Question

10．在測量小燈泡的電功率的實驗中，小燈泡的額定電流為0.3A，燈絲阻值在10Ω～15Ω之間．所提供的器材有：電流表、電壓表、電源（電壓恒為6V）、開關(guān)各一個，滑動變阻器（50Ω  1A）一個，導(dǎo)線若干

（1）如圖甲所示是小明沒有連接完的實物電路，請用筆畫線代替導(dǎo)線將實物圖補充完整．
（2）閉合開關(guān)前，甲圖中的滑片P應(yīng)位于右（選填“左”或“右”）端；閉合開關(guān)無論怎樣移動變阻器滑片P，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不亮，電壓表有示數(shù)，電流表無示數(shù)，原因可能是燈泡斷路（寫出一種即可）．
（3）排除故障，閉合開關(guān)，移動滑片，當(dāng)電流表的示數(shù)為0.3A時，電壓表的示數(shù)如圖乙所示，讀數(shù)為4V，小燈泡的額定功率為1.2W．
（4）小紅沒用電壓表，但多用了一個開關(guān)，其它器材與小明的相同，也測出了小燈泡的額定功率．她設(shè)計了如圖丙所示電路圖，請你幫她完成實驗步驟并寫出測定額定功率的表達式． 實驗步驟：
①按圖連接電路； 然后只閉合開關(guān)S₁，移動滑片P，使電流表的示數(shù)為0.3A；
②再閉合開關(guān)S₂，滑片P位置不動 （填：“動”或“不動”），記下電流表示數(shù)為I；
③小燈泡的額定功率的表達式：P_額=I_e²（$\frac{U}{{I}_{e}}$-$\frac{U}{I}$）．（可能用到的物理量有：電源電壓U、燈泡的額定電流I_e、滑動變阻器的最大阻值R₀、實驗中測得的I）
（5）小亮利用該電路探究電流跟電阻的關(guān)系，他將小燈泡換成多個定值電阻R，保持電壓表示數(shù)始終為2V，多次更換阻值不同的定值電阻R，并記錄各次電流表的示數(shù)，若不更換其他器材，為了能夠完成實驗，更換的電阻阻值不能夠大于25Ω．

Answer 1

分析 （1）由電路圖可知，電壓表連線不完整，根據(jù)題意確定電壓表量程，電壓表應(yīng)與燈泡并聯(lián)．
（2）在連接電路時，為防止電路中電流過大，開關(guān)應(yīng)斷開，滑動變阻器的滑片應(yīng)滑到電阻最大位置；
小燈泡不亮，原因有二：斷路或短路．具體故障根據(jù)電流表或電壓表示數(shù)確定；
（3）由圖乙確定電壓表量程與分度值，讀出電壓表示數(shù)，然后由電功率公式P=UI求出燈泡的功率．
（4）燈泡與滑動變阻器串聯(lián)，根據(jù)額定電流，首先用變阻器調(diào)節(jié)使燈泡正常發(fā)光，然后將變阻器單獨接入電路，保持其阻值不變，根據(jù)電源電壓和電流表的示數(shù)計算出變阻器的阻值，從而可計算出燈泡正常發(fā)光時的電壓，由P=UI得出燈泡的額定功率表達式．
（5）根據(jù)電壓表的示數(shù)；結(jié)合串聯(lián)電路的電阻與電壓的關(guān)系，并結(jié)合滑動變阻器的最大阻值解答．

解答 解：（1）燈泡額定電流為0.3A，燈絲阻值在10Ω～15Ω之間，則燈泡額定電壓U=IR在3V～4.5V間，電壓表應(yīng)選0～15V量程，電壓表與燈泡并聯(lián)，電路圖如圖1所示：

（2）在連接電路時，為防止電路中電流過大，開關(guān)應(yīng)斷開，滑動變阻器的滑片應(yīng)滑到電阻最大位置，即最右端位置；
閉合開關(guān)，燈泡不亮，可能是燈泡短路或電路存在斷路造成的，電流表無示數(shù)，說明電路存在斷路；電壓表有示數(shù)，說明電壓表與電源相連通，測量電源電壓，則與電壓表并聯(lián)的燈絲斷了，電壓表串聯(lián)在電路中，即燈泡斷路．
（3）電壓表量程是0～15V，由圖乙可知，電壓表分度值是0.5V，電壓表示數(shù)是4V，燈泡額定功率P=UI=4V×0.3A=1.2W；
（4）首先，只閉合開關(guān)S₁，移動滑片P，使電流表的示數(shù)為0.3A，此時燈泡正常發(fā)光；
再閉合開關(guān)S₂，不移動滑片P位置，記下電流表示數(shù)為I，則此時滑動變阻器的阻值R_滑=$\frac{U}{I}$；
則燈泡正常發(fā)光時滑動變阻器兩端的電壓U_滑=I_eR_滑=$\frac{U{I}_{e}}{I}$，燈泡的額定電壓U_額=U-U_滑=U-$\frac{U{I}_{e}}{I}$，則燈泡的額定功率：
P_額=U_額I_額=（U-$\frac{U{I}_{e}}{I}$，）I_e=I_e²（$\frac{U}{{I}_{e}}$-$\frac{U}{I}$）．
（5）在探究電流跟電阻的關(guān)系的實驗中，保持電阻兩端的電壓為2V不變，則根據(jù)串聯(lián)電路的電流相同的特點得：
I_定值=I_滑動，
即：$\frac{{U}_{定值}}{{R}_{定值}}$=$\frac{U-{U}_{定值}}{{R}_{滑動}}$，
$\frac{2V}{{R}_{定值}}$=$\frac{6V-2V}{{R}_{滑動}}$，
故R_定值=$\frac{1}{2}$R_滑動，
因為R_滑動≤50Ω，所以R_定值=$\frac{1}{2}$R_滑動≤$\frac{1}{2}$×50Ω=25Ω．
故答案為：（1）見上圖；（2）右；燈泡斷路；（3）4；1.2；（4）①0.3A；②不動；③I_e²（$\frac{U}{{I}_{e}}$-$\frac{U}{I}$）；（5）25．

點評 本題考查了連接電路圖、實驗器材的選擇、電壓表讀數(shù)、求燈泡功率、實驗電路圖及實驗步驟的設(shè)計等問題，（4）問設(shè)計實驗電路、實驗步驟難度較大，是本題的難點．