Question

17．如圖是小明設計的測量一小燈泡額定功率的電路圖．已知定值電阻R₀=15Ω，滑動變阻器R（20Ω  1A），電源電壓為18V，小燈泡的額定電壓為6V、額定功率約為3W．

（1）小明正確連接電路后，進行實驗．小燈泡正常發(fā)光時，電流表的指針如圖所示，通過小燈泡的電流為0.48A，小燈泡的額定功率為2.88W，此時燈泡的電阻是12.5Ω．
（2）電路中定值電阻R₀的作用是：分壓，能夠完成對燈泡額定功率的測量．
（3）小明完成上述實驗后，小紅發(fā)觀電流表已壞，她利剩余器材和老師又給的兩個開關S₁、S₂及導線，也完成了對小燈泡額定功率的測量．
①請你在虛線框內畫出小紅完成實驗設計的電路圖．
②寫出兩個主要的實驗步驟：閉合開關S、S₁，移動滑片使電壓表示數(shù)等于燈泡額定電壓6V，使燈泡正常發(fā)光；保持滑片位置不變，斷開開關S₁，閉合開關S₂，讀出電壓表示數(shù)U．
③小燈泡額定功率表達式為P_額=$\frac{6V×（U-6V）}{{R}_{0}}$．
（4）完成電路，拆除電路時，首先要斷開開關．

Answer 1

分析 （1）燈泡正常發(fā)光時的電壓和額定電壓相等，根據(jù)P=UI求出燈泡額定電流的大約值確定電流表的量程，根據(jù)分度值讀出電流表的示數(shù)，利用P=UI求出燈泡的額定功率，根據(jù)歐姆定律求出此時燈泡的電阻；
（2）若電路中沒有R₀，則根據(jù)串聯(lián)電路的分壓特點可知當燈泡正常工作時滑動變阻器兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律求出滑動變阻器接入電路的電阻，再與滑動變阻器的最大阻值相比較，即可得出定值電阻R₀的作用；
（3）電流表已損壞，只有電壓表，使已知電阻R₀與燈泡串聯(lián)，間接求燈泡正常工作時的電流．滑動變阻器與燈泡串聯(lián)，先使電壓表測燈泡兩端的電壓，調節(jié)滑動變阻器使燈泡正常工作，再通過開關的閉合、斷開用電壓表測出燈泡和定值電阻兩端的總電壓，根據(jù)串聯(lián)電路的電壓特點求出定值電阻兩端的電壓，根據(jù)歐姆定律求出電路中的電流，即為通過燈泡的額定電流，根據(jù)P=UI計算燈泡額定功率；
（4）為了防止短路的發(fā)生，在連接和拆除電路時，開關應是斷開的．

解答 解：（1）燈泡正常發(fā)光時的電壓U_L=6V，
由P=UI可得，燈泡的額定電流大約為I=$\frac{P}{{U}_{L}}$=$\frac{3W}{6V}$=0.5A，
則電流表的量程為0～0.6A，分度值為0.02A，電流表A的示數(shù)I_L=0.48A，
燈泡的額定功率P=U_LI_L=6V×0.48A=2.88W，
由I=$\frac{U}{R}$可得，此時燈泡的電阻R_L=$\frac{{U}_{L}}{{R}_{L}}$=$\frac{6V}{0.48A}$=12.5Ω；
（2）燈泡正常工作時，滑動變阻器電壓為：U_滑=U-U_L=18V-6V=12V，
滑動變阻器電阻為R=$\frac{{U}_{滑}}{{I}_{L}}$=$\frac{12V}{0.48A}$=25Ω＞20Ω（滑動變阻器最大電阻）
滑動變阻器電阻太小，為了測燈泡額定功率，需要至少串聯(lián)一個5Ω的電阻分擔電壓，
所以，電路中定值電阻R₀起分擔電壓作用，完成對燈泡額定功率的測量．
（3）①燈泡與已知電阻、滑動變阻器串聯(lián)，電壓表與開關S₁、S₂的連接如下圖所示：

②閉合開關S、S₁，移動滑片使電壓表示數(shù)等于燈泡額定電壓6V，使燈泡正常發(fā)光；
保持滑片位置不變，斷開開關S₁，閉合開關S₂，讀出電壓表示數(shù)U；
③電阻R₀兩端電壓U₀=U-U_L=U-6V，
電路電流I=$\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}}$=$\frac{U-6V}{{R}_{0}}$，
燈泡的額定功率P_L=U_LI=6V×$\frac{U-6V}{{R}_{0}}$=$\frac{6V×（U-6V）}{{R}_{0}}$；
（4）完成電路，拆除電路時，首先要斷開開關．
故答案為：
（1）0.48；2.88；12.5；
（2）分壓，能夠完成對燈泡額定功率的測量；
（3）①電路圖如上圖所示；
②閉合開關S、S₁，移動滑片使電壓表示數(shù)等于燈泡額定電壓6V，使燈泡正常發(fā)光；
保持滑片位置不變，斷開開關S₁，閉合開關S₂，讀出電壓表示數(shù)U；
③$\frac{6V×（U-6V）}{{R}_{0}}$；
（4）斷開開關．

點評 本題主要考查學生對電學知識的綜合應用，尤其是實驗設計，這是重點也是難點，在設計實驗時可參考一下：
（1）沒有電壓表，利用定值電阻和電流表以及其他元件測量電阻的阻值時，一般設計成并聯(lián)電路，找電壓相等列等式求出被測電阻；
（2）沒有電流表，利用電壓表和定值電阻以及其他元件測量電阻的阻值時，一般設計成串聯(lián)電路，找電流相等列等式求出被測電阻．