Question

18．小明在測(cè)量小燈泡的額定功率時(shí)，用到的器材如圖所示．已知小燈泡的額定電壓為3.8V，電阻約為12Ω，電源電壓約為6V左右．可供使用的滑動(dòng)變阻器有兩個(gè)，規(guī)格分別為R₁“5Ω 1A”、R₂“20Ω 1A”．

（1）滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用R₂（R₁/R₂）．
（2）請(qǐng)用筆畫(huà)線(xiàn)代替導(dǎo)線(xiàn)，把圖中的實(shí)物連接成完整的測(cè)量電路．（要求滑動(dòng)變阻器的滑片向右移動(dòng)時(shí)燈變亮）
（3）連接完電路后，閉合開(kāi)關(guān)，發(fā)現(xiàn)燈泡不亮，電流表無(wú)示數(shù)，而電壓表有示數(shù)，且接近電源電壓，原因可能是燈泡斷路．
（4）如果電流表?yè)p壞不能正常使用，請(qǐng)利用題目中給定的器材（另外可再提供一只單刀雙擲開(kāi)關(guān)，符號(hào)）完成實(shí)驗(yàn)．
①請(qǐng)?jiān)诜娇騼?nèi)畫(huà)出你設(shè)計(jì)的電路圖；
②簡(jiǎn)述實(shí)驗(yàn)步驟（用相應(yīng)的字母表示測(cè)出的物理量）；
③寫(xiě)出小燈泡額定功率的表達(dá)式P_額=3.8V×$\frac{{U}_{2}-3.8V}{5Ω}$．（用已知量和測(cè)量量表示）

Answer 1

分析 （1）由歐姆定律求出燈正常發(fā)光時(shí)電流大小，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，求出變阻器分得的電壓，再由串聯(lián)電路電流的規(guī)律和歐姆定律求變阻器連入電路中的電阻，確定變阻的規(guī)格；．
（2）根據(jù)要求滑動(dòng)變阻器的滑片向右移動(dòng)時(shí)燈變亮，確定滑動(dòng)變阻器接線(xiàn)與電流串聯(lián)；根據(jù)燈的額定電壓確定電壓表量程與燈并聯(lián)；
（3）燈不亮，可能是燈斷路或短路，根據(jù)電流表無(wú)示數(shù)，電壓表示數(shù)接近電源電壓，分析判斷故障原因；
（4）在沒(méi)有電流表的情況下，已知最大電阻的變阻器R₁（作為一個(gè)定值電阻）和電壓表應(yīng)起到電流表的作用，最大電阻為5Ω的變阻器
R₁與燈串聯(lián)，再與變阻器R₂串聯(lián)，先使電壓表測(cè)燈的電壓，通過(guò)移動(dòng)R₂的滑片使電壓表示數(shù)為3.8V，燈正常發(fā)光；
保持R₂滑片位置不動(dòng)，通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換，再測(cè)燈與R₁的最大電阻連入電路時(shí)的電壓U₂，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律求出R₁的電壓，根據(jù)歐姆定律和串聯(lián)電路電流的規(guī)律，求出燈正常發(fā)光時(shí)的電流，根據(jù)P=UI得燈額定功率的表達(dá)式．

解答 解：（1）由題可知，小燈泡的額定電壓U_額=3.8V，小燈泡的電阻R_L=12Ω，
燈正常發(fā)光時(shí)的電流大小I_L=$\frac{{U}_{額}}{{R}_{L}}=\frac{3.8V}{12Ω}$≈0.32A；
小燈泡和滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，起分壓作用，燈正常發(fā)光時(shí)，
滑動(dòng)變阻器分得的電壓U_滑=U-U_額=6V-3.8V=2.2V，
變阻器連入電路中電阻R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{{I}_{L}}=\frac{2.2V}{0.32A}$=≈6.87Ω＞5Ω，燈正常發(fā)光時(shí)的電流大小I_L≈0.32A＜1A
故應(yīng)選擇R₂“20Ω  1A”；
（2）燈泡額定電壓為3.8V，電壓表應(yīng)選擇15V量程，電壓表并聯(lián)在燈泡兩端，要求滑動(dòng)變阻器的滑片向右移動(dòng)時(shí)燈變亮，即電流變大，電阻變小，應(yīng)將變阻器滑片右邊接線(xiàn)柱連入電路中，并與電流表串聯(lián)，如圖1所示：

（3）燈泡不亮，電流表無(wú)示數(shù)，說(shuō)明電路可能斷路；電壓表示數(shù)接近電源電壓，說(shuō)明電壓表與電源連通，則與電壓表并聯(lián)的燈之外的電路是連通的，則與電壓表并聯(lián)的燈泡電斷路了；
（4）①根據(jù)上面的分析，將兩變阻器串聯(lián)后與燈串聯(lián)，電壓表先測(cè)燈的電壓，通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換，再測(cè)燈與R₁的總電壓，電路圖如下圖2所示：

②實(shí)驗(yàn)步驟：a、如圖2連接電路，將R₁的最大電阻連入電路中，變阻器R₂滑片移動(dòng)到最左端，閉合開(kāi)關(guān)S₁，
將S₂置于2，移動(dòng)R₂的滑片使電壓表示數(shù)為3.8V，燈正常發(fā)光；
b、保持變阻器R₂滑片的位置不動(dòng)，將S₂置于1，記下電壓表示U₂；
③在單刀雙擲開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，電路的連接沒(méi)有改變，各電阻大小沒(méi)有改變，根據(jù)分原原理，各用電器的電壓不變；
當(dāng)S₂置于1時(shí)，燈仍正常發(fā)光時(shí)，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，故R₁的電壓為U₂-3.8V，
由歐姆定律，通過(guò)R₁的電流I₁=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{1大}}$=$\frac{{U}_{2}-3.8V}{5Ω}$，
根據(jù)串聯(lián)電路電流的規(guī)律，此時(shí)通過(guò)R₁的電流，即燈正常工作時(shí)的電流I_L=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{1大}}$=$\frac{{U}_{2}-3.8V}{5Ω}$，
燈的額定功率P_L=U_LI_L=3.8V×$\frac{{U}_{2}-3.8V}{5Ω}$
故答案為：（1）R₂；
（2）如上圖1所示；
（3）燈泡斷路；
（4）①如上圖2所示；
②a、如圖2連接電路，將R₁的最大電阻連入電路中，變阻器R₂滑片移動(dòng)到最左端，閉合開(kāi)關(guān)S₁，將S₂置于2，移動(dòng)R₂的滑片使電壓表示數(shù)為3.8V；
b、保持滑片的位置不動(dòng)，將S₁置于2，記下電壓表示U₂；
③3.8V×$\frac{{U}_{2}-3.8V}{5Ω}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了實(shí)物電路圖連線(xiàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路圖、電流表讀數(shù)、求燈泡的額定功率，電路故障的判斷，最后一問(wèn)考查設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，難度較大，為壓軸題．