Question

8．某實驗臺上有：電源、“30Ω 0.5A”的滑動變阻器，10Ω的定值電阻R、未知電阻R₁、標有“3.8V”的小燈泡、電流表、電壓表各一個，開關、導線若干．選擇其中的器材可以完成下列電學實驗：

（一）探究電流與電壓的關系
（1）請將圖甲的電路連接完整．
（2）若電源電壓為6V，甲圖中定值電阻R兩端電壓的調節(jié)范圍應該為1.5V～3V．
（二）測量定值電阻R_x的阻值
（1）測量定值電阻阻值的原理是R=$\frac{U}{I}$．
（2）為了減小測量的誤差，采取的方法是多次測量取平均值．
（3）若電流表或電壓表只選擇其中的一個，電源電壓未知，下列設計的電路中，不經過重新拆裝電路不能測出待測電阻的是C．

（三）測量小燈泡的額定功率
（1）將甲圖中的電阻R換成“3.8V”的小燈泡，必須改變電壓表的量程．
（2）閉合開關后，當滑動變阻器的滑片P向B（選填“A”、“B”）端移動，燈泡L逐漸變亮，在燈泡逐漸變亮的過程中，電壓表示數(shù)與電流表示數(shù)的比值在增大（選填“增大”或“減小”）．
（3）當小燈泡兩端電壓表的示數(shù)為3.8V時，電流表示數(shù)如圖乙所示，則小燈泡的額定功率為1.216W．
（4）若電源電壓未知，小紅設計了不用電壓表就能測量“3.8V”小燈泡的額定功率的電路圖，如圖丙所示，但她不能確定已知電阻R和燈泡L的位置，請你幫她完成電路的設計．

Answer 1

分析 （一）（1）探究電流與電壓的關系實驗中，要控制電阻的大小不變，改變電壓的大小，記下電流隨電壓的變化，所以電壓表應并聯(lián)在定值電阻的兩端，電流表與定值電阻串聯(lián)，變阻器接線柱按一上一下的原則串聯(lián)接入電路中；
（2）根據電壓表選用的量程確定電壓的最大值；根據歐姆定律求出電路中的最小電流，再確定電壓表允許的最小值；
（二）（1）測量定值電阻的原理是歐姆定律；
（2）多次測量取平均值可減小誤差；
（3）根據串聯(lián)電路電壓和電流規(guī)律結合歐姆定律，分別對四個選項分析，確定不拆接能測量電阻大小的選項，據此作答；
（三）（1）根據燈的額定電壓確定電壓表的量程；
（2）要使燈變亮，應增大通過燈的電流，根據歐姆定律確定滑片移動的方向；根據歐姆定律和影響電阻大小的因素回答；
（3）根據圖乙電流表小量程讀數(shù)，根據P=UI求燈的額定功率；
（4）要測定額定電壓為3.8V燈泡的電功率，首先使燈正常發(fā)光．在沒有電壓表的情況下，電流表和定值電阻應起到電壓表測量電壓的作用，所以應將定值電阻與電流串聯(lián)后再與燈并聯(lián)，據此作答．

