 A,由欧姆定律得此时总电阻:R=[UI]=[8 V0.25 A]=32 Ω,根据串联电路电阻的规律得:R2=R-RL=32 Ω-16 Ω=16 Ω。
答案:(1)8 V (2)4 W (3)16 Ω
例2(2019·四川·泸州)小明家电热水器上的铭牌标志为“220 V 1000 W”。由于使用了多年,该电热水器中的电热丝明显氧化导致其电阻发生了变化,为准确测量氧化电热丝的实际电阻值,小明在家中把该电热水器单独接入220 V的家庭电路中工作5 min,发现电能表指示灯闪烁了242次,电能表规格如图2所示。问:
(1)小明测得该电热水器的实际电功率是多少?
(2)该电热水器氧化电热丝的实际电阻值是多少?
(3)为恢复该电热水器的铭牌功率,可与氧化电热丝并联一段新的电热丝,则并联的这段电热丝的电阻值为多少?
解析:(1)电能表指示灯闪烁242次消耗的电能:W =[ 2423000] kW·h = [2423000] × 3.6 × 106 J = 2.904 × 105 J,该电热水器的实际电功率:P实 = [Wt] = [2.904×105 J5×60 s] = 968 W。
(2)由P = UI = [U2R]可得,该电热水器氧化电热丝的实际电阻值:R实 = [U2P实 ]= [(220V)2968W] = 50 Ω。
(3)电热水器铭牌功率对应的电阻:R = [U2P额] = [(220 V)21000 W] = 48.4 Ω,为恢复该电热水器的铭牌功率,可与氧化电热丝并联一段新的电热丝R′,[1R] = [1R实] + [1R'],即[148.4 Ω] = [150 Ω] + [1R'],解得R′= 1512.5 Ω。
答案:(1)968 W (2)50 Ω (3)1512.5 Ω
例3(2019·遼宁·铁岭)小李家新买的电热水瓶有保温和加热两种功能,其简化电路图如图3所示,R1、R2为电热丝,通过开关的调节实现保温和加热两种功能的切换。加热功率为1100 W,保温功率是200 W[[c水= 4.2 × 103 J/]([kg·℃])]求:
(1)R2的阻值是多少?
(2)该电热水瓶给水加热时,瓶中1 kg的水从23 ℃升高到100 ℃,需要吸收多少热量?
(3)不计热量损失,该电热水瓶在上述加热过程中,需要工作多长时间?
解析:(1)开关S接1时,只有R1连入电路,电阻最小,根据P=[U2R]可知功率最大,此时为加热状态,则R1的阻值:R1= [U2P加热] = [(220 V)21100 W]=44 Ω;开关S接2时,两电阻串联,此时总电阻最大,根据P=[U2R]可知总功率最小,此时为保温状态,则串联的总电阻:R串=[U2P保温]=[(220 V)2200 W]=242 Ω,由串联电路的电阻规律可得:R2=R串-R1=242 Ω-44 Ω=198 Ω。
(2)瓶中1 kg的水从23℃升高到100℃,需要吸收的热量:Q=cm(t - t0)=4.2 × 103 J/(kg·℃) × 1 kg ×(100℃-23℃)=3.234 × 105 J。
(3)不计热量损失,消耗的电能W=Q,由P=[Wt]可得工作时间:t=[WP加热]=[QP加热]=[3.234×105 J1100 W]=294 s。
答案:(1)198 Ω (2)3.234 × 105 J (3)294 s
通过对以上三道中考题的剖析,我们可以归纳出电学综合题的解题思路为:(1)明确题设信息;(2)联系对应物理模型;(3)选择恰当公式进行解答。
例1(2019·辽宁·盘锦)如图1所示,R1阻值是20 Ω。当滑片P移到a端,开关都闭合时,电流表示数是0.9 A,灯L正常发光。再断开开关S1,电流表示数变化了0.4 A,接着调节滑片P到b端,灯L的功率与额定功率之比是1∶4。(电源电压与灯丝电阻均保持不变)求:
(1)电源电压;
(2)灯L的额定功率;
(3)滑动变阻器的最大阻值。
解析:(1)当滑片P位于a端,开关都闭合时,灯泡与电阻R1并联,电流表测干路电流,断开开关S1后,只有灯泡连入电路,电流表测量灯泡的电流。由于电流表示数变化了0.4 A,则通过R1的电流为I1=0.4 A,故电源电压:U=I1R1=0.4 A × 20 Ω=8 V。
