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15.如图所示,电源电压U=12V,R1为定值电阻,阻值为100Ω,R为滑动变阻器,R的最大阻值为50Ω,电流表量程为“0~0.6A”,电压表量程为“0~15V”,小灯泡上标有“6V 3W”字样,小灯泡的U-I关系如图所示,求:
(1)灯泡正常工作时通过灯丝的电流是多少?
(2)S闭合,S1、S2都断开时,调节滑动变阻器,当小灯泡两端的电压为4V时,滑动变阻器接入电路中的阻值为多大?
(3)S、S1、S2都闭合时,移动滑片P,当滑动变阻器接入电路的阻值为多少时,整个电路消耗的总功率最大?最大总功率是多少?

分析 (1)已知灯泡的额定电压和额定功率,利用公式I=$\frac{P}{U}$得到正常工作时通过灯泡的电流;
(2)S闭合,S1、S2都断开时,滑动变阻器与灯泡串联,由图象可知此时通过电路的电流,已知电源电压和灯泡两端电压,可以得到滑动变阻器两端电压;已知滑动变阻器两端电压和通过的电流,利用公式R=$\frac{U}{I}$得到滑动变阻器接入电路的电阻;
(3)S、S1、S2都闭合时,定值电阻R1与滑动变阻器并联,电流表通过的最大电流为0.6A;已知电源电压和电路最大电流,利用公式P=UI得到电路最大总功率;
已知定值电阻R1两端电压和电阻值,可以得到通过R1的电流;已知电流表允许通过的最大电流和通过定值电阻的电流,可以得到允许通过滑动变阻器的最大电流;已知滑动变阻器两端电压和允许通过的最大电流,利用公式R=$\frac{U}{I}$得到滑动变阻器接入电路的电阻.

解答 解:(1)由P=UI得灯泡正常工作时通过灯丝的电流为:
I正常=$\frac{{P}_{额}}{{U}_{额}}$=$\frac{3W}{6V}$=0.5A;
(2)S闭合,S1、S2都断开时,滑动变阻器与灯泡串联,
当小灯泡两端的电压为4V时,由图象可知,此时电路中的电流I=0.4A,
根据串联电路的总电压等于各电阻两端的电压之和可得,滑动变阻器两端电压:
U=U-UL=12V-4V=8V,
由I=$\frac{U}{R}$得滑动变阻器接入电路的阻值:R=$\frac{{U}_{串}}{I}$=$\frac{8V}{0.4A}$=20Ω;
(3)S、S1、S2都闭合时,定值电阻R1与滑动变阻器并联,电流表通过的最大电流为0.6A,
电路消耗的最大总功率为:P最大=UI最大=12V×0.6A=7.2W,
通过定值电阻R1的电流为:I1=$\frac{U}{{R}_{1}}$=$\frac{12V}{100Ω}$=0.12A,
通过滑动变阻器的最大电流为:I=I最大-I1=0.6A-0.12A=0.48A,
由I=$\frac{U}{R}$得滑动变阻器接入电路的最小阻值为:R=$\frac{U}{{I}_{并}}$=$\frac{12V}{0.48A}$=25Ω.
答:(1)灯泡正常工作时通过灯丝的电流为0.5A;
(2)滑动变阻器接入电路的阻值为20Ω;
(3)当滑动变阻器接入电路的阻值为25Ω时,整个电路消耗的总功率最大,最大总功率是7.2W.

点评 此题考查了电路连接关系的识别、串并联电路的特点、欧姆定律以及电功率的计算和根据图象获得有用信息,是电学典型的综合题,考查全面,难度较大,需要熟练掌握电路特点、计算公式和规律.

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