Question

1．在做“电流通过导体时产生的热量与什么因素有关”的实验时，小雨用如图甲、乙所示的实验装置分别接入同一电路中进行试验，其中A，B，C，D四个透明的容器汇总密闭了等量的空气，橡胶管将密闭空气盒和装有红色液体的U形玻璃管相连．

（1）实验中通过观察U形管中液面高度变化情况来比较电流通过电阻丝产生的热量的多少．
（2）甲装置将两电阻丝串联的目的是使电流相等．实验表明，在电流相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多，乙装置可以用来研究电流通过导体时产生的热量与电流的关系．
（3）通电一段时间后，小雨发现乙装置与D容器相连的U型管中液面仍然是相平的，她用电压表分别测量C，D容器上两接线柱的电压，发现第一次电压表指针有较大偏转，第二次较小，则装置出现该现象的原因可能是D容器上两接线柱短路．
（4）清除故障后，在实验的过程中，可以发现A，B，C，D四个透明的容器中，C容器中空气温度上升较快．

Answer 1

分析 （1）本实验中，电流通过电阻丝产生热量，被空气吸收，空气的温度升高；是通过U形管中液面高度变化情况反应电流产生热量的多少；电流产生的热量越多、空气吸收的热量越多、液面高度变化越大；
（2）串联电路中各处的电流相等，又知甲图中两容器内电阻的大小关系，用控制变量法分析解答；
并联电路干路电流等于各支路电流之和，所以干路电流大于支路电流，据此分析乙图中两容器内电流的大小关系，运用控制变量法分析解答；
（3）根据U形管液柱的变化情况和电压表示数的变化判断电路的故障原因；
（4）已知电源电压相同，根据题意分别计算出甲乙两图中的电流大小，再根据焦耳定律Q=IRt比较相同时间内产生热量的多少．

解答 解：（1）本实验是通过观察U形管中液面高度变化情况来判断电流产生的热量的多少，液面高度变化越大，电流产生的热量越多；
（2）在甲图中，两电阻串联的目的是为了使通过的电流相等；B电阻大于A电阻，B电阻产生的热量多，故可以得出结论：在电流相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多；
在乙图中，右则容器的外部，将一个电阻和这个容器内的电阻并联，这样使左容器中的电阻在干路，右容器中的电阻在支路，干路电流大于支路电流，所以左则容器中电阻的电流大于右则容器中电阻的电流；在通电时间相同的情况下，可探究电流通过导题产生的热量与电流的关系；
（3）实验过程中，与D容器相连的U型管中液面仍然是相平的，说明电阻没有产生热量；用电压表测量C容器上量接线柱时，偏转较大，测量D容器上两接线柱时针偏转较小，由串联电路的分压原理可知，D容器中的电阻几乎没有电压，所以是D容器的两接线柱短路；
（4）由P=UI，I=$\frac{U}{R}$得，电阻的发热功率为：P=I²R；
甲、乙所示的实验装置分别接入同一电路中，所以电源电压U相同，设R=5Ω；
图甲中总电阻为R₁=R+2R=3R，电路中的电流为I₁=$\frac{U}{3R}$；
A中电阻的发热功率为：P_A=I${\;}_{A}^{2}$R_A=（$\frac{U}{3R}$）²R=$\frac{{U}^{2}}{9R}$；
B中电阻的发热功率为：P_B=I${\;}_{A}^{2}$IR_B=（$\frac{U}{3R}$）²×2R=$\frac{2{U}^{2}}{9R}$；
图乙中两个5Ω的电阻并联后的电阻为：R_D=$\frac{1}{2}$R，
总电阻为R₂=R+$\frac{1}{2}$R=1.5R，
电路中的电流为I₂=$\frac{U}{1.5{R}_{\;}}$；
C中电阻的发热功率为：P_C=I${\;}_{2}^{2}$R_C=（$\frac{U}{1.5R}$）²R=$\frac{4{U}^{2}}{9R}$；
D中电阻的发热功率为：P_D=I${\;}_{2}^{2}$R_D=（$\frac{U}{1.5R}$）²×$\frac{1}{2}$R=$\frac{2{U}^{2}}{9}$；
所以，四个容器中C电阻的发热功率最大，容器中空气温度升高的最快．
故答案为：（1）U形管中液面高度变化情况；（2）使电流相等；电流；电流；（4）C．

点评 本题主要考查了学生对焦耳定律探究实验、串并联电路的电阻关系、电流关系的了解和掌握；正确理解和合理运用控制变量法是解答此题的关键．