解答 解：（1）將電阻與電流表串聯(lián)起來，變阻器右下接線柱連入電路中與電阻串聯(lián)，電壓表并聯(lián)在電阻的兩端，如下圖1所示：


（2）因電壓表選用小量程，所以R兩端的最大電壓為3V；當變阻器連入電路中的電阻最大時，電路中的電流最小，定值電阻的電壓最小，電路的最大總電阻R_總=R+R_滑=10Ω+30Ω=40Ω，電路的最小電流為
I_小=$\frac{U}{{R}_{總}}=\frac{6V}{40Ω}$=0.15A，電壓表最小示數(shù)為U_小=I_小×R=0.15A×10Ω=1.5V，所以若電源電壓為6V，甲圖中定值電阻R兩端電壓的調節(jié)范圍應該為1.5V-3V；
（二）（1）測電阻的實驗原理為R=$\frac{U}{I}$；
（2）定值電阻的大小不變，為提高測量的準確程度，要多次測量取平均值來減小誤差；
（3）A選項，當滑片移至左端時，電壓表示數(shù)即為電源電壓U；當滑片移動到最右端時，變阻器的最大阻值為
R₀=30Ω，此時R₁與串聯(lián)R₀，記下電壓表的示數(shù)U₁，根據串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，R₀的電壓為U-U₁，通過其的電流大小I=$\frac{U{-U}_{1}}{30Ω}$，由串聯(lián)電路電流的特點，則被測電阻的大小R₁=$\frac{{U}_{1}}{I}=\frac{{U}_{1}}{\frac{U{-U}_{1}}{30Ω}}=\frac{{U}_{1}}{U{-U}_{1}}$×30Ω，不經過重新拆裝電路就能測出待測電阻大小，不符合題意；
B選項，當開關閉合時，定值電阻R被短路，記下此時電流表的示數(shù)為I₁，當斷開開關時，定值電阻R與R₁串聯(lián)，記下此時電流表示數(shù)I₂，因電源電壓保持不變，所以I₁×R=I₂（R₁+R），所以R₁=$\frac{{I}_{2}}{{I}_{1}{-I}_{2}}×$×10Ω，不符合題意；
C選項，只能測出R₁的電壓，無法求出電路中的電流大小，不經過重新拆裝電路不能測出待測電阻的大小，符合題意；
D選項，將變阻器的滑片移動到最右端時，變阻器連入電路中的電阻最大，R₁與30Ω的電阻串聯(lián)，記下電流表的示數(shù)為I₁；當滑片移動到最左端時，變阻器連入電路中的電阻為0，此時電路中只有R₁接入電路中，記下此時電流表的示數(shù)I₂；
根據電源電壓不變，則I₁（R₁+R）=I₂R₁，R₁=$\frac{{I}_{1}}{{I}_{2}{-I}_{1}}$×30Ω，不符合題意．
故答案選C．
（三）（1）因燈的額定電壓為3.8V大于3V，所以應更換電壓表量程；
（2）要使燈變亮，應增大電路中的電流大小，根據歐姆定律要減小電路中的電阻大小，所以，滑片向B端移動；根據歐姆定律，電壓表示數(shù)與電流表示數(shù)的比值即為燈的電阻大小，因燈變亮，即燈的實際功率變大，燈絲的溫度升高，根據燈絲的電阻隨溫度的升高而增大，所以燈絲的電阻增大，即電壓表示數(shù)與電流表示數(shù)的比值增大；
（3）圖乙中電流表小量程分度值為0.02A，示數(shù)為0.32A，燈的額定功率P=UI=3.8V×0.32A=1.216W；
（4）要測定額定電壓為3.8V燈泡的電功率，應使燈正常發(fā)光．在沒有電壓表的情況下，電流表和定值電阻應起到測量電壓的作用，應將定值電阻與電流串聯(lián)后再與燈并聯(lián)，如下圖2所示：

步驟：當只閉合S、S₁時，通過移動滑片，使電流表示數(shù)為I=$\frac{{U}_{額}}{R}=\frac{3.8V}{10Ω}$=0.38A時，定值電阻的電壓一定為3.8V，根據并聯(lián)電路電壓的規(guī)律，燈的電壓為U_L=3.8V，燈正常發(fā)光；
保持滑片位置不動，再斷開S₁，閉合S₂，電路的連接關系沒有改變，各用電器的電壓沒有改變，燈仍正常工作，記下此時電流表的示數(shù)I_LR，因通過定值電阻的電流大小不變，由并聯(lián)電路電流的規(guī)律，通過燈的電流
I_L=I_LR-0.38A，根據P_L=U_LI_L可求燈的額定功率．
故答案為：（一）（1）如上圖1所示；
（2）1.5-3；
（二）（1）R=$\frac{U}{I}$；
（2）多次測量取平均值；
（3）C；
（三）（1）電壓；
（2）B；增大；
（3）1.216；
（4）如上圖2所示．

點評 本題涉及電學中的三個重要實驗，考查電路的連接、對定值電阻電壓的要求、實驗原理、數(shù)據處理方法、影響電阻大小的因素、額定功率的計算，在沒有電壓表的情況設計實驗測電阻的能力及測定額定功率的能力，綜合性強，難度大．