初(17001)班教室里有一款饮水机,其工作电路可简化为如图甲所示的电路。S是温度控制开关,根据饮水机内水杯中水温的变化自动切换加热和保温两种工作状态,R1、R2是加热管的电阻(不考虑阻值受温度变化影响),它的部分技术参数如表所示、试回答下列问题:
(1)S闭合时,饮水机处于 工作状态。R2的阻值是 Ω。
(2)水杯中装满20℃水时,饮水机正常工作,加热多长时间可将水烧开?[水的比热容为4.2×103J/(kg•℃),当时气压设定为1标准大气压,不考虑热损失]
(3)最近一次使用时,加热管R1损坏了,物理兴趣小组的同学们利用电位器(相当于滑动变阻器,以下称为变阻器)设计了如图乙所示的电路来控制加热管R2的发热功率,在老师的指导下进行模拟实验,将滑片从变阻器的一端滑到另一端的过程中,同学们通过实验测量,得出变阻器消耗的电功率P随电流I关系的图象如图丙所示,则:
①求R2的发热功率范围。
②变阻器的最大功率多大?
③简述:这种设计方案有什么不妥之处(指出一种合理的不妥情况即可)。
(1)加热;55;
(2)加热224s可将水烧开;
(3)①R2的发热功率范围为13.75W~880W;
②变阻器的最大功率为220W;
③因变阻器与R2串联,若其中任一电阻损坏,将导致整个电路不能工作(或变阻器产生的热量没有被利用)。
【解析】
(1)S闭合时,两电阻并联,S断开时,为R1的简单电路,由并联电路小于其中任一电阻,根据P=可知,S闭合时,饮水机处于加热工作状态,功率为900W;
S断开时,饮水机处于保温工作状态,功率为20W;
根据并联电路各支路互不影响,故加热时R2的功率为:P2=900W﹣20W=880W,
R2==
=55Ω。
(2)一标标准大气压水的沸点为100℃,水杯中装满20℃水加热到沸点吸热:
Q吸=cm(t﹣t0)=4.2×103J/(kg•℃)×0.6kg×(100℃﹣20℃)=2.016×105J,
不考虑热损失,消耗的电能W=Q吸=2.016×105J,
由P=得,将水烧开的时间:
t′==
=224s;
(3)①变阻器与R2串联,当变阻器连入电路的电阻为0时,
R2的电压为220V,其最大功率为880W;
当变阻器最大电阻连入电路中时,由图知电路的最小电流为0.5A,R2的最小功率为:
P 2小=I小2 R2=(0.5A)2×55Ω=13.75W;
R2的发热功率范围为13.75W~880W;
②变阻器的功率:P变=I2R变=()2×R变=
=
,
当R变=R2时,变阻器的最大功率为:
变阻器的最大功率:P变大==
=220W;
③因变阻器与R2串联,若其中任一电阻损坏,将导致整个电路不能工作(或变阻器产生的热量没有被利用)。
如图所示,将底面积为0.02m2的长方体实心铝块放在刻度面板已改装好的台秤上稳定时,台秤示数为27N,已知铝的密度为2.7×103kg/m3.求:
(1)铝块对水平台秤的压强。
(2)如果再把铝块完全浸没在水中静止时,受到的浮力。
(1)铝块对水平台秤的压强为1350Pa。
(2)如果再把铝块完全浸没在水中静止时,受到的浮力为10N。
【解析】
(1)由题意可知铝块的重力为G=27N,
铝块对水平台秤的压力:F=G=27N,
铝块对水平台秤的压强为:p==
=1350Pa;
(2)由G=mg得,铝块的质量为:
m==
=2.7kg,
根据ρ=可得,实心铝块的体积为:
V==
=1×10﹣3m3,
铝块完全浸没在水中静止时受到的浮力为:
F浮=ρ水gV排=ρ水gV=1.0×103kg/m3×10N/kg×1×10﹣3m3=10N。
如图所示,用一个动滑轮使重10N的物体在5s内匀速升高0.2m,绳子自由端所用的拉力F为6N.求:
(1)绳子自由端移动的速度。
(2)拉力F做的功。
(1)绳子自由端移动的速度为0.08m/s;
(2)拉力F做的功为2.4J。
【解析】
(1)由图知,n=2,当物体升高0.2m时,绳子的自由端移动距离s=2h=2×0.2m=0.4m,
