Question

4．在測量小燈泡的電功率的實驗中，小燈泡的額定電流為0.3A，燈絲阻值在10Ω-15Ω之間．所提供的器材有：電流表、電壓表、電源（電壓恒為6V）、開關各一個，滑動變阻器（50Ω  1A）一個，導線若干．

（1）如圖甲所示是小明沒有連接完的實物電路，請用筆畫線代替導線將實物圖補充完整．
（2）閉合開關前，圖甲圖中的滑片P應位于右（選填“左”或“右”）端；閉合開關無論怎樣移動變阻器滑片P，發(fā)現小燈泡始終不亮，電壓表有示數，電流表無示數，原因可能是小燈泡斷路（寫出一種即可）．
（3）排除故障，閉合開關，移動滑片，當電流表的示數為0.3A時，電壓表的示數如圖乙所示，讀數為4V，小燈泡的額定功率為1.2W．
（4）小紅沒用電壓表，但多用了一個開關，其它器材與小明的相同，也測出了另一個額定電流為I_e的小燈泡額定功率．她設計了如圖丙所示電路圖，請你幫她完成實驗步驟并寫出額定功率的表達式． 實驗步驟：
①按圖連接電路，然后只閉合開關S₁，移動滑片P，使電流表的示數為I_e．
②再閉合開關S₂，保持滑片不動，讀出電流表示數I．
③小燈泡的額定功率的表達式：P_額=（1.8-$\frac{0.54}{I}$）W．（用字母表示，可能用到的物理量有：已知的電源電壓U、燈泡的額定電流I_e、滑動變阻器的最大阻值R₀和實驗中測得的物理量）
（5）小亮利用該電路探究電流跟電阻的關系，他將小燈泡換成多個定值電阻R，保持電壓表示數始終為2V，多次更換阻值不同的定值電阻R，并記錄各次電流表的示數，若不更換其他器材，為了能夠完成實驗，更換的電阻阻值不能夠大于25Ω．

Answer 1

分析 （1）由電路圖可知，電壓表連線不完整，根據題意確定電壓表量程，電壓表應與燈泡并聯(lián)．
（2）閉合開關前，滑片應滑到最大值處；電流表無示數，說明電路可能斷路，電壓表有示數，說明電壓表與電源連通了，由此判斷電路故障．
（3）由圖乙根據電壓表量程讀出燈泡正常發(fā)光時的電壓，由P=UI計算額定功率．
（4）燈泡與滑動變阻器串聯(lián)，用電流表測流過電路的電流，由串聯(lián)電路特點及歐姆定律求出流過燈泡電流為燈泡額定電流時，燈泡兩端電壓，然后由P=UI求出燈泡額定功率．
（5）根據串聯(lián)電路特點與歐姆定律分析答題．

解答 解：
（1）燈泡額定電流為0.3A，燈絲阻值在10Ω～15Ω之間，則燈泡額定電壓U=IR在3V～4.5V間，電壓表應選0～15V量程，電壓表與燈泡并聯(lián)，電路圖如圖所示：
；
（2）為了電路安全，開關閉合前滑片應滑到最大值右端；
閉合開關，電流表無示數，說明電路是斷路，小燈泡不發(fā)光，電壓表有示數，說明與電壓表并聯(lián)的這部分電路斷路了，即小燈泡斷路；
（3）電壓表量程是0～15V，由圖乙可知，電壓表分度值是0.5V，電壓表示數是4V，此時燈泡正常發(fā)光，所以燈泡額定功率P=UI=4V×0.3A=1.2W；
（4）實驗步驟：
①按圖連接電路，然后只閉合開關S₁，移動滑片P，使燈泡正常發(fā)光，電流表的示數為I_e．
②再閉合開關S₂，讀出電流表示數I，此時燈泡短路，所以變阻器電壓等于電源電壓6V，根據歐姆定律計算此時變阻器連入的阻值R_滑=$\frac{6V}{I}$，
由此可知當只閉合開關S₁時，燈泡兩端電壓U_L=6V-U_滑=6V-0.3A×$\frac{6V}{I}$=6V-$\frac{1.8}{I}$V，
③小燈泡的額定功率的表達式：P_額=U_L×I_e=（6V-$\frac{1.8}{I}$V）×0.3A=（1.8-$\frac{0.54}{I}$）W．
（5）電源電壓為6V，電阻兩端電壓為2V，滑動變阻器分壓為4V，是定值電阻兩端電壓的兩倍，根據分壓原理可知，滑動變阻器接入電路的阻值為定值電阻阻值的兩倍，滑動變阻器最大阻值為50歐姆，因此定值電阻最大阻值為25歐姆．
故答案為：（1）見上圖；（2）右；小燈泡斷路；（3）4；1.2；（4）②保持滑片不動，讀出電流表示數I；③（1.8-$\frac{0.54}{I}$）W；（5）25．

點評 本題考查了連接電路圖、電路故障的判斷、電壓表讀數、求燈泡功率、實驗設計，串聯(lián)電路特點和歐姆定律的應用等，考查知識點多，綜合性強，第（4）問設計實驗電路、實驗步驟難度較大，是本題的難點．