Question

12．在“測小燈泡電功率”的實驗中，選用如圖甲所示的器材，其中電源電壓為 6V，小燈泡額定電壓為2.5V（燈絲電阻約為 12Ω ）．

（1）為能順利完成該實驗探究，下列兩種規(guī)格的滑動變阻器應(yīng)選用B（選填“A”或“B”）．
A，“10Ω  1A”B，“20Ω  0.5A”
（2）用畫筆線代替導(dǎo)線，將圖甲所示的實物電路連接完整（使滑片向 A 端滑動燈泡變暗）．
（3）閉合開關(guān)前，應(yīng)將圖甲中的滑動變阻器的滑片滑到A（選填“A”或“B”）端．
（4）閉合開關(guān)后，移動滑動變阻器的滑片，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不發(fā)光，電壓表有示數(shù)，電流表無示數(shù)，若電路只有一處故障，則故障原因是燈泡斷路．
（5）排除故障后，閉合開關(guān)，移動滑片，發(fā)現(xiàn)電壓表的示數(shù)如圖乙所示，其讀數(shù)是2.2V；為了測量小燈泡的額定功率，應(yīng)將滑動變阻器的滑片向B（選填“A”或“B”）端移動．
（6）通過小燈泡的電流隨它兩端電壓變化的關(guān)系如圖丙所示．分析圖象可知：
①該小燈泡正常發(fā)光時的電阻是12.5Ω，額定功率為0.5W．
②小燈泡燈絲的電阻是變化的，主要是受溫度變化的影響．
（7）完成上述實驗后，小亮還想測另一個U_額=3.8V 的小燈泡的額定功率，他發(fā)現(xiàn)電流表已壞，于是
向老師借了一個單刀雙擲開關(guān)和已知阻值的定值電阻R₀，借助部分現(xiàn)有的實驗器材，設(shè)計了如圖丁所示的電路，測出了小燈泡的額定功率．請你幫他完成實驗步驟：
①連接電路，閉合開關(guān)S₁，單刀雙擲開關(guān)S₂ 接2，移動滑片，使電壓表示數(shù)為3.8V．
②保持滑片的位置不動，再將單刀雙擲開關(guān)S₂撥到觸點1，讀出電壓表示數(shù)為U．
③小燈泡的額定功率表達式P_額=U_額×$\frac{U{-U}_{額}}{{R}_{0}}$．（用物理符號表示）

Answer 1

分析 （1）由小燈泡額定電壓為2.5V（燈絲電阻約為 12Ω ），由歐姆定律，求燈正常工作時的電流大小，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，求出燈正常發(fā)光時變阻器分去的電壓，再由歐姆定律求變阻器連入電路中的電阻大小，綜合電阻大小和允許通過的電流大小，確定變阻器的規(guī)格；
（2）根據(jù)小燈泡額定電壓為2.5V確定電壓表量程與燈并聯(lián)，因要求滑片向 A 端滑動燈泡變暗，即電流變小，變阻器連入電路中電阻變大，確定變阻器接線柱的連接；
（3）閉合開關(guān)前，為保護電路，應(yīng)將圖甲中的滑動變阻器的滑片移動到阻值最大處；
（4）閉合開關(guān)后，移動滑動變阻器的滑片，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不發(fā)光，電流表無示數(shù)，說明燈可能斷路；電壓表有示數(shù)，說明與電壓表并聯(lián)的燈之外的電路是連通的，若電路只有一處故障，則故障原因是與電壓表并聯(lián)的燈斷路了；
（5）閉合開關(guān)，移動滑片，由圖乙電壓表小量程讀數(shù)，因燈在額定電壓下正常發(fā)光，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律及分壓原理確定滑動變阻器的滑片移動的方向；
（6）①根據(jù)小燈泡的電流隨它兩端電壓變化的關(guān)系，找出額定電壓下通過燈的電流，根據(jù)歐姆定律及P=UI分別求燈正常發(fā)光的電阻和額定功率；
②小燈泡燈絲的電阻是變化的，主要是受溫度變化的影響；
（7）要測量小燈泡的額定功率，首先移動變阻器的滑片，使燈泡兩端的電壓等于3.8V，燈正常發(fā)光，保持滑片的位置不動；
通過開關(guān)的轉(zhuǎn)換，用電壓表測出燈與定值電阻兩端的電壓，因在開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中，電路的連接沒有改變，滑動變阻器滑片位置不變，各用電器的電阻、電壓不變，燈仍正常發(fā)光，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，求出定值電阻的電壓，由歐姆定律，求出通過定值電阻的電流，即燈泡正常發(fā)光時的電流，根據(jù)P=UI寫出燈泡的額定電功率的表達式．