绳子自由端移动的速度:
v==
=0.08m/s;
(2)拉力F做的功:
W=Fs=6N×0.4m=2.4J。
在“测量小灯泡的电功率”实验中,同学们设计了如图甲所示的电路、其中电源由3节干电池组成,小灯泡额定电压为2.5V,滑动变阻器的规格为“50Ω 2A”,电流表和电压表都是学生实验用普通电表且已选择好合适量程。
(1)连接电路时,开关应断开,并将滑片移至滑动变限器的最 端(选填“左”或“右”)。
(2)闭合开关后,发现小灯泡不亮,电流表和电压表都有示数,电路 (选填“有”或“没有”)故障。
(3)某次实验测量中,电压表示数如图乙所示,要使小灯泡正常发光,应将滑片向 (选填“左”或“右”)移动,直至小灯泡正常发光,记下电流表的示数I1和电压表的示数U1。
(4)他们想进一步了解发光二极管的发光情况,于是把电路恢复实验前状态,将小灯泡换成二极管,闭合开关,移动滑片使二极管发光亮度与小灯泡正常发光亮度相当时,记下电流表的示数I2和电压表的示数U2,则U2I2 U1I1(选填“>”、“<”或“=”)。
(1)左;(2)没有;(3)右;(4)<。
【解析】(1)连接电路时,开关应断开,并将滑片移至滑动变限器的阻值最大处,即最左端;
(2)闭合开关后,电流表和电压表都有示数,则电路为通路,发现小灯泡不亮,说明电路中的电流过小,变阻器连入电路的电阻较大,电路没有故障。
(3)灯在额定电压下正常发光,如图乙中电压选用小量程,分度值为0.1V,示数为1.8V,小于灯的额定电压2.5V,应增大灯的电压,根据串联电路电压的规律,应减小变阻器的电压,由分压原理,应减小变阻器连入电路中的电阻大小,故滑片向右移动,直到电压表示数为额定电压,小灯泡正常发光,记下电流表的示数I1和电压表的示数U1;
(4)发光二极管将电能转换成光能的效率更高,功率相同时,发光二极管更亮,故移动滑片使二极管发光亮度与小灯泡正常发光亮度相当时,记下电流表的示数I2和电压表的示数U2,根据P=UI,则U2I2<U1I1;
小李同学为进一步探究液体沸腾规律,设计了如图所示的实验装置。烧杯与试管内分别装入适量的水,甲、乙温度计分别测量烧杯和试管中水的温度。
(1)安装该实验装置的顺序是 (选填“自上而下”或“自下而上”)。
(2)点燃酒精灯时,打开灯帽,可闻到淡淡的酒精味,这是 现象,说明液态酒精发生 (填物态变化名称)。
(3)当甲温度计的示数达到99℃时,烧杯中的水开始沸腾,说明当时大气压可能 (选填“高于”、“低于”或“等于”)1标准大气压。
(4)当乙温度计示数达到99℃后,示数保持不变,但试管中的水始终没有沸腾,其原因是 。
(5)当小李同学在烧杯的水中加入少量的食盐后,发现试管中的水能够沸腾,说明加入食盐后水的沸点 (选填“升高”、“降低”或“不变”)。
(1)自下而上;(2)扩散;汽化;(3)低于;(4)试管的水达到沸点后不能继续吸热;(5)升高。
【解析】(1)酒精灯需用外焰加热,所以要放好酒精灯,再固定铁圈的高度;温度计的玻璃泡要全部浸没到液体中,但不能碰到容器壁和容器底,所以放好烧杯后,再调节温度计的高度;故安装实验器材时,应按照自下而上的顺序进行;
(2)打开酒精灯帽,可闻到淡淡的酒精味,是酒精分子不停地做无规则运动扩散到空气中;
液态酒精中分子进入空气中变为气态,这个过程是汽化;
(3)水的沸点跟气压有关,实验中测出的水的沸点小于100℃,说明当时的大气压低于1个标准大气压;
(4)当试管中的水与烧杯中的水均达到沸点后,烧杯中的水可以从酒精灯继续吸热,能够沸腾。由于温度相同,试管中的水无法从烧杯的水中继续吸热,因此试管中的水最终不会沸腾;
(5)在烧杯的水中加入少量的食盐后,发现试管中的水能够沸腾,说明烧杯中水的沸点高于99℃,即加入食盐后,水的沸点升高。
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