Question

3．物理小組的同學在實驗室里開展實踐活動，實驗器材有：規(guī)格為“6V 1W”A燈泡、“6V 3W”B燈泡、12V的電源、“30Ω 2A”的滑動變阻器、開關(guān)和若干導(dǎo)線，另有各種規(guī)格的定值電阻可供任意選用．

（1）為了使兩燈同時正常發(fā)光，某同學設(shè)計了圖甲所示電路，實驗后同組的另一位同學認為該電路不符合要求，請你說明該同學觀點的理由；
（2）該同學對原電路進行了改進，他選擇了一只規(guī)格合適的定值電阻R_o串聯(lián)在原電路中，如圖乙所示，請你通過計算確定該電阻R_o的規(guī)格；
（3）能否再設(shè)計一種使兩燈同時正常發(fā)光電路，請你將設(shè)計的電路圖畫在方框丙中，并通過計算回答，乙和丙兩種設(shè)計的電路哪一種更好，說明理由．

Answer 1

分析 （1）由甲圖可知兩燈泡并聯(lián)后與滑動變阻器串聯(lián)，根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點分析燈泡兩端的電壓范圍，根據(jù)串聯(lián)電路的分壓特點判斷不符合要求之處；
（2）由圖與可知，兩燈泡并聯(lián)后與R₀串聯(lián)，兩燈泡正常發(fā)光時的電壓和額定電壓相等，根據(jù)P=UI求出兩燈泡正常發(fā)光時的電流，根據(jù)并聯(lián)電路的電流特點求出干路電流，根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點求出R₀兩端的電壓，再根據(jù)歐姆定律求出R₀的阻值；
（3）比較兩燈泡的額定電流，額定電流較小的燈泡與一個定值電阻并聯(lián)后與另一個額定電流較大的燈泡串聯(lián)，此時電路中的電流為兩燈泡額定電流中較大的，根據(jù)P=UI分別求出乙和丙兩種電路消耗的總功率，從節(jié)約電能的角度進行分析得出答案．

解答 解：（1）由圖可知，兩燈泡并聯(lián)后與滑動變阻器串聯(lián)，要使兩燈泡工作時兩端的電壓最大不得超過6V，
則滑動變阻器應(yīng)分壓至少為12V-6V=6V，
因串聯(lián)電路中電阻越大分得的電壓越大，反之越小，
所以，滑動變阻器滑片不能隨意向左移，否則燈泡兩端的電壓會超過6V，燒壞燈泡；
（2）由圖與可知，兩燈泡并聯(lián)后與R₀串聯(lián)，
由P=UI可得，兩燈泡正常發(fā)光時的電流分別為：
I_A=$\frac{{P}_{A}}{{U}_{A}}$=$\frac{1W}{6V}$=$\frac{1}{6}$A，I_B=$\frac{{P}_{B}}{{U}_{B}}$=$\frac{3W}{6V}$=$\frac{1}{2}$A，
因并聯(lián)電路中干路電流等于各支路電流之和，
所以，通過定值電阻R₀的電流：
I₀=I_A+I_B=$\frac{1}{6}$A+$\frac{1}{2}$A=$\frac{2}{3}$A≈0.67A，
因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，
所以，R₀兩端的電壓：
U₀=U-U_并=12V-6V=6V，
由I=$\frac{U}{R}$可得，定該電阻R₀的阻值：
R₀=$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$=$\frac{6V}{\frac{2}{3}A}$=9Ω，允許通過的最大電流≥0.67A；
（3）設(shè)計的電路圖如下圖所示：

當兩個燈泡都正常發(fā)光時，電路中的電流I=I_B=$\frac{1}{2}$A，
電路消耗的總功率：
P_丙=UI=12V×$\frac{1}{2}$A=6W，
圖乙電路消耗的總功率：
P_乙=UI₀=12V×$\frac{2}{3}$A=8W，
因P_乙＞P_丙，
所以，丙電路設(shè)計比乙好，同樣都能使兩個燈泡都正常發(fā)光時，丙電路設(shè)計比乙電路設(shè)計總功率小，工作相同時間，丙電路比乙電路省電．
答：（1）該電路的滑動變阻器滑片不能隨意向左移動，否則燈泡兩端電壓會超過6V，燒壞燈泡；
（2）電阻R₀的規(guī)格為阻值為9Ω，允許通過的最大電流≥0.67A；
（3）設(shè)計的電路圖如上圖所示；丙電路設(shè)計比乙好，同樣都能使兩個燈泡都正常發(fā)光時，丙電路設(shè)計比乙電路設(shè)計總功率小，工作相同時間，丙電路比乙電路省電．

點評 本題考查了串并聯(lián)電路的設(shè)計和歐姆定律、電功率公式的應(yīng)用、電路的設(shè)計以及評價，認真審題、獲取有用的信息是關(guān)鍵．