剖析(1)按照灯L的尺寸为“24V24W”表示的含意,由P=UI=$frac{{U}^{2}}{R}$求灯的内阻;
(2)按照P=UI,因电源电流不变,故电功率之比等于电压之比求解;
(3)剖析三种情况下电路的联接画出等效图,由U1:U2=5:8.按照串联电路电流的规律和分压原理,得出R1与R2的关系;按照在电流不变时,通过的电压与内阻成正比,对比图1和2,得出得出R1与R2的关系,解多项式组进而得出R1与R2的大小;
(4)在图1中,按照内阻的串联规律和P=UI=$frac{{U}^{2}}{R}$求出电流电流:
当电路的总内阻最小时,总电压最大,按照P=UI,电路的总功率最大,
按照并联电路的总内阻大于其中任一阻值,串联的内阻小于其中任一阻值,故在类似图3的电路中,并联的总内阻才可能最小,总电压才可能达到最大,按照欧姆定理,分别求出通过灯和R2的电压,由变阻器容许通过的最大电压,按照并联电路电压的规律,求出此时电路容许的最大电压并与电压表容许通过的最大电压比较,由欧姆定理,可求出变阻器连入电路中的阻值.
最终确定开关的断掉与闭合和变阻器连入电路中的内阻大小,并求出这个最大总功率.
解答解:(1)灯L的尺寸为“24V24W”如图所示电路,表示灯的电流为24V,额定功率为24W,
按照P=UI=$frac{{U}^{2}}{R}$可得,灯L的阻值:
RL=$frac{{{U}_{L}}^{2}}{{P}_{L}}$=$frac{(24V)^{2}}{24W}$=24Ω;
(2)因电源电流不变,按照P=UI可知,两种情况下电压之比等于总功率之比:
$frac{{I}_{1}}{{I}_{2}}$=$frac{{P}_{1}}{{P}_{2}}$=$frac{6.75W}{4.5W}$=$frac{3}{2}$;
(3)当闭合开关S1、S4,断掉开关S2、S3时,R1与R2串联,电流表测R1的电流,电流表的示数为U1,电压表的示数为I1,如图1所示:
电路消耗的总功率为P1=6.75W;
当开关S1、S2、S3、S4都断掉时,灯与R1和R2串联,电流表测R1的电流,电压表的示数为I2,如图2所示,电路消耗的总功率为P2=4.5W;
当只断掉开关S4时,灯与R1和R2三个阻值并联,电流表测R1的电流,如图3所示,即电源电流为U2.
因U1:U2=5:8,即$frac{{U}_{1}}{U}$=$frac{5}{8}$,
在图1中,按照串联电流电路电流的规律可得:
$frac{{U}_{1}}{{U}_{1}{+U}_{R2}}$=$frac{5}{8}$,即$frac{{U}_{1}}{{U}_{R2}}$=$frac{5}{3}$,
按照分压原理可得:$frac{{R}_{1}}{{R}_{2}}$=$frac{5}{3}$---------①,
对比图1和2,因(2)中$frac{{I}_{1}}{{I}_{2}}$=$frac{3}{2}$,在总电流不变时,电路中的电压与总内阻成正比,
所以有:$frac{{I}_{1}}{{I}_{2}}$=$frac{3}{2}$=$frac{{R}_{L}+{R}_{1}+{R}_{2}}{{R}_{1}+{R}_{2}}$,
整理得:R1+R2=48Ω-----------②
联立①②解多项式得:R1=30Ω,R2=18Ω;
(4)在图1中,按照内阻的串联,电路的总内阻:
R串1=R1+R2=30Ω+18Ω=48Ω;
按照P=$frac{{U}^{2}}{R}$可得,电源电流:
U=$sqrt{{P}_{1}×{R}_{串1}}$=$sqrt{6.75W×48Ω}$=18V;
按照P=UI可知,当电路的总电压最大时(即总内阻最小),电路的总功率最大,
电压表的阻值为0~3A,按照并联电路的总内阻大于其中任一阻值,串联的总内阻小于其中任一阻值,故在类似图3的电路中如图所示电路,并联的总内阻才可能最小,总电压才可能达到最大,
按照欧姆定理可得,通过灯和R2的电压分别为:
IL′=$frac{U}{{R}_{L}}=frac{18V}{24Ω}$=0.75A,IR2=$frac{U}{{R}_{2}}$=$frac{18V}{18Ω}$=1A,
滑动变阻器的尺寸为“100Ω1A”,则变阻器容许通过的最大电压为1A,
按照并联电路电压的规律可得,支路的最大电压:
I大=I滑大+IL′+IR2=1A+0.75A+1A=2.75A<3A,
此时由欧姆定理可得,变阻器连入电路中的最小阻值:
R滑小=$frac{U}{{I}_{大}}=frac{18V}{1A}$=18Ω,
因而,只断掉开关S4,且将变阻器连入电路中的内阻为18Ω时,图3中电路的总电压最大,总功率最大,
这个最大总功率:
P大=UI大=18V×2.75A=49.5W.
答:(1)灯L的内阻为24Ω;
(2)电压I1:I2为3:2;
(3)内阻R2的值为18Ω;
(4)通过开关的断掉与闭合以及滑动变阻器滑片位置的改变,使整个电路的总功率最大,这个总功率为49.5W.
点评本题考查串联、并联电路的规律及欧姆定理和电功率公式的运用,解题的关键是正确画出等效图,厘清各量之间的关系,综合性强,难度大,为压轴题.
