Question

9．物理課上，老師讓同學(xué)們測一個小燈泡的額定功率．已知小燈泡的額定電壓為2.5V，額定功率約為1.5W．老師準(zhǔn)備的器材有：一個蓄電池（電壓約為6V），一塊電流表（量程：0～0.6A，0～3A），三個開關(guān)，若干導(dǎo)線．另外，老師還提供以下可供選擇的器材：
A、定值電阻R₁（阻值：10Ω）；
B、定值電阻R₂（阻值：200Ω）；
C、滑動變阻器R_P1（銘牌：20Ω  1A）；
D、滑動變阻器R_P2（銘牌：50Ω  0.5A）；
請你幫助同學(xué)們設(shè)計一個實驗方案，測出小燈泡的額定功率（電路不可重組、不能忽略溫度對燈絲電阻的影響）．要求：
（1）為測出小燈泡的額定功率，除了選擇蓄電池、電流表、開關(guān)及導(dǎo)線外，還應(yīng)選擇的實驗器材有A、C；（填寫器材前面的字母序號）
（2）請在虛線框內(nèi)畫出你所設(shè)計的實驗電路圖；
（3）根據(jù)你所設(shè)計的電路，寫出主要實驗步驟和需測量的物理量；
（4）寫出額定功率P的數(shù)學(xué)表達(dá)式（用已知量和測量量表示）．

Answer 1

分析 （1）本題測小燈泡的額定功率，不能忽略溫度對燈絲電阻的影響，所以只能使燈在正常工作的狀態(tài)下測算有關(guān)的物理量．因沒有電壓表，電流表和定值電阻應(yīng)起到測量電壓的作用：首先將電流表與定值電阻串聯(lián)后再與燈并聯(lián)，最后將滑動變阻器串聯(lián)在干路上，移動變阻器的滑片，當(dāng)電流表示數(shù)為$\frac{2.5V}{R}$時，燈兩端的電壓一定為2.5V，燈一定正常發(fā)光，因電流表選用0-0.6A的量程，分度值為0.02A，由此確定定值電阻R的大小；
根據(jù)分壓原理，可確定變阻器的連入電路中的最小阻值，據(jù)此確定變阻器的規(guī)格；
（2）、（3）、（4）在（1）的基礎(chǔ)上，保持滑片位置不動，通過開關(guān)的轉(zhuǎn)換，使電流表再測出燈正常工作時通過燈與定值電阻的電流I，因電路的連接沒有改變，燈和定值電阻兩端的電壓都沒有改變，通過定值電阻的電流不變，所以可求出此時通過燈的電流，根據(jù)P_額=U_額I額可求出燈的額定功率．

解答 解：（1）燈正常工作時的電流約為I_L=$\frac{{P}_{L}}{{U}_{L}}=\frac{1.5W}{2.5V}$=0.6A，電流表選用小量程；燈正常工作時的電阻
約為R_L=$\frac{{U}_{L}}{{I}_{L}}=\frac{2.5V}{0.6A}$=4.17Ω．當(dāng)電流表示數(shù)為$\frac{2.5V}{R}$時，燈兩端的電壓一定為2.5V，燈一定正常發(fā)光，因電流表選用0-0.6A的量程，分度值為0.02A，若選用R₂，則這個支路電流大小為$\frac{2.5V}{200Ω}$，電流太小，電流表無法測量，所以只能選用R₁=10Ω的電阻，當(dāng)移動滑片電流表示數(shù)為$\frac{2.5V}{10Ω}$=0.25A時，與R₁并聯(lián)的燈兩端的電壓一定為2.5V，燈正常工作；
由題意，變阻器應(yīng)分去U_滑=6V-2.5V=3.5V的電壓，燈與定值電阻并聯(lián)的電阻R_LR=$\frac{10Ω×4.17Ω}{10Ω+4.17Ω}$=2.94Ω，根據(jù)分壓原理，$\frac{{U}_{滑}}{{U}_{L}}=\frac{{R}_{滑}}{{R}_{LP}}$，所以，變阻器連入電路中的阻值至少R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{{U}_{L}}$×R_LP=4.12Ω，所以變阻器選用C；
所以，為測出小燈泡的額定功率，選擇蓄電池、電流表、開關(guān)及導(dǎo)線外，還應(yīng)選擇的實驗器材有 A、C；
（2）根據(jù)以上分析可畫出符合要求的電路圖：

（3）①如上圖連接電路，只閉合S₁、S₂，移動變阻器的滑片，使電流表示數(shù)為0.25A；
②保持滑片的位置不動，斷開S₂、閉合S₃，記下此時電流表的示數(shù)I；
（4）在②中，因電路的連接關(guān)系沒有改變，用電器兩端的電壓沒有改變，通過定值電阻的電流仍為0.25A，根據(jù)并聯(lián)電路電流的特點，所以此時通過燈的電流I_L=I-0.25A，燈的額定電功率
P_L=U_L×I_L═2.5V×（I-0.25A）．
故答案為：（1）A、C；
（2）如上圖所示；
（3）①如上圖連接電路，只閉合S₁、S₂，移動變阻器的滑片，使電流表示數(shù)為0.25A；
②保持滑片的位置不動，斷開S₂、閉合S₃，記下此時電流表的示數(shù)I；
（4）2.5V×（I-0.25A）．

點評 本題測小燈泡的額定功率，考查器材的選擇設(shè)計實驗方案的能力，綜合性強，難度大，對能力要求較高．