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高考申論題 105年 [汽車工程] 電工學

第 一 題

📖 題組:
如圖一所示的電路中,設電源的內電阻(R0)為 0,請依序回答下列問題(請計算到小數點第二位):
題組圖片
📝 此題為申論題,共 6 小題

小題 (一)

試求開關 S2在閉合前、後電路中的電流 I、I1、I2及電源的端電壓;當 S2閉合時,I1是否被分去一些電流?(10 分)

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本題考查並聯電路的基本特性與理想電源的概念。解題時應先確認電源內阻為0,這意味著無論並聯多少負載,端電壓皆保持恆定。接著利用功率公式 P=VI 計算各支路電流,並透過 KCL 求得總電流,最後以『端電壓不變』的物理解釋來回答電流是否發生變化。

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【解題關鍵】在理想電源(內阻為0)的並聯電路中,各支路端電壓恆等於電源電壓,且各並聯支路電流獨立,互不影響。 【解答】 計算:

小題 (二)

如果電源的內阻 R0不能忽略不計,則閉合 S2時,60 W 電燈中的電流是否會有所變動?(4 分)

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考慮電源內阻時,電路應視為內阻與負載電阻的串聯分壓模型。閉合開關會改變外接負載的總並聯等效電阻,進而影響電路總電流與電源內阻的壓降,可利用 KVL 及歐姆定律推導出負載端電壓的變化,據此判斷個別支路電流的增減。

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【解題思路】利用歐姆定律與克希荷夫電壓定律(KVL)分析並聯負載接入後總等效電阻的變化,推導出總電流與負載端電壓的變動關係,進而判斷 60W 電燈的電流變化。 【詳解】 已知:

小題 (三)

計算 60 W 和 100 W 電燈在 110 V 電壓下作用時的電阻,那一個電阻比較大(需寫下計算過程)?(4 分)

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看到求電燈電阻的問題,應立即聯想電功率公式 P = V^2 / R。透過移項得到 R = V^2 / P,將題目給定的額定電壓與額定功率代入即可求得各別的電阻值,並依據題目要求計算至小數點第二位。

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【解題關鍵】利用電功率公式 ( P = \frac{V^2}{R} ),移項推導出電阻公式 ( R = \frac{V^2}{P} ) 進行計算。 【解答】 已知兩盞電燈的工作電壓 ( V = 110\text{ V} ),額定功率分別為 ( P_1 = 60\text{ W} ) 與 ( P_2 = 100\text{ W} )。

小題 (四)

100 W 的電燈每秒鐘會消耗多少電能?(2 分)

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本題測驗電功率與電能的基本定義。只要理解功率的單位瓦特 (W) 即為焦耳每秒 (J/s),並利用公式 W = P × t 即可直接求得答案。最後記得依題目指示將數值標示至小數點第二位。

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【解題關鍵】功率定義與電能計算公式 W = P × t,且 1 W = 1 J/s。 【解答】 已知條件:電燈的功率 P = 100 W,運作時間 t = 1 s。

小題 (五)

設電源的額定功率為 125 kW,端電壓為 110 V,當只接上一個 110 V,60 W 的電燈時,電燈會不會被燒毀掉?(2 分)

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判斷電器是否燒毀的關鍵在於其兩端『實際承受的電壓』是否超過『額定電壓』。考生應釐清『電源額定功率』僅代表電源供電能力的上限,實際輸出的功率是由負載(電燈)的需求所決定,電源不會將全部額定功率強行灌入單一負載。

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【解題思路】判斷電器是否燒毀,需確認其實際承受電壓是否超過額定電壓,並釐清電源容量與負載消耗的物理關係。 【詳解】 一、實際承受電壓分析:

小題 (六)

如果將 S1及 S2閉合時,後果會如何呢?電燈的燈絲是否會被燒斷?(3 分)

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觀察電路圖可發現,開關 S1 直接並聯於電源與負載之間。當 S1 閉合時會造成電源直接短路,應運用歐姆定律及分流原理解釋短路電流的走向與負載端電壓變化,進而判斷燈絲是否受損以及保護元件(NFB)的連鎖動作。

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【解題思路】利用電路的短路特性與並聯分流原理解決開關閉合後的電流分配與電壓變化問題。 【詳解】

  1. 電路狀態分析

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