Question

如图甲所示电路中，电源电压保持不变，初始时滑动变阻器R₁的滑片P在最右端，合上开关后滑片P向左滑动，电压表读数U与x、电流表读数I与x的关系如图乙、丙所示．

请回答：
（1）仔细观察图乙、丙中电压表和电流表的读数，可以判断出当x＜5cm时，电路中出现了______（选填“短路”或“断路”），电源电压是______V．

（2）定值电阻R₂的阻值多大？
（3）闭合开关，滑动变阻器的滑片P在最左端时，电路消耗的总功率多大？
（4）请比较：闭合开关，在滑片P从x=5cm处向左滑动到x=10cm处的过程中，滑动变阻器R₁与定值电阻R₂产生的热量哪个多？（请通过计算说明）

Answer

（1）从图象上可以看出断点的位置和电源电压的大小；
（2）从图象上可看出，当电流表读数为I1=0.15A时，电压表读数为U1=1.35V，电压表测量滑动变阻器两端的电压，根据串联电路电压特点求出R2两端的电压，根据欧姆定律求出R2的阻值；
（3）闭合开关，滑动变阻器的滑片P在最左端时，电路为R2的简单电路，根据P=求出电路消耗的总功率；
（4）先计算x=5cm时和x=10cm时滑动变阻器接入电路的电阻，根据电阻的串联和欧姆定律表示出电路的电流，利用P=I2R表示出滑动变阻器R1的电功率，利用数学知识判断出最小功率并计算大小；当滑动变阻器接入电路中的电阻最小时电路中的电流最大，根据电阻的串联和欧姆定律求出电流，利用P=I2R求出最大功率，然后两者的功率相比较，利用Q=W=Pt判断两者产生热量的关系．
【解析】
（1）根据图象可知：断点位置在x等于5cm处，电源电压U等于1.50V；
（2）当电流表读数为I1=0.15A时，电压表读数为U1=1.35V，
∵串联电路中总电阻等于各分电阻之和，
∴定值电阻R2两端的电压：
U2=U-U1=1.50V-1.35V=0.15V，
由欧姆定律可得：
R2===1Ω；
（3）闭合开关，滑动变阻器的滑片P在最左端时，电路为R2的简单电路，
电路的总功率：
P===2.25W；
（4）当x=5cm时，设滑动变阻器接入电路中的电阻为R1，则
R1===9Ω；
当x=10cm时，设滑动变阻器接入电路中的电阻为R2，则
R2===4Ω；
当滑动变阻器接入电路中的电阻为R1时，电路中的电流：
I==，
滑动变阻器的电功率：
P1=I2R1=（）2R1=，
由数学知识可知，当R1=1Ω，其消耗的电功率最大，且9Ω时消耗的电功率最小，
∴P1min===0.2025W，
当滑动变阻器接入电路中的电阻为4Ω，电路中的电流最大，定值电阻R2消耗的电功率最大，
此时电路中的电流：
Imax===0.3A，
∴P2max=（Imax）2R2=（0.3A）2×1Ω=0.09W，
∵P1min＞P2max，
∴由Q=W=Pt可知，滑动变阻器R1产生的热量大于定值电阻R2产生的热量．
答：（1）断路；1.50；
（2）定值电阻R2的阻值为1Ω；
（3）闭合开关，滑动变阻器的滑片P在最左端时，电路消耗的总功率为2.25W；
（4）闭合开关，在滑片P从x=5cm处向左滑动到x=10cm处的过程中，滑动变阻器R1产生的热量大于定值电阻R2产生的热量．