Question

如圖所示，由電動勢E=6V、內阻不計的蓄電池向電阻R₀=20Ω、額定電壓U₀=4.5V的燈泡供電．
（1）用滑線變阻器按照如圖方式向燈泡提供額定電壓．要使系統的效率η不低于0.6，問變阻器應承受的最大電流是多少？變阻器的阻值R是多少？（圖中R₁和R₂分別表示變阻器上半部分和下半部分的電阻）
（2）燈泡工作在額定電壓下系統的最大可能效率是多少？它們同適當選擇的變阻器應如何進行連接（畫出電路圖），才能取得最大效率？（注：系統的效率=燈泡消耗的功率/電源的總功率）

Answer 1

分析：（1）分析電路結構，根據η=

P燈

P總

及歐姆定律表示出η的表達式，得出電流與η的關系，得出什么時候電流取最大值，再根據歐姆定律求解電阻；
（2）根據電阻和效率的關系式及數學知識分析什么時候效率有最大值，從而求出最大值．

解答：解：（1）電路中的總電流強度：I=

U0

R0

+

U0

R2

，
系統的效率：η=

P燈

P總

=

U02 R0

EI

由于I 與η 成反比，所以η=0.6時有最大電流I₁，則：
I1=

U02

R0Eη

=

4.52

20×6×0.6

=0.281A
因為：I1=

U02

R0Eη

，E=I₁R₁+U₀
所以：R1=R0

E

U0

(

E

U0

-1)η=20×

6

4.5

×(

6

4.5

-1)×0.6=5.33Ω
因為：I1=

U0

R0

+

U0

R2

=

U02

R0Eη

所以：R2=

R0

U0 ηE -1

=

20

( 4.5 0.6×6 )

=80Ω
所以R=R₁+R₂=85.33Ω
（2）由于：R2=

R0

U0 ηE -1

，所以：η=

U0

E

1

1+ R0 R2

分析得：當R₂→∞時，系統有最大可能效率η_max
η_max=

U0

E

=0.75
R1=R0

E

U0

(

E

U0

-1)η_max
=20×

6

4.5

×(

6

4.5

-1)×0.75=6.7Ω
答：變阻器應承受的最大電流是0.281A，變阻器的阻值R是85.33Ω，燈泡工作在額定電壓下系統的最大可能效率是0.75，它們同上圖所示電路圖的變阻器R₁=6.7Ω連接才能取得最大效率．

點評：本題主要考查了歐姆定律、電功率公式的直接應用，要求同學們能正確認識電路的結構，并能結合數學知識求解，難度適中．