Question

10．“測量小燈泡電功率”的實驗中，電源為兩節(jié)新干電池，電壓為3V，小燈泡的額定電壓為2.5V，正常發(fā)光時燈絲電阻約為10Ω，所用滑動變阻器的最大阻值20Ω．
（1）請用筆畫線代替導線在圖甲中完成實物電路的連接（要求滑片向B滑動時，接入電路阻值減小，且導線不能交叉）．
（2）實驗時，某個小組同學剛閉合開關(guān)就發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度很亮然后馬上熄滅了，老師指出了同學們操作時的錯誤是連接電路時，開關(guān)沒有斷開；未將滑片P移至最大阻值處，同時提醒同學們注意觀察此時電表的示數(shù)，發(fā)現(xiàn)電流表無示數(shù)，電壓表有示數(shù)（選填“有示數(shù)”，“無示數(shù)”）．
（3）斷開開關(guān)，更換了相同規(guī)格的小燈泡后重新按照正確的操作進行實驗．移動滑片，當燈正常發(fā)光時，電流表示數(shù)如圖乙所示，小燈泡的額定電流為0.2A，小燈泡的額定功率是0.5W，小燈泡正常發(fā)光的電阻是12.5Ω．
（4）小華打算增加一個阻值為10Ω的定值電阻R₀，只利用一只電壓表，通過圖中操作（開關(guān)S接“a”“b”各一次）來測量小燈泡的額定功率．圖丙、丁是她設(shè)計的兩種不同方案的電路圖，則以下判斷正確的是D．
A．兩種方案都能                    B．兩種方案都不能
C．丙方案能，丁方案不能            D．丙方案不能，丁方案能
（5）小華還想探究“在電壓一定的情況下，電流與電阻的關(guān)系”，于是將甲圖中的小燈泡換成四個阻值分別為10Ω，8Ω，6Ω和4Ω的定值電阻，其余連接均不改變．在實驗過程中，將4個定值電阻依次接入電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器使定值電阻兩端的電壓保持某個值U₀不變，為了能夠順利得到4組I、R數(shù)據(jù)，完成實驗，該電壓U₀的取位大小應滿足：1V≤U₀≤2.4V；完成實驗后，小華分析數(shù)據(jù)得到：在電壓一定的情況下，電流與電阻成反比的結(jié)論．
（6）完成實驗后，小華想用原電路測某一定值電阻Rx的阻值，他用該電阻替換燈泡后，發(fā)現(xiàn)電壓表損壞了，便將其拆除．若滑動變阻器的最大阻值用R₀表示，你在不改變其他元件連接的方式下，幫他完成實驗：（幾次實驗后，電池電壓稍有下降）
實驗步驟：A．閉合開關(guān)，使滑動變阻器連入電路的阻值最小（為零），記下電流表的示數(shù)I₁；
B．將滑動變阻器連入電路的阻值最大，記下電流表示數(shù)I₂；
表達式：R_x=$\frac{{I}_{2}}{{I}_{1}{-I}_{2}}$R₀（用所測物理量符號表示）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)小燈泡的額定電壓確定電壓表選用的量程與燈并聯(lián)，變阻器按一上一下接入電路中；
（2）為保護電路，連接電路時，開關(guān)要斷開，變阻器連入電路中的電阻最大；分析電路的連接分析回答；
（3）根據(jù)圖乙電流表小量程讀數(shù)，根據(jù)P=UI求額定功率，根據(jù)歐姆定律求電阻大小；
（4）在沒有電流表的情況下，測燈的額定功率，應先使燈正常發(fā)光，定值電阻和電壓表應起到電流表測量電流的作用，據(jù)此分析；
（5）根據(jù)電流表量程確定電路中的最小電阻，由電阻的串聯(lián)確定滑動變阻器接入電路的最小電阻；
根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律和分壓原理分析，當變阻器接入電路的最小電阻時對應最小的定值電阻；
當變阻器接入電路的最大電阻時對應最在的定值電阻；從而求出電壓表的示數(shù)范圍；
（6）滑動變阻器的最大阻值已知，滑動變阻器和被測電阻串聯(lián)，讓滑動變阻器全部接入和接入電路中的電阻為0，來改變電路的電阻，完成電流表的兩次測量，利用兩次電路的電源電壓相等，列出等式，解出R_x．

