Question

4．在測定小燈泡額定功率的實驗中（所用燈泡的額定電壓U₀=2.5V）．
（1）小欣小組連接的電路如圖甲所示，圖中電路尚未連接好，請你用筆畫線代替導線在圖中正確連接．
（2）小欣小組實驗步驟正確，閉合開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)無論怎樣移動滑片P，燈都不亮，電流表示數(shù)始終為0，電壓表示數(shù)約為6V，則電路中出現(xiàn)的故障可能燈斷路；排除故障后，調(diào)節(jié)滑動變阻器，直到電壓表的示數(shù)為2.5V，觀察到電流表示數(shù)如圖乙所示，則小燈泡的額定功率為0.75W．

（3）小姚小組設(shè)計了另一種實驗方案如圖丙所示（其中電源電壓未知，電阻R的阻值已知）
①開關(guān)S拔到位置1，移動滑片P至任一位置，讀出電流表示數(shù)I₁，
②開關(guān)S拔到位置2，保持滑動變阻器的滑片位置不動，讀出電流表示數(shù)I₂，則燈泡的電阻R_L=$\frac{{I}_{1}R}{{I}_{2}{-I}_{1}}$（請你用R、I₁、I₂表示），再根據(jù)P₀=U₀²/R_L，計算燈泡的額定功率．他們按此方案測量，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與真實值相差較大，原因是燈泡兩端電壓不是額定電壓，燈泡的電阻不是正常發(fā)光時的電阻．仔細分析后，他們認為要準確測出燈泡的額定功率，只需將上述步驟①改為：將開關(guān)S拔到位置1，移動滑片P，使電流表示數(shù)為I₁=$\frac{{U}_{0}}{R}$．

Answer 1

分析 （1）電流表選用小量程串聯(lián)在電路中，電壓表與燈并聯(lián)；
（2）小欣小組實驗步驟正確，閉合開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)無論怎樣移動滑片P，燈都不亮，電流表示數(shù)始終為0，電路可能斷路；電壓表示數(shù)約為6V，說明電壓表與電源連通，則與電壓表并聯(lián)的支路以外的電路是連通的，則與電壓表并聯(lián)的燈斷路了；
根據(jù)電流表的量程和分度值讀出燈泡的額定電流，然后利用P=UI求出燈泡的實際功率；
（3）由①可得燈泡兩端電壓U=I₁R，
根據(jù)開關(guān)S拔到位置1和開關(guān)S拔到位置2時，電路中三個用元件的連接方式?jīng)]有發(fā)生改變，各用電器的電阻和電壓沒有變，電流表測燈與R并聯(lián)的電流，根據(jù)并聯(lián)電路電流的規(guī)律，通過燈泡的電流I=I₂-I₁，然后根據(jù)歐姆定律可求燈泡電阻；根據(jù)P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可求燈的電阻；
注意燈泡的功率隨電壓變的變化而變化，額定功率只有燈泡在額定電壓下發(fā)光時的功率為額定功率；
燈絲的電阻隨溫度的改變而改變．

解答 解：（1）由圖乙知，電流表選用小量程與燈串聯(lián)，電壓表與燈并聯(lián)，如下圖所示：
（2）閉合開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)無論怎樣移動滑片P，燈都不亮，電流表示數(shù)始終為0，電路可能斷路；電壓表示數(shù)約為6V，說明電壓表與電源連通，則與電壓表并聯(lián)的支路以外的電路是連通的，則與電壓表并聯(lián)的燈斷路了；
燈在額定電壓下正常發(fā)光，排除故障后，調(diào)節(jié)滑動變阻器，直到電壓表的示數(shù)為2.5V，觀察到電流表示數(shù)如圖乙所示，圖乙中，電流表選用小量程，分度值為0.02A，示數(shù)為0.3A，
則小燈泡的額定功率為P=UI=2.5V×0.3A=0.75W；
（3）小姚小組設(shè)計了另一種實驗方案如圖丙所示（其中電源電壓未知，電阻R的阻值已知）：
①開關(guān)S拔到位置1，移動滑片P至任一位置，讀出電流表示數(shù)I₁，即通過R的電流，由并聯(lián)電路的特點和歐姆定律可得，燈泡兩端電壓U=I₁R；
②開關(guān)S拔到位置2，保持滑動變阻器的滑片位置不動，因電路中三個電阻元件的連接方式?jīng)]有發(fā)生改變，各用電器的電阻和電壓沒有變，所以此時燈泡兩端電壓仍然為U；
讀出電流表示數(shù)I₂，即燈與R并聯(lián)的總電流，
根據(jù)并聯(lián)電路電流的規(guī)律，所以通過燈泡電流I=I₂-I₁；
則燈泡電阻R_L=$\frac{{I}_{1}R}{{I}_{2}{-I}_{1}}$．
因為L與R并聯(lián)，由于電流的熱效應，當燈泡發(fā)光時，燈絲的電阻會隨溫度升高而變大；當燈泡兩端電壓不等于其額定電壓時，求出的電阻就不等于其正常發(fā)光時電阻，故根據(jù)P₀=U₀²/R_L計算燈泡的功率不是額定功率．
他們按此方案測量，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果與真實值相差較大；
所以，要想求燈泡額定功率，就必須讓燈泡兩端電壓等于額定電壓，即將開關(guān)S拔到位置1，移動滑片P，使電流表示數(shù)為I₁=$\frac{{U}_{0}}{R}$．
故答案為：（1）如上圖所示；（2）燈斷路；（3）2.5；0.75；
（3）②$\frac{{I}_{1}R}{{I}_{2}{-I}_{1}}$；燈泡兩端電壓不是額定電壓，燈泡的電阻不是正常發(fā)光時的電阻；將開關(guān)S拔到位置1，移動滑片P，使電流表示數(shù)為I₁=$\frac{{U}_{0}}{R}$．

點評 本題測定小燈泡額定功率，考查電路的連接、故障的分析、額定功率的計算、影響電阻大小的因素及對實驗方案的評估能力，有一定難度．