Question

13．王彬和譚希同學做“測量小燈泡電功率”的實驗中，所用電源電壓為4V，小燈泡的螺旋套上標有“2.5V”字樣，其額定功率小于1W，滑動變阻器的規(guī)格是“10Ω 1A”．

（1）請根據(jù)圖1電路圖用筆畫線代替導線，幫王彬將圖2未完成的電路連接好，要求：滑動變阻器的滑片向右移動時，連入電路的阻值變小，導線不能交叉．
（2）連接電路后閉合開關，王彬發(fā)現(xiàn)電壓表和電流表均無示數(shù)，燈泡不亮，移動滑片時電壓表和電流表仍然沒有示數(shù)，燈泡不亮．電路的故障可能是D．
A．燈泡短路  B．滑動變阻器短路  C．燈泡斷路  D．滑動變阻器斷路
（3）電路故障排除后，王彬閉合開關，調(diào)節(jié)變阻器滑片到某一位置時，電壓表的示數(shù)如圖3所示，現(xiàn)要測定小燈泡的額定功率，應將滑片向左（填“左”或“右”）移動，使電壓表示數(shù)為2.5V，此時電流表示數(shù)如圖4所示，那么燈泡的額定功率是0.75W．
（4）譚希同學使用的電壓表在實驗過程中損壞了，王彬說只用電流表也可以測出小燈泡的額定功率，于是同學利用一個單刀雙擲開關和一只已知阻值的定值電阻R₀，設計了如圖5的電路圖和如下實驗步驟：
①閉合開關S、S₁接1，調(diào)節(jié)滑片P，使電流表示數(shù)I₁為$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，此時燈泡正常發(fā)光；
②閉合開關S、S₁接2，滑片P不動，電流表示數(shù)I₂．
則小燈泡的額定功率P_額=2.5V×（I₂-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）（用已知所測物理量表示）．
（5）王彬認為不能用這個小燈泡來研究電流與電壓的關系，理由是小燈泡電阻隨溫度變化而變化．
（6）為了研究電流和電阻的關系，王彬找到幾個定值電阻，阻值分別是5Ω、10Ω、15Ω，20Ω、30Ω，他用5Ω的電阻替換電路中的小燈泡，移動滑片使電壓表示數(shù)為2.5V，記錄電流表示數(shù)；又換上10Ω的電阻，移動滑片，最終電流表的示數(shù)為0.25A；當王彬換上20Ω的電阻進行實驗時，發(fā)現(xiàn)電壓表的示數(shù)始終不能調(diào)到2.5v，聰明的王彬想到了解決辦法，他將其中一個定值電阻串聯(lián)接入電路后，既可以用20Ω的電阻完成實驗．又可以用30Ω的電阻完成實驗，他選擇的定值電阻是10Ω．

Answer 1

分析 （1）滑動變阻器的滑片向右移動時，連入電路的阻值變小，滑動變阻器右半部分接入電路，由圖知應接B接線柱．
（2）連接好電路，閉合開關，燈泡不亮，可能是電路電阻太大，電流太小；可能是斷路；可能是短路．通過移動滑動變阻器滑片判斷電路電流大小還是故障．再由電流表判斷短路還是斷路，再由電壓表判斷故障的具體位置．
（3）根據(jù)串聯(lián)電路的分壓作用，電阻大分壓多判斷滑動變阻器的移動方向，電流表的讀數(shù)：應先看量程再看分度值然后讀數(shù)；根據(jù)P=UI算出燈泡的額定功率；（4）由5圖可知：沒有電壓表的情況下，利用定值電阻和電流表代替電壓表，首先用電壓表測R₀的電流，移動滑動變阻器使電流表的示數(shù)$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，滑片不動移動開關的位置，測出電路的總電流，用總電流減電阻的電流知燈泡的電流，根據(jù)P=UI計算出燈泡的額定電功率；
（5）燈絲的電阻隨溫度的升高而增大；
（6）根據(jù)I=$\frac{U}{R}$得出電流表的示數(shù)，由于滑動變阻器的阻值太小，電壓表的示數(shù)始終達不到2.5V，故應串聯(lián)一個電阻．

解答 解：（1）滑動變阻器的滑片向右移動時，連入電路的阻值變小，滑動變阻器右半部分接入電路，由圖知應接B接線柱．電路連接如下所示：

（2）小燈泡均不發(fā)光，電流表的示數(shù)幾乎為零，可能電路電流太小，可能電路斷路，無論怎樣調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片，燈泡均不亮，電流表無示數(shù)，說明電路斷路；電壓表無示數(shù)，說明與電壓表并聯(lián)的小燈泡沒斷，是滑動變阻器斷路了，故選D；
（3）圖3中電壓表的量程是0-3V，分度值為0.1V，電壓表的讀數(shù)為2.7V，大于小燈泡的額定電壓，應該用滑動變阻器將燈泡兩端的電壓調(diào)小，根據(jù)串聯(lián)電阻的分壓作用將滑片向左移動，電阻變大，滑動變阻器分壓多，燈泡兩端的電壓會變小從而達到額定電壓．
當小燈泡的電壓達到額定電壓時，圖4中電流表的量程是0-0.6A，最小分度值是0.02A，電流表的讀數(shù)為0.3A．
燈泡額定功率為P=UI=2.5V×0.3A=0.75W；
（4）由5圖可知：沒有電壓表的情況下，利用定值電阻和電流表代替電壓表，①閉合開關S、S₁接1，調(diào)節(jié)滑片P，使電流表示數(shù)I₁為$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，此時燈泡正常發(fā)光；②閉合開關S、S₁接2，滑片P不動，電流表示數(shù)I₂；此時電流表測定值電阻和燈泡的總電流，I₂-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$就是小燈泡的額定電流，則小燈泡的額定功率P_額=2.5V×（I₂-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）；
（5）探究電流與電壓的關系，需保證電阻一定，而燈絲的電阻隨溫度的升高而增大，故不能用燈泡來研究電流與電壓的關系；
（6）探究電流與電阻的關系，需保證電壓一定，當電壓U=2.5V，R=10Ω時，根據(jù)I=$\frac{U}{R}$=$\frac{2.5V}{10Ω}$=0.25A，當換上20Ω的電阻后由I=$\frac{U}{R}$=$\frac{4V}{20Ω+10Ω}$=$\frac{4}{30}$A，U_R=IR=$\frac{4}{30}$A×20Ω=2.6V，所以無論怎樣調(diào)節(jié)都不能到2.5V，所以應該跟電路串聯(lián)一個電阻R₂，串聯(lián)上電阻后即可以完成20Ω的電阻，也可以完成30Ω的電阻，此電阻的大小為：I=$\frac{U}{R}$=$\frac{2.5V}{30Ω}$=$\frac{1}{12}$A，R_滑+R_串=$\frac{U-{U}_{R}}{I}$=$\frac{4V-2.5V}{\frac{1}{12}A}$=18Ω，所以R_串=30Ω-R_滑=18Ω-10Ω=8Ω，故需串聯(lián)10Ω的電阻．
故答案為：（1）如上圖所示：（2）D；（3）左；0.75；（4）①$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；2.5V×（I₂-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）；（5）小燈泡電阻隨溫度變化而變化；（6）0.25； 10．

點評 本題考查了實物圖的連接，滑動變阻器的正確使用，電流表的讀數(shù)，額定功率的計算以及燈絲電阻與溫度的關系；體現(xiàn)了物理和生活的密切關系．