(2)当灯泡正常发光时,根据并联电路各支路两端的电压相等可知:灯泡的额定电压为8 V;根据并联电路电流特点可知:I额=I-I1=0.9 A-0.4 A=0.5 A,因此灯泡的额定功率:P额=U额I额=8 V × 0.5 A=4 W。
(3)灯泡电阻RL=[U额I额]=[8 V0.5 A]=16 Ω,S1断开,滑片P在b端时,灯泡与滑动变阻器R2串联,而P实∶P额=1∶4,则P实=[14]P额=[14] × 4 W=1 W,根据P=I2R可得此时电流:I=[P实RL]=[1 W16 Ω]=0.25 A,由欧姆定律得此时总电阻:R=[UI]=[8 V0.25 A]=32 Ω,根据串联电路电阻的规律得:R2=R-RL=32 Ω-16 Ω=16 Ω。
答案:(1)8 V (2)4 W (3)16 Ω
例2(2019·四川·泸州)小明家电热水器上的铭牌标志为“220 V 1000 W”。由于使用了多年,该电热水器中的电热丝明显氧化导致其电阻发生了变化,为准确测量氧化电热丝的实际电阻值,小明在家中把该电热水器单独接入220 V的家庭电路中工作5 min,发现电能表指示灯闪烁了242次,电能表规格如图2所示。问:
(1)小明测得该电热水器的实际电功率是多少?
(2)该电热水器氧化电热丝的实际电阻值是多少?
(3)为恢复该电热水器的铭牌功率,可与氧化电热丝并联一段新的电热丝,则并联的这段电热丝的电阻值为多少?
解析:(1)电能表指示灯闪烁242次消耗的电能:W =[ 2423000] kW·h = [2423000] × 3.6 × 106 J = 2.904 × 105 J,该电热水器的实际电功率:P实 = [Wt] = [2.904×105 J5×60 s] = 968 W。
(2)由P = UI = [U2R]可得,该电热水器氧化电热丝的实际电阻值:R实 = [U2P实 ]= [(220V)2968W] = 50 Ω。
(3)电热水器铭牌功率对应的电阻:R = [U2P额] = [(220 V)21000 W] = 48.4 Ω,为恢复该电热水器的铭牌功率,可与氧化电热丝并联一段新的电热丝R′,[1R] = [1R实] + [1R'],即[148.4 Ω] = [150 Ω] + [1R'],解得R′= 1512.5 Ω。
答案:(1)968 W (2)50 Ω (3)1512.5 Ω
例3(2019·遼宁·铁岭)小李家新买的电热水瓶有保温和加热两种功能,其简化电路图如图3所示,R1、R2为电热丝,通过开关的调节实现保温和加热两种功能的切换。加热功率为1100 W,保温功率是200 W[[c水= 4.2 × 103 J/]([kg·℃])]求:
(1)R2的阻值是多少?
(2)该电热水瓶给水加热时,瓶中1 kg的水从23 ℃升高到100 ℃,需要吸收多少热量?
(3)不计热量损失,该电热水瓶在上述加热过程中,需要工作多长时间?
解析:(1)开关S接1时,只有R1连入电路,电阻最小,根据P=[U2R]可知功率最大,此时为加热状态,则R1的阻值:R1= [U2P加热] = [(220 V)21100 W]=44 Ω;开关S接2时,两电阻串联,此时总电阻最大,根据P=[U2R]可知总功率最小,此时为保温状态,则串联的总电阻:R串=[U2P保温]=[(220 V)2200 W]=242 Ω,由串联电路的电阻规律可得:R2=R串-R1=242 Ω-44 Ω=198 Ω。
(2)瓶中1 kg的水从23℃升高到100℃,需要吸收的热量:Q=cm(t - t0)=4.2 × 103 J/(kg·℃) × 1 kg ×(100℃-23℃)=3.234 × 105 J。
(3)不计热量损失,消耗的电能W=Q,由P=[Wt]可得工作时间:t=[WP加热]=[QP加热]=[3.234×105 J1100 W]=294 s。
答案:(1)198 Ω (2)3.234 × 105 J (3)294 s
通过对以上三道中考题的剖析,我们可以归纳出电学综合题的解题思路为:(1)明确题设信息;(2)联系对应物理模型;(3)选择恰当公式进行解答。