Question

韓超同學學完電學知識后，用如圖所示的裝置進行物理知識的新探究，他將器材連接好后，保持電源電壓不變，閉合開關改變滑動變阻器的滑片位置，進行了兩次實驗，并把實驗數據記錄在下表中（g=10N/kg）．

實驗 次數	鉤碼的質量m（g）	鉤碼升高的高度h（m）	鉤碼上升的時間t（s）	電流表 示數I（A）	電壓表 示數U（V）	滑動變阻器滑片位置
1	100	1.0	3.6	0.20	3.0	中點
2	100	1.0	8.0	0.15	1.5	最右端

請你參加韓超同學的研究，解答下列問題：
（1）在實驗過程中，發生了哪些形式的能量轉化（指出其中的兩種）
（2）計算第一次實驗中，電動機將電能轉化為機械能的效率是多少（不計繩重及繩與滑輪之間的摩擦）
（3）求電源電壓及滑動變阻器的最大阻值．
（4）第二次實驗中，滑動變阻器消耗的電能是多少？

Answer 1

【答案】分析：（1）電動機轉動需要消耗電能，將鉤碼提起而對鉤碼做功，轉化為鉤碼的機械能；由于電流的熱效應，給線圈通電后會放出熱量，將電能轉化為內能．
（2）電動機將鉤碼提起而對鉤碼做功，轉化為鉤碼的機械能，根據公式W_有=Gh=mgh計算出鉤碼的機械能；再根據公式W_總=UIt計算出電動機消耗的電能；再根據公式η=計算出電動機的效率．
（3）在第一次實驗中，電源電壓U=U_電機+U_滑=U_電機+I₁R_滑；在第二次實驗中，電源電壓U=U_電機′+U_滑′=U_電機+I₂R_滑．根據電源電壓不變組成方程式，計算出電源電壓和滑動變阻器的最大阻值．
（4）根據公式W=I²R_滑t計算出第二次實驗中滑動變阻器消耗的電能．
解答：解：（1）電動機將鉤碼提起而對鉤碼做功，電能轉化為鉤碼的機械能；線圈通電后會放出熱量，將電能轉化為內能．
故答案為：電能轉化為機械能；電能轉化為內能
（2）第一次實驗中，鉤碼的機械能（即電動機做的有用功）
W_有=Gh=mgh=0.1kg×10N/kg×1m=1J
電動機消耗的電能
W_總=UIt=3V×0.2A×3.6s=2.16J
電動機將電能轉化為機械能的效率
η===46%
答：電動機將電能轉化為機械能的效率是46%．
（3）由串聯電路特點及歐母定律得，
滑片在中點時，電源電壓U=U_電機+U_滑=U_電機+I₁R_滑；
當滑片在最右端時，電源電壓U=U_電機′+U_滑′=U_電機+I₂R_滑．
因為電源電壓不變，
所以，U_電機+U_滑=U_電機+I₁R_滑=U_電機′+U_滑′=U_電機+I₂R_滑
3V+0.2A×R_滑=1.5V+0.15A×R_滑
解得：R_滑=30Ω   電源電壓U=6V
答：滑動變阻器的最大阻值30Ω；電源電壓為6V．
（4）在第二次實驗中，滑動變阻器消耗的電能
W=UIt=I²R_滑t=（0.15A）²×30Ω×8s=5.4J
答：第二次實驗中，滑動變阻器消耗的電能為5.4J．
點評：此題涉及的知識點比較多，有能量的轉化、電動機做的有用功和總功以及電動機的轉化效率、歐姆定律公式的熟練運用和電能的有關計算．是一道電學綜合計算題，對學生的能力要求較高，要求同學們熟練運用公式進行計算．