Question

韩超同学学完电学知识后，用如图所示的装置进行物理知识的新探究，他将器材连接好后，保持电源电压不变，闭合开关改变滑动变阻器的滑片位置，进行了两次实验，并把实验数据记录在下表中（g=10N/kg）．

实验 次数	钩码的质量m（g）	钩码升高的高度h（m）	钩码上升的时间t（s）	电流表 示数I（A）	电压表 示数U（V）	滑动变阻器滑片位置
1	100	1.0	3.6	0.20	3.0	中点
2	100	1.0	8.0	0.15	1.5	最右端

请你参加韩超同学的研究，解答下列问题：
（1）在实验过程中，发生了哪些形式的能量转化（指出其中的两种）
（2）计算第一次实验中，电动机将电能转化为机械能的效率是多少（不计绳重及绳与滑轮之间的摩擦）
（3）求电源电压及滑动变阻器的最大阻值．
（4）第二次实验中，滑动变阻器消耗的电能是多少？

Answer

（1）电动机转动需要消耗电能，将钩码提起而对钩码做功，转化为钩码的机械能；由于电流的热效应，给线圈通电后会放出热量，将电能转化为内能．
（2）电动机将钩码提起而对钩码做功，转化为钩码的机械能，根据公式W有=Gh=mgh计算出钩码的机械能；再根据公式W总=UIt计算出电动机消耗的电能；再根据公式η=计算出电动机的效率．
（3）在第一次实验中，电源电压U=U电机+U滑=U电机+I1R滑；在第二次实验中，电源电压U=U电机′+U滑′=U电机+I2R滑．根据电源电压不变组成方程式，计算出电源电压和滑动变阻器的最大阻值．
（4）根据公式W=I2R滑t计算出第二次实验中滑动变阻器消耗的电能．
【解析】
（1）电动机将钩码提起而对钩码做功，电能转化为钩码的机械能；线圈通电后会放出热量，将电能转化为内能．
故答案为：电能转化为机械能；电能转化为内能
（2）第一次实验中，钩码的机械能（即电动机做的有用功）
W有=Gh=mgh=0.1kg×10N/kg×1m=1J
电动机消耗的电能
W总=UIt=3V×0.2A×3.6s=2.16J
电动机将电能转化为机械能的效率
η===46%
答：电动机将电能转化为机械能的效率是46%．
（3）由串联电路特点及欧母定律得，
滑片在中点时，电源电压U=U电机+U滑=U电机+I1R滑；
当滑片在最右端时，电源电压U=U电机′+U滑′=U电机+I2R滑．
因为电源电压不变，
所以，U电机+U滑=U电机+I1R滑=U电机′+U滑′=U电机+I2R滑
3V+0.2A×R滑=1.5V+0.15A×R滑
解得：R滑=30Ω   电源电压U=6V
答：滑动变阻器的最大阻值30Ω；电源电压为6V．
（4）在第二次实验中，滑动变阻器消耗的电能
W=UIt=I2R滑t=（0.15A）2×30Ω×8s=5.4J
答：第二次实验中，滑动变阻器消耗的电能为5.4J．