Question

18．實驗室電源電壓為6V，要測量小燈泡的額定功率，某同學(xué)選擇一個額定電壓為2.5V，電阻大約為10Ω左右的小燈泡，并畫出了電路圖（圖甲）
（1）若按照該同學(xué)設(shè)計的電路圖進行實驗，實驗室里有最大阻值是10Ω和50Ω的滑動變阻器，你認為應(yīng)該選擇最大阻值為50Ω的滑動變阻器；
（2）將圖乙中的滑動變阻器和電壓表（選用合適的量程）接入電路；
（3）在實驗器材選擇無誤，電路連接正確的情況下，閉合開關(guān)，燈泡不亮，但電壓表和電流表都有示數(shù)，按照圖乙的連接圖判斷，要讓燈泡發(fā)光，你的操作是將滑動變阻器滑片向左（左或右）滑動；
（4）調(diào)整電路正常后開始實驗，在調(diào)節(jié)滑動變阻器的過程中，燈泡突然熄滅，電流表突然變得無示數(shù)，電壓表的示數(shù)是6V，你判斷故障可能是小燈泡斷路；
（5）為進一步確定小燈泡亮度與電壓的關(guān)系，做了多次實驗，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪出了小燈泡的U-I圖象（如圖丙所示）．請根據(jù)圖象信息計算出小燈泡的額定功率是0.5W．
（6）經(jīng)過多次測量和比較，發(fā)現(xiàn)小燈泡的電阻不是一個定值，其可能的原因是小燈泡的電阻隨溫度的變化而變化，正常發(fā)光是的電阻是12.5Ω．
（7）小明鐵鍋內(nèi)學(xué)實驗器材中少了電流表，但多了一只單刀雙擲開關(guān)和已知阻值定值電阻R₀，其他器材與其他組相同，小明利用這些器材按如下電路圖仍然測出了電功率．
①開關(guān)與觸點2接通，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電壓表示數(shù)為U_額=2.5V．
②適當閉合或斷開開關(guān)，滑動變阻器滑片不到（保持不動或移動），開關(guān)與觸點1接通，觀察電壓表的示數(shù)為U
③則小燈泡的額定功率為2.5V×$\frac{U-2.5V}{{R}_{0}}$．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律求出變阻器分得的電壓，由分壓原理求出變阻器連入電路中的電阻大小確定變阻器的規(guī)格；
（2）根據(jù)燈的額定電壓確定電壓表選用的量程與燈并聯(lián)，變阻器按一下一上接入電路中；
（3）閉合開關(guān)，燈泡不亮，可能是斷路或短路或燈的實際功率過小，但電壓表和電流表都有示數(shù)，說明電路為通路，電表均正常，因連接電路時，將變阻器的最大電阻連入電路中，據(jù)此分析；
（4）若電流表無示數(shù)為0，燈熄滅，說明電路可能斷路；電壓表示數(shù)接近電源電壓，說明電壓表與電源連通，則與電壓表并聯(lián)的支路以外的電路是完好的，則與電壓表并聯(lián)的燈泡斷路了；
（5）燈在額定電壓下的功率為額定功率，根據(jù)圖中找到額定電壓下的電流，根據(jù)P=UI求燈的額定功率；
（6）小燈泡的電阻隨溫度的變化而變化，燈在額定電壓下正常發(fā)光，由歐姆定律求燈正常發(fā)光的電阻；
（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2.5V，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）電源電壓為6V，燈正常發(fā)光時，變阻器分得的電壓為：
U_滑=U-U_額=6V-2.5V=3.5V，變阻器的電壓是燈的電壓的$\frac{3.5V}{2.5V}$=1.4倍，小燈泡電阻大約為10Ω，根據(jù)分壓原理，變阻器連入電路中的電阻約為：
R_滑=1.4×10Ω=14Ω＞10Ω，故選用至少最大阻值為50Ω的滑動變阻器；
（2）燈的額定電壓為2.5V，電壓表選用小量程與燈并聯(lián)，變阻器按一下一上接入電路與燈串聯(lián)，如下所示：

（3）在實驗器材選擇無誤，電路連接正確的情況下，閉合開關(guān)，燈泡不亮，但電壓表和電流表都有示數(shù)，說明電路為通路，電表均正常，因連接電路時，將變阻器的最大電阻連入電路中，故此時電路中的電流過小，燈的實際功率過小，燈不發(fā)光，按照圖乙的連接圖判斷，要讓燈泡發(fā)光，應(yīng)增大電路中的電流，操作是將滑動變阻器滑片向左滑動；
（4）調(diào)整電路正常后開始實驗，在調(diào)節(jié)滑動變阻器的過程中，燈泡突然熄滅，電流表突然變得無示數(shù)，電壓表的示數(shù)是6V，你判斷故障可能是：燈絲燒斷了；
（5）由繪出了小燈泡的U-I圖象（如圖丙所示），當燈的電壓為2.5V時，對應(yīng)的電流為0.2--小燈泡的額定功率是：
P=UI=2.5V×0.2A=0.5W；
（6）因燈絲的電阻隨溫度的升高而增大，故小燈泡的電阻不是一個定值，由（3）數(shù)據(jù)，根據(jù)歐姆定律，正常發(fā)光是的電阻是：
R=$\frac{U}{I}=\frac{2.5V}{0.2A}$=12.5Ω；
（7）開關(guān)與觸點2接通，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電壓表示數(shù)為U_額=2.5V．
②適當閉合或斷開開關(guān)，滑動變阻器滑片不動，開關(guān)與觸點1接通，觀察電壓表的示數(shù)為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×$\frac{U{-U}_{額}}{{R}_{0}}$=2.5V×$\frac{U-2.5V}{{R}_{0}}$．
故答案為：（1）50；
（2）如上所示；
（3）左；
（4）小燈泡斷路；
（5）0.5；
（6）小燈泡的電阻隨溫度的變化而變化； 12.5；
（7）①2；    ②不動；  1；③2.5V×$\frac{U-2.5V}{{R}_{0}}$．

點評 本題測量小燈泡的額定功率，考查器材的選擇、電路的連接、反常現(xiàn)象的分析、故障的分析、額定功率的計算、影響電阻大小的因素及設(shè)計實驗方案測電功率的能力，難度較大．