Question

11．在實(shí)際生活中電池本身是有電阻的，因此，實(shí)際的電池可以等效為一個(gè)理想電源（電壓U恒定，電阻為0）與一個(gè)電阻r的串聯(lián)（圖甲所示）．在如圖乙所示電路中，合上開(kāi)關(guān)S，變阻器的滑片從A端滑到B端的過(guò)程中，請(qǐng)你完成：
（1）推導(dǎo)出滑動(dòng)變阻器的功率P_R跟電流表示數(shù)I之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式；
（2）若滑動(dòng)變阻器的最大值為R₀且R₀＞r，利用（1）推導(dǎo)出的表達(dá)式在圖丙中定性畫出P_R-I圖象．要求寫出分析過(guò)程．

Answer 1

分析 （1）由圖滑動(dòng)變阻器與電池內(nèi)阻串聯(lián)，根據(jù)歐姆定律計(jì)算出電池內(nèi)阻兩端的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點(diǎn)求出滑動(dòng)變阻器兩端的電壓，根據(jù)P=UI表示出滑動(dòng)變阻器消耗的電功率；
（2）根據(jù)P_R與I的表達(dá)式求出的最大值的坐標(biāo)，畫出圖象．

解答 解：（1）由圖滑動(dòng)變阻器R與電池內(nèi)阻r串聯(lián)，設(shè)電路中電流為I，
由I=$\frac{U}{R}$可得，電池內(nèi)阻兩端電壓：
U_r=Ir，
因串聯(lián)電路中總電壓等于各分電壓之和，
所以，R兩端電壓：
U_R=U-U_r=U-Ir，
則滑動(dòng)變阻器的功率：
P_R=U_RI=（U-Ir）I=UI-I²r；
（2）由（1）P_R=UI-I²r=-rI²+UI
此表達(dá)式看成P_R與I的二次函數(shù)，二次項(xiàng)系數(shù)為-r，所以P_R有最大值，
當(dāng)I=-$\frac{U}{2×（-r）}$=$\frac{U}{2r}$時(shí)，即R=r時(shí)，P_R有最大值，
最大值P_R=$\frac{4×（-r）×0-{U}^{2}}{4×（-r）}$=$\frac{{U}^{2}}{4r}$．
當(dāng)R最大時(shí)，總電阻最大，電流中電流最小，I_最小=$\frac{U}{R+r}$，
此時(shí)R的功率：P_R′=I_最小²R=（$\frac{U}{R+r}$）²×R=$\frac{{U}^{2}R}{（R+r）^{2}}$，
圖象如圖所示：
．
答：（1）滑動(dòng)變阻器的電功率P_R與電流表示數(shù)I之間關(guān)系的表達(dá)式為P_R=UI-I²r； 
（2）圖象及分析過(guò)程見(jiàn)上．

點(diǎn)評(píng) 本題考查串聯(lián)電路特點(diǎn)、歐姆定律和電功率公式應(yīng)用，關(guān)鍵是公式的推導(dǎo)，這就要求我們利用好二次函數(shù)，有一定難度．