Question

3．小明同學想測定小燈泡的額定功率，他選用了以下器材：標有“2.5V”字樣的小燈泡（正常工作電流約0.2A），電源為3V且不變，量程為“0～0.6A”與“0～3A”的電流表，量程為“0～3V”與“0～15V”的電壓表，開關(guān)，導線若干，“20Ω  0.5A”的滑動變阻器．

（1）圖甲中只有一根導線的一個接頭接錯，請在需要改動的導線上打“×”，并在圖上改正；
（2）小明將錯誤修改后，閉合開關(guān)，發(fā)現(xiàn)燈泡發(fā)光較暗，電流表有示數(shù)．任意移動滑動變阻器的滑片，電壓表示數(shù)不變（示數(shù)不為零）且小于3V．具體原因是滑動變阻器接了下面兩個接線柱．
（3）排除故障后，閉合開關(guān)，電壓表示數(shù)為1.8V，此時應(yīng)將滑片P向左（選填“左”或“右”）端移動使電壓表的示數(shù)為2.5V，根據(jù)小明得到的實驗圖象（如圖乙），可以知道小燈泡的額定功率為0.5W．當電壓表的示數(shù)增大時，電壓表與電流表的示數(shù)之比變大（選填“變大”、“變小”或“不變”）．老師告訴小明，電壓表工作時內(nèi)部其實有微弱的電流流過，由此可知所測額定功率偏大（選填“大”或“小”）．
（4）同組的小華同學打算只利用一只電表和增加一個阻值為10Ω的電阻R₀，來測量小燈泡的額定功率．她設(shè)計了丙、丁兩種不同方案的電路圖，以下判斷正確的是B
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）小明同學用幾個定值電阻來代替小燈泡做歐姆定律的實驗，他選用了5Ω、10Ω、15Ω、20Ω來研究電流和電阻的關(guān)系，計算要完成整個探究實驗，電壓表示數(shù)至少為1.5V．

Answer 1

分析 （1）分析電路圖可知，電壓表串聯(lián)在電路中，燈泡并聯(lián)在電路中，根據(jù)電流表和電壓表的使用規(guī)則：必須是燈泡與電流表串聯(lián)，電壓表與燈泡并聯(lián)；
（2）根據(jù)現(xiàn)象判斷電路電阻太大，而滑阻移動不能改變電路電流，所以判斷出滑阻下面的兩個接線柱接入電路，只起了一個定值電阻的作用，起不到改變電壓的作用．
（3）燈在額定電壓下正常發(fā)光，比較電壓表示數(shù)與額定電壓的大小，由串聯(lián)電路電壓的規(guī)律及分壓原理確定滑片移動的方向；根據(jù)并聯(lián)電路電流的特點，比較實際通過燈的電流與電流表示數(shù)的大小，確定所測額定功率的變化情況；
（4）開關(guān)S接“a”、”b”各一次，根據(jù)電路圖，確定能否使小燈泡正常發(fā)光，若不能，則無法測量小燈泡的額定電功率．
（5）研究電流與電阻的關(guān)系時，要保持電壓表示數(shù)不變，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律結(jié)合分壓原理，分析要完成整個探究實驗，電壓表示數(shù)至少為多少．

解答 解：（1）由實物電路圖可知，電壓表串聯(lián)在電路中，燈泡與電流表并聯(lián)，這些都是錯誤的；為讓燈泡與電流表串聯(lián)，電壓表測燈泡兩端電壓，應(yīng)將小燈泡右側(cè)連線改接到電壓表左側(cè)，如下圖所示：
；
（2）燈泡發(fā)光較暗，電流表有示數(shù)說明電流太小，滑動變阻器的阻值太大，任意移動滑動變阻器的滑片，電壓表示數(shù)不變，說明滑動變阻器同時接到下面兩個接線柱上（滑動變阻器接成了定值電阻）．
（3）燈在額定電壓下正常發(fā)光，排除電路故障后，閉合開關(guān)，移動滑片P到某位置時，電壓表的示數(shù)為1.8V小于燈的額定電壓，若想測量小燈泡的額定功率，應(yīng)增大燈的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，應(yīng)減小變阻器分得的電壓，由分壓原理可知，應(yīng)減小變阻器連入電路中的電阻大小，應(yīng)將滑片P向左端移動，使電壓表的示數(shù)為2.5V；
燈的額定電壓為2.5V，由圖乙知，此時通過燈泡的電流為0.2A，
則小燈泡的額定功率：P=UI=2.5V×0.2A=0.5W；
當電壓表的示數(shù)增大時，燈泡變亮，燈絲溫度升高，燈絲的電阻變大，根據(jù)R=$\frac{U}{I}$知，電壓表與電流表的示數(shù)之比變大；
電壓表工作時，其實內(nèi)部有微弱電流I_V通過，根據(jù)并聯(lián)電路的電流特點可知，電流表的示數(shù)I=I_L+I_V；測量時，小燈泡的額定電功率P_測=U_L×I，而燈正常發(fā)光時的實際功率P_實=U_L×I_L，由于I＞I_L，所以P_測＞P_實，即所測量的額定功率偏大；
（4）圖丙中，無論S接a還是接b都無法得知小燈泡是否正常發(fā)光，甲方案不能測定小燈泡的額定電功率；
圖丁中，R₀、小燈泡、變阻器三者串聯(lián)，S接a時，電壓表測定值電阻的電壓，S接b時測量燈泡兩端的電壓，但S從a到b會使電壓表的正負接線柱接反，不能正確測出電壓值，則不能測出小燈泡的額定電功率．
所以，兩種方案都不能測出小燈泡的額定功率．故選B．
（5）電源電壓保持3V不變，設(shè)電壓表示數(shù)為U_表，則變阻器的電壓為U-U_表，
根據(jù)分壓原理可得：$\frac{U-{U}_{表}}{{U}_{表}}$=$\frac{{R}_{滑}}{{R}_{定}}$，即 $\frac{U}{{U}_{表}}$--1=$\frac{{R}_{滑}}{{R}_{定}}$，--------①
由①知，因?qū)嶒炛�，電壓表示�?shù)保持不變，電源電壓為定值，故①式左邊為定值，右邊也為定值，故變阻器連入電路中的電阻隨定值電阻的增大而增大；
當定值電阻為R_定=20Ω時---------②，變阻器連入電路中的最大電阻為R_滑=20Ω------③，
將②③代入①可得：U_表=1.5V，
故他選用了5Ω、10Ω、15Ω、20Ω來研究電流和電阻的關(guān)系，計算要完成整個探究實驗，電壓表示數(shù)至少為1.5V．
故答案為：（1）如上圖所示；（2）滑動變阻器接了下面兩個接線柱；（3）左；2.5；0.5；變大；大；（4）B；（5）1.5．

點評 本題測小燈泡的功率，涉及電路的連接、實驗的過程等，電功率大小的比較，考查特殊情況下測額定功率方案設(shè)計，綜合性強，難度較大．