6. (南京)如图所示,电源电压恒为4.5 V,定值电阻R₀的阻值为10 Ω,滑动变阻器的最大阻值为30 Ω,电阻箱Rₓ最大阻值为999.9 Ω,电流表量程为0~0.6 A,电压表量程为0~3 V。闭合开关S,下列说法中正确的是(
D
)

A.S₁、S₂均向左闭合,Rₓ允许接入电路的最大阻值为20 Ω
B.S₁、S₂均向右闭合,电路允许消耗的最大功率为2.7 W
C.S₁向左闭合、S₂向右闭合,Rₓ允许接入电路的最大阻值为60 Ω
D.S₁向右闭合、S₂向左闭合,调节Rₓ使电流表示数减半后,其阻值一定大于原来的2倍
解析:
【分析】
本题需要对每个选项对应的电路连接方式进行分析,结合串联、并联电路的规律,欧姆定律和电功率公式,结合电表量程限制,判断各选项的正误:
1. 分析选项A:S₁、S₂均向左闭合时,R₀被短路,Rₓ与滑动变阻器串联,电压表测Rₓ两端电压。根据电压表量程确定Rₓ的最大电压,结合串联电路分压规律和欧姆定律计算Rₓ的最大阻值,判断A是否正确。
2. 分析选项B:S₁、S₂均向右闭合时,Rₓ被短路,R₀与滑动变阻器串联,电压表测R₀两端电压。根据电压表量程确定电路最大电流,再利用P=UI计算电路最大电功率,判断B是否正确。
3. 分析选项C:S₁向左闭合、S₂向右闭合时,Rₓ、R₀与滑动变阻器串联,电压表测Rₓ和R₀的总电压。根据电压表量程确定总电压的最大值,结合串联电路分压规律和欧姆定律计算Rₓ的最大阻值,判断C是否正确。
4. 分析选项D:S₁向右闭合、S₂向左闭合时,Rₓ与R₀并联后再与滑动变阻器串联,电流表测干路电流。根据电流减半后总电阻的变化,结合并联电阻的规律,推导Rₓ的变化关系,判断D是否正确。
【解析】
逐一分析各选项:
选项A:S₁、S₂均向左闭合,R₀被短路,Rₓ与滑动变阻器串联,电压表测Rₓ两端电压(最大3V)。
滑动变阻器两端最小电压:$U_{\mathrm{滑}}=U-U_{\mathrm{max}}=4.5\,\mathrm{V}-3\,\mathrm{V}=1.5\,\mathrm{V}$,
当滑动变阻器接入最大阻值$30\,\Omega$时,电路电流最小,$I=\frac{U_{\mathrm{滑}}}{R_{\mathrm{滑大}}}=\frac{1.5\,\mathrm{V}}{30\,\Omega}=0.05\,\mathrm{A}$,
此时Rₓ的最大阻值:$R_{\mathrm{x大}}=\frac{U_{\mathrm{max}}}{I}=\frac{3\,\mathrm{V}}{0.05\,\mathrm{A}}=60\,\Omega$,并非20Ω,故A错误。
选项B:S₁、S₂均向右闭合,Rₓ被短路,R₀与滑动变阻器串联,电压表测R₀两端电压(最大3V)。
电路最大电流:$I_{\mathrm{max}}=\frac{U_{0\mathrm{max}}}{R_0}=\frac{3\,\mathrm{V}}{10\,\Omega}=0.3\,\mathrm{A}$(小于电流表量程0.6A),
电路允许的最大功率:$P_{\mathrm{max}}=UI_{\mathrm{max}}=4.5\,\mathrm{V}×0.3\,\mathrm{A}=1.35\,\mathrm{W}$,并非2.7W,故B错误。
选项C:S₁向左闭合、S₂向右闭合,Rₓ、R₀与滑动变阻器串联,电压表测Rₓ和R₀的总电压(最大3V),滑动变阻器两端电压$U_{\mathrm{滑}}=4.5\,\mathrm{V}-3\,\mathrm{V}=1.5\,\mathrm{V}$。
当滑动变阻器接入最大阻值$30\,\Omega$时,电路电流最小:$I=\frac{U_{\mathrm{滑}}}{R_{\mathrm{滑大}}}=\frac{1.5\,\mathrm{V}}{30\,\Omega}=0.05\,\mathrm{A}$,
Rₓ与R₀的总电阻:$R_{\mathrm{x}+0}=\frac{U_{\mathrm{x}+0\mathrm{max}}}{I}=\frac{3\,\mathrm{V}}{0.05\,\mathrm{A}}=60\,\Omega$,
则Rₓ的最大阻值:$R_{\mathrm{x大}}=R_{\mathrm{x}+0}-R_0=60\,\Omega-10\,\Omega=50\,\Omega$,并非60Ω,故C错误。
选项D:S₁向右闭合、S₂向左闭合,Rₓ与R₀并联后与滑动变阻器串联,电流表测干路电流。设滑动变阻器阻值为$R_{\mathrm{滑}}$,原来的干路电流为$I$,则总电阻$R_{\mathrm{总}}=\frac{U}{I}$;电流减半后$I'=\frac{I}{2}$,总电阻$R_{\mathrm{总}}'=\frac{U}{I'}=2R_{\mathrm{总}}$。
因为$R_{\mathrm{总}}=R_{\mathrm{并}}+R_{\mathrm{滑}}$,$R_{\mathrm{总}}'=R_{\mathrm{并}}'+R_{\mathrm{滑}}$,所以$R_{\mathrm{并}}'+R_{\mathrm{滑}}=2(R_{\mathrm{并}}+R_{\mathrm{滑}})$,即$R_{\mathrm{并}}'=2R_{\mathrm{并}}+R_{\mathrm{滑}}$。
由于$R_{\mathrm{滑}}>0$,则$R_{\mathrm{并}}'>2R_{\mathrm{并}}$。
并联电阻公式:$R_{\mathrm{并}}=\frac{R_{\mathrm{x}}R_0}{R_{\mathrm{x}}+R_0}$,$R_{\mathrm{并}}'=\frac{R_{\mathrm{x}}'R_0}{R_{\mathrm{x}}'+R_0}$,代入$R_{\mathrm{并}}'>2R_{\mathrm{并}}$推导可得:
$\frac{R_{\mathrm{x}}'R_0}{R_{\mathrm{x}}'+R_0}>2×\frac{R_{\mathrm{x}}R_0}{R_{\mathrm{x}}+R_0}$,约去$R_0$后整理得$R_{\mathrm{x}}'>2R_{\mathrm{x}}$,即调节Rₓ使电流表示数减半后,其阻值一定大于原来的2倍,故D正确。
【答案】
D
【知识点】
串并联电路规律、欧姆定律、电功率计算
【点评】
本题考查串并联电路的综合分析,需结合电表量程限制,灵活运用欧姆定律和电功率公式,关键是明确不同开关状态下的电路连接方式,对电路分析能力要求较高。
【难度系数】
0.6