解答 解：（1）其中電源電壓為 6V，小燈泡額定電壓為2.5V（燈絲電阻約為 12Ω ），根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，燈正常發(fā)光時變阻器分去的電壓U_變=U-U_L=6V-2.5V=3.5V，由歐姆定律，燈正常工作時的電流I=$\frac{{U}_{L}}{R}$=$\frac{2.5V}{12Ω}$≈0.21A＜0.5A，
所以變阻器連入電路中的電阻大小R_滑=$\frac{{U}_{變}}{I}$=$\frac{3.5V}{\frac{2.5V}{12Ω}}$=16.8Ω＞10Ω，綜合電阻大小和允許通過的電流大小，選用“20Ω 0.5A”的變阻器，即B；
（2）小燈泡額定電壓為2.5V，所以電壓表選用小量程與燈并聯(lián)，要求滑片向A端滑動燈泡變暗，即電流變小，變阻器連入電路中電阻變大，故應(yīng)將變阻器滑片以右電阻絲連入電路中，如下所示：

（3）閉合開關(guān)前，應(yīng)將圖甲中的滑動變阻器的滑片移動到阻值最大處，即滑到A端；
（4）經(jīng)分析，閉合開關(guān)后，移動滑動變阻器的滑片，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不發(fā)光，電壓表有示數(shù)，電流表無示數(shù)，若電路只有一處故障，則故障原因是燈泡斷路；
（5）排除故障后，閉合開關(guān)，移動滑片，發(fā)現(xiàn)電壓表的示數(shù)如圖乙所示，分度值為0.1V，其讀數(shù)是2.2V；燈在額定電壓下正常發(fā)光，為了測量小燈泡的額定功率，應(yīng)增大燈的電壓，由串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，要減小變阻分得的電壓，根據(jù)分壓原理，應(yīng)減小變阻器連入電路中的電阻大小，應(yīng)將滑動變阻器的滑片向B端移動；
（6）通過小燈泡的電流隨它兩端電壓變化的關(guān)系如圖丙所示，分析圖象可知：
①該小燈泡正常發(fā)光時的電壓為2.5V，對應(yīng)的電流為0.2A，電阻R=$\frac{U}{I}=\frac{2.5V}{0.2A}$=12.5Ω，
額定功率為 P=UI=2.5V×0.2A=0.5W；
②小燈泡燈絲的電阻是變化的，主要是受溫度變化的影響．
（7）①根據(jù)電路圖連接電路，閉合開關(guān)S₁、S₂接2，調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，使電壓表示數(shù)為3.8V．
②保持滑動變阻器滑片位置不變，S₂接1，讀出電壓表示數(shù)U．
③在開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程中，電路的連接沒有改變，滑動變阻器滑片位置不變，各用電器的電阻、電壓不變，燈仍正常發(fā)光，在第2次操作中，電壓表測燈與R₀的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，R₀的電壓U_R0=U-U_額，由歐姆定律，
通過定值電阻的電流I_R0=$\frac{U{-U}_{額}}{{R}_{0}}$，由串聯(lián)電路電流的規(guī)律即為燈正常發(fā)光時的電流大小，
燈泡額定功率：P=U_額I_R0=U_額×$\frac{U{-U}_{額}}{{R}_{0}}$．
故答案為：（1）B；
（2）如所所示；
（3）A；
（4）燈泡斷路；
（5）2.2；B；
（6）12.5；0.5；
（7）①3.8；
②再將開關(guān)S₂撥到觸點1；③U_額×$\frac{U{-U}_{額}}{{R}_{0}}$．

點評 本題測小燈泡電功率，考查器材的選擇、電路的連接、實驗注事項、操作過程、電阻和額定功率的計算、影響電阻的因素及設(shè)計實驗方案的能力，綜合性強，有一定難度．