Question

18．在“測定小燈泡的電功率”的實驗中，選用如圖甲所示的電路，其中電源電壓為6V，小燈泡的額定電壓為2.5V（燈絲電阻約為12Ω）．

（1）為了能夠順利完成實驗探究，下列兩種規(guī)格的滑動變阻器應選用B
A．“10Ω  0.5A”的滑動變阻器  B．“50Ω  0.5A”的滑動變阻器
（2）用筆畫線代替導線，將圖所示的實物電路連接完整．
（3）閉合開關前，應將滑動變阻器的滑片滑動A（選填“A”或“B”）端．
（4）閉合開關后，移動滑動變阻器的滑片，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不發(fā)光，電壓表有示數(shù)，電流表無示數(shù)，若電路中只有一處故障，則故障原因可能是小燈泡斷路．
（5）排除故障后，閉合開關，移動滑片，電壓表的示數(shù)如圖乙所示，其讀數(shù)是2.2V；為了測量小燈泡的額定功率，應將滑動變阻器的滑片向B選填“A”或“B”）端移動．
（6）根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)，繪制出小燈泡的電流隨它兩端電壓變化的關系圖象（如圖丙所示）．分析圖象可知：
①小燈泡的額定功率為0.625W．
②小燈泡燈絲電阻是變化的，主要是受溫度變化的影響．
③實驗中觀察到：當小燈泡兩端的電壓低于0.5V時，小燈泡不發(fā)光，根據(jù)圖象分析其原因是小燈泡的實際功率太小，達不到發(fā)光功率．
（7）完成上述實驗后，小明在缺少電壓表的情況下，根據(jù)繪制出的小燈泡電流與電壓關系圖象，設計出了一個測未知定值電阻的電路，如圖丁所示．請根據(jù)電路圖寫出測量的實驗步驟：
①開關S₁閉合，S₂斷開，調節(jié)滑動變阻器的滑片至電流表的示數(shù)為0.25A；
②開關S₁斷開，S₂閉合，保持滑動變阻器滑片不動，讀出電流表示數(shù)I；
 表達式：R_x=$\frac{2.5V}{I-0.25A}$（用測量的物理量表示）．

Answer 1

分析 （1）由串聯(lián)電路特點和歐姆定律計算燈泡正常發(fā)光時變阻器連入的阻值，從而確定變阻器的規(guī)格；
（2）由（1）知小燈泡的額定電流，進而選擇電流表的量程，電流表要串聯(lián)在電路中；
（3）閉合開關前，為了保護電路，滑動變阻器的滑片應位于阻值最大處；
（4）小燈泡不亮，電流表無示數(shù)，說明電路中有斷路，再根據(jù)電壓表的示數(shù)判斷出電路故障；
（5）電壓表測燈泡電壓，讀出電壓表示數(shù)，根據(jù)串聯(lián)電路特點和歐姆定律判斷滑動變阻器的滑片移動方向；
（6）①由圖象讀出燈泡電壓為2.5V時的電流，由P=UI計算其額定功率；
②燈泡的燈絲會隨溫度的變化而改變，這是造成電流與電壓不成正比的原因．
③小燈泡的亮度是由實際功率決定的，實際功率越大，燈泡越亮；
（7）要測量未知定值電阻，需測量出未知定值電阻的電壓和電流，應用并聯(lián)電路特點與歐姆定律求出通過未知定值電阻的電流，
然后應用歐姆定律的變形公式R=$\frac{U}{I}$計算電阻，結合電路圖確定實驗步驟．

解答 解：（1）測量小燈泡的電功率實驗中，小燈泡與滑動變阻器串聯(lián)，電壓表測燈泡兩端電壓，電流表測電路中電流；
由題知燈泡正常發(fā)光時電路中電流約為：I=$\frac{{U}_{L}}{{R}_{L}}$=$\frac{2.5V}{12Ω}$≈0.21A，
滑動變阻器兩端的電壓U_滑=U-U_L=6V-2.5V=3.5V，
由歐姆定律得，此時變阻器連入阻值：
R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{I}$=$\frac{3.5V}{0.21A}$≈16.7Ω＞10Ω，
所以應選擇滑動變阻器的規(guī)格為50Ω 0.5A；
（2）由（1）可知，小燈泡的額定電流大約為0.21A＜0.6A，所以電流表選擇0～0.6A量程，
故將電流表的“0.6”接線柱與燈泡的左接線柱連接，如圖所示：

（3）閉合開關前，為了保護電路，滑動變阻器的滑片應位于阻值最大處，
由圖甲可知，應將滑動變阻器的滑片滑動A端．
（4）閉合開關后，移動滑動變阻器的滑片，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不發(fā)光，電流表無示數(shù)，說明電路中存在斷路；
電壓表有示數(shù)，電壓表兩接線柱與電源兩極相連通，由此說明與電壓表并聯(lián)的小燈泡斷路．
（5）由圖乙可知，電壓表選擇的量程為0～3V，分度值為0.1V，示數(shù)為2.2V，
由于此時電壓表的示數(shù)小于燈泡的額定電壓，要測量小燈泡的額定功率，應使小燈泡兩端的電壓增大到2.5V，滑動變阻器接入電路的電阻應減小，故應將滑動變阻器的滑片向B端移動．
（6）①由圖丙可知，當小燈泡兩端的電壓U=2.5V時，對應的電流I=0.25A，
則小燈泡的額定功率：P=UI=2.5V×0.25A=0.625W，
②圖線彎曲說明燈泡的電阻值是變化的，不是定值，這是因為電壓越大，通過燈的電流越大，燈泡的實際功率越大，燈絲溫度越高，電阻越大．
③當小燈泡兩端的電壓低于0.5V時，通過小燈泡的電流小于0.1A，根據(jù)P=UI可知，小燈泡的實際功率太小，達不到燈泡的發(fā)光功率．
（7）電阻的計算公式R=$\frac{U}{I}$，所以需要找出電阻兩端電壓，通過電阻的電流，結合圖丙和圖丁可得步驟如下：
①開關S₁閉合，S₂斷開，調節(jié)滑動變阻器的滑片至電流表的示數(shù)為0.25A；
②開關S₁斷開，S₂閉合，保持滑動變阻器滑片不動，讀出電流表示數(shù)I；
根據(jù)圖丙可知，當通過燈泡電流為0.25A時，燈泡兩端電壓U=2.5V，
根據(jù)并聯(lián)電壓規(guī)律可知，U_x=U_燈=2.5V，
當開關S₁斷開，S₂閉合時，電流表測總電流，根據(jù)并聯(lián)電流規(guī)律可知：I_x=I-0.25A，
由I=$\frac{U}{R}$得，未知定值電阻的阻值：Rx=$\frac{{U}_{x}}{{I}_{x}}$=$\frac{2.5V}{I-0.25A}$．
故答案為：（1）B；（2）見上圖；（3）A；（4）小燈泡斷路；（5）2.2；B；
（6）①0.625； ②溫度；③小燈泡實際功率過小，達不到發(fā)光功率；
（7）①開關S₁閉合，S₂斷開，調節(jié)滑動變阻器的滑片至電流表的示數(shù)為0.25A；
②開關S₁斷開，S₂閉合，保持滑動變阻器滑片不動，讀出電流表示數(shù)I；
 $\frac{2.5V}{I-0.25A}$．

點評 此題是測定小燈泡的電功率的實驗，考查了滑動變阻器的選擇、電路基本操作、電路連接、故障分析、電壓表讀數(shù)、電功率計算、實際功率、電路設計等知識點，涉及到的知識點很多，綜合性很強，尤其是第（7）問難度較大．