解答 解：（1）小燈泡的額定電壓為2.5V，電壓表選用小量程與燈并聯(lián)，變阻器按一上一下接入電路中，如下所示：

（2）實驗時，某個小組同學剛閉合開關(guān)就發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度很亮然后馬上熄滅了，原來電路是連通的，后來燈被燒壞了，錯誤是：連接電路時，開關(guān)沒有斷開且未將滑片P移至最大阻值處；此時電壓表串聯(lián)在電路中，電流表無示數(shù)，電壓表與電源連通，有示數(shù)．
（3）移動滑片，當燈正常發(fā)光時，電流表示數(shù)如圖乙所示，圖中電流表選用小量程，分度值為0.02A，小燈泡的額定電流為0.2A，小燈泡的額定功率是：
P=UI=2.5V×0.2A=0.5W，小燈泡正常發(fā)光的電阻：
R=$\frac{U}{I}=\frac{2.5V}{0.2A}$=12.5Ω．
（4）在丁圖中，S打到b，電壓表測燈的電壓，移動滑片使燈的電壓為U_L=2.5V，燈正常發(fā)光，保持滑片的位置不動，將S打到a，電壓表測燈與定值電阻的總電壓U_LR0，因電路的連接沒有改變，各電阻大小和電壓不變，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，定值電阻的電壓U_R0=U_LR0，-2.5V，根據(jù)歐姆定律可求通過定值電阻的電流，根據(jù)串聯(lián)電路電流的特點即燈正常發(fā)光的電路，根據(jù)P_L=U_LI_L可求燈的額定功率；
圖丙中，S打到b，電壓表定值電阻的電壓，S打到a，電壓表測燈與定值電阻的電壓，無法判斷燈是否正常發(fā)光，故不可行；丙方案不能，丁方案能
故選 D；
（5）把四個電阻串聯(lián)接入電路中，為了保護電流表，電路中的電流不能超過0.6A，故電路的最小電阻為：
R_小=$\frac{U}{I}=\frac{3V}{0.6A}$=5Ω，
電路中接入4Ω的電阻時，滑動變阻器接入電路的最小電阻為：R_滑小=R_小-4Ω=1Ω；
根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，當電壓表示數(shù)為U₀時，變阻器分得的電壓U_滑=U-U₀=3V-U₀，
根據(jù)分壓原理：
$\frac{3V{-U}_{0}}{{U}_{0}}$=$\frac{{R}_{滑}}{R}$，
即$\frac{3V}{{U}_{0}}$-1=$\frac{{R}_{滑}}{R}$------①，因研究電流與電阻關(guān)系時，電壓表示數(shù)為定值，①左邊為定值，右邊也為一定值，當R_滑最小為
1Ω時，對應的定值電阻為4Ω，代入①得：
U₀=2.4V；即定值電阻兩端的最大電壓為2.4V；
當定值電阻為最大10Ω時，同理，對應的變阻器有最大值R_滑大=20Ω，代入①得：
U₀=1V，
即1V≤U₀≤2.4V；
在電壓一定的情況下，電流與電阻成反比的結(jié)論；
（6）實驗步驟：
A．閉合開關(guān)，使滑動變阻器連入電路的阻值最�。�為零），記下電流表的示數(shù)I₁；
B．將滑動變阻器連入電路的阻值最大，記下電流表示數(shù)I₂．
因電源的電壓不變，
所以，U=I₁R_x=I₂（R_x+R₀）
解得：R_x=$\frac{{I}_{2}}{{I}_{1}{-I}_{2}}$R₀．
故答案為：（1）如上圖所示；
（2）閉合開關(guān)前，未將滑片P移至最大阻值處；有示數(shù)；
（3）0.2； 0.5； 12.5；  
 （4）D；
（5）1V≤U₀≤2.4V；電流與電阻成反比；
（6）A．閉合開關(guān)，使滑動變阻器連入電路的阻值最�。�為零），記下電流表的示數(shù)I₁；
B．將滑動變阻器連入電路的阻值最大，記下電流表示數(shù)I₂．
R_x=$\frac{{I}_{2}}{{I}_{1}{-I}_{2}}$R₀．

點評 本題測量小燈泡電功率，考查電路的連接、注意事項、電表讀數(shù)、電阻和功率的計算及對實驗方案的評估，同時也考查了在電壓一定的情況下，電流與電阻的關(guān)系實驗和測設(shè)計實驗方案測電阻，綜合性強，難度大．