Question

14．小明測量額定電壓為4V的小燈泡的額定功率，使用4.5V的電源．
（1）如圖甲所示，是他連接的實驗電路，其中有一根導線連接錯誤，請你在錯誤的導線上畫“×”．
（2）電路連接正確后，閉合開關，發(fā)現(xiàn)電流表無示數(shù)，電壓表有示數(shù)，燈不亮，故障可能是燈泡斷路．
（3）排除故障后小明將滑片移到某處，電壓表的示數(shù)為3V，要測量小燈泡額定功率，應將滑動變阻器滑片向左移動（選填“左”或“右”）．當小燈泡正常發(fā)光時，此時電流表的指針位置如圖乙所示，可得出小燈泡的額定功率為1.2W．
（4）小明完成實驗后，改變滑動變阻器的阻值，記錄電流表、電壓表的幾組示數(shù)，算出幾組電阻值，并把求出的平均值作為小燈泡正常發(fā)光的電阻．同組的小亮認為小明的方法是不正確的，原因是小燈泡的電阻隨溫度的變化而變化，不是一個定值．
（5）實驗中電流表不小心損壞了，小明找來了一個10Ω的定值電阻R和一個開關，利用圖丙所示的電路圖測出了小燈泡正常發(fā)光時的電阻，下面是他的實驗步驟，請你幫他補充完整．
①按電路圖連接好電路，閉合S₁斷開S₂，移動滑片使電壓表示數(shù)為4V；
②保持滑片位置不變，閉合S₂斷開S₁，用電壓表測出定值電阻R兩端電壓為U₀；
③計算出小燈泡正常發(fā)光時的電阻R_燈=$\frac{4.5V{-U}_{0}}{{U}_{0}}$×80Ω（用含U₀的代數(shù)式表示）．

Answer 1

分析 （1）分析電路的連接，找出錯誤；
（2）若電流表示數(shù)為0，燈不亮，說明電路可能斷路；電壓表有示數(shù)，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；
（3）燈在額定電壓正常發(fā)光，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律和分壓原理確定滑片移動的方向；根據(jù)電流表小量程讀數(shù)，根據(jù)P=UI求燈的額定功率；
（4）小燈泡的電阻隨溫度的變化而變化，不是一個定值；
（5）燈的電阻隨電壓的變化而變化，求小燈泡正常發(fā)光時的電阻，所以應先使燈正常發(fā)光．
通過開關的轉(zhuǎn)換，分別將燈與定值電阻連入電路中，先按電路圖丙連接好電路，閉合S₁斷開S₂，移動滑片使電壓表示數(shù)為4V，燈正常發(fā)光，由串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，可求出變阻器連入電路中的電阻的電壓；
保持滑片位置不變，閉合S₂斷開S₁，用電壓表測出定值電阻R兩端電壓為U₀；
根據(jù)串聯(lián)電路電壓、電流的規(guī)律和歐姆定律可求出變阻器連入電路中的電阻大小，因滑片位置不動，在第1次操作中，可由分壓原理求出燈正常發(fā)光時的電阻．

解答 解：（1）在原電路中，變阻器與燈泡并聯(lián)了，且電流表直接接在電源兩端了，這是錯誤的，變阻器應與燈串聯(lián)，電壓表應并聯(lián)在燈的兩端；錯誤連線如下圖所示：

（2）電流表無示數(shù)，燈不亮，說明電路可能斷路；電壓表有示數(shù)，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，所以故障可能是燈泡斷路了；
（3）排除故障后小明將滑片移到某處，電壓表的示數(shù)為3V，要測量小燈泡額定功率，應增大燈的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，應減少變阻器分得的電壓，根據(jù)分壓原理，要減小變阻器連入電路中的電阻，應將滑動變阻器滑片向左移動；
當小燈泡正常發(fā)光時，此時電流表的指針位置如圖乙，圖乙中電流表選用小量程，分度值為0.02A，示數(shù)為0.3A，小燈泡的額定功率為P=UI=4V×0.3A=1.2W．
（4）小燈泡的電阻隨溫度的變化而變化，不是一個定值，取平均值沒有意義；
（5）①按電路圖連接好電路，閉合S₁斷開S₂，移動滑片使電壓表示數(shù)為4V；
②保持滑片位置不變，閉合S₂斷開S₁，用電壓表測出定值電阻R兩端電壓為U₀；
③表達式的推導：
在第2次操作中，通過定值電阻的電流I=$\frac{{U}_{0}}{R}$，
由串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，變阻器的電壓為U_滑=4.5V-U₀，
由串聯(lián)電路電流的規(guī)律和歐姆定律可得，
變阻器連入電路中的電阻大小為R_滑=$\frac{4.5V{-U}_{0}}{I}$=$\frac{4.5V{-U}_{0}}{\frac{{U}_{0}}{R}}$-----①，
因滑片位置不動，在第1次測量中，U_燈=4V-----②
則此時變阻器的電壓為U_滑1=4.5V-4V=0.5V-----③，
根據(jù)分壓原理有：$\frac{{U}_{滑1}}{{U}_{燈}}=\frac{{R}_{滑}}{{R}_{燈}}$，R_燈=$\frac{{U}_{燈}}{{U}_{滑1}}$×R_滑 -----④
將①②③將代入④得：
R_燈=$\frac{4V}{0.5V}$×$\frac{4.5V{-U}_{0}}{\frac{{U}_{0}}{R}}$═$\frac{4.5V{-U}_{0}}{{U}_{0}}$×80Ω．
故答案為：（1）如上圖所示；
（2）燈泡斷路；
（3）左；1.2；
（4）小燈泡的電阻隨溫度的變化而變化，不是一個定值；
（5）①4；③$\frac{4.5V{-U}_{0}}{{U}_{0}}$×80．

點評 本題小明測量額定電壓為4V的小燈泡的額定功率，考查電路的連接、故障的分析、操作過程、影響電阻大小的因素，數(shù)據(jù)的處理及設計實驗方案的能力，難度較大．