Question

13．在“探究導(dǎo)體的電流跟電阻的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，老師提供的器材有：電源（電壓恒為3V），電流表、電壓表和開關(guān)各一個(gè)，五個(gè)定值電阻（5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、30Ω，50Ω），滑動(dòng)變阻器（規(guī)格是“20Ω，2A”），導(dǎo)線若干．
（1）圖甲是小明連接的實(shí)物電路，圖中有一根導(dǎo)線連接錯(cuò)誤，請(qǐng)你在連接錯(cuò)誤的導(dǎo)線上打“×”并補(bǔ)畫出正確的連線．
（2）在開關(guān)閉合前，應(yīng)將滑動(dòng)變阻器的滑片滑至最右（選填“左”或“右”）端．
（3）電路連接無誤后，閉合開關(guān)，小明先后將5Ω和10Ω的電阻分別接入電路，移動(dòng)滑片P進(jìn)行了二次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如圖乙表格所示．小明緊接著再將20Ω的定值電阻替換10Ω的電阻后，直接讀出電流表示數(shù)示為0.12A．

物理量 實(shí)驗(yàn)次數(shù)	電阻R（Ω）	電流I （A）
1	5	0.4
2	10	0.2
3	20

（4）小明為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)芾^續(xù)順利進(jìn)行，還可以使用的定值電阻有15Ω、30Ω．（寫出具體的電阻值，多寫少寫都不給分）
（5）小明將電阻換成標(biāo)有“2.5V”字樣的小燈泡，測(cè)量其不同電壓下的電功率．
①正確連接電路，閉合開關(guān)，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，電壓表有示數(shù)，電流表指針幾乎不動(dòng)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是燈泡斷路；
②排除故障，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出I-U圖象（如圖丙）．由此可求出小燈泡正常發(fā)光時(shí)的功率為0.625W；
（6）完成上述實(shí)驗(yàn)后，小明又利用上述器材重新設(shè)計(jì)了電路（增加了一個(gè)滑動(dòng)變阻器）如圖丁，測(cè)量另一個(gè)小燈泡的額定功率，這個(gè)小燈泡正常工作的電流為I₁．請(qǐng)完成實(shí)驗(yàn)步驟．
①只閉合開關(guān)S₁，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器R₂的滑片，使電流表示數(shù)為I₁；
②只閉合開關(guān)S₂，保持滑動(dòng)變阻器R₂的滑片位置不變，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器R₁的滑片，使電流表示數(shù)為I₁；再將滑動(dòng)變阻器R₂的滑片調(diào)到最左端，讀出電流表的示數(shù)為I₂；
③則小燈泡的額定功率表達(dá)式為P_額=$\frac{{{UI}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．

Answer 1

分析 （1）分析電路的錯(cuò)誤之處改正；
（2）開關(guān)閉合前，應(yīng)將滑動(dòng)變阻器的滑片滑至阻值最大處；
（3）研究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，要控制電壓表示數(shù)不變，根據(jù)歐姆定律，由表中數(shù)據(jù)得出不變的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路的規(guī)律和歐姆定律求出變阻器連入電路的阻值，再根據(jù)電阻的串聯(lián)和歐姆定律求出電流大小；
（4）根據(jù)分壓原理，當(dāng)變阻器連入電路中的電阻最大時(shí)，可得定值電阻的最大值，據(jù)此分析；
（5）①若電流表指針幾乎不動(dòng)，燈不亮，說明電路可能斷路；電壓表有示數(shù)，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完好的，則與電壓表并聯(lián)的燈泡斷路了；
（6）根據(jù)P=I²R，要測(cè)燈的額定功率，測(cè)燈正常工作時(shí)的電阻是關(guān)鍵，
先使燈正常發(fā)光，再利用等效替代法，將燈的電阻轉(zhuǎn)化為測(cè)量R₁的電阻，根據(jù)歐姆定律，據(jù)此確定操作步驟．

解答 解：（1）原電路中，電壓表被短路了，應(yīng)并聯(lián)在電阻的兩端，如下所示：

（2）在開關(guān)閉合前，應(yīng)將滑動(dòng)變阻器的滑片滑至阻值最大處，即最右端；
（3）研究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，要控制電壓表示數(shù)不變，電路連接無誤后，閉合開關(guān)，小明先后將5Ω和10Ω的電阻分別接入電路，移動(dòng)滑片P進(jìn)行了二次實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如圖乙表格所示．因研究電流與電阻的關(guān)系時(shí)，要控制電壓表示數(shù)不變，由歐姆定律，電壓表示數(shù)U_表=I₁R₁=0.4A×5Ω=2V；
由表中數(shù)據(jù)知，當(dāng)電阻為R₂=10Ω時(shí)，電流為I₂=0.2A，
根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，變阻器的電壓U_滑=U-U_表=3V-2V=1V．
變阻器連入電路中的電阻R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{{I}_{2}}=\frac{1V}{0.2A}$=5Ω，
小明緊接著再將20Ω的定值電阻替換10Ω的電阻后，電路的總電阻R=R₃+R_滑=20Ω+5Ω=25Ω，故直接讀出電流表示數(shù)示即為此時(shí)的電流大小I=$\frac{U}{R}=\frac{3V}{25Ω}$=0.12A；
（4）由（3）知，定值電阻的電壓是變阻器電壓的$\frac{2V}{1V}$=2倍，根據(jù)分壓原理，定值電阻的大小是變阻器阻值的2倍，當(dāng)變阻器連入電路中的電阻為20Ω時(shí)，定值電阻最大值為2×20Ω=40Ω，故除已用的電阻外，小明為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)芾^續(xù)順利進(jìn)行，還可以使用的定值電阻有15Ω、30Ω的電阻；
（5）①經(jīng)分析，閉合開關(guān)，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，電壓表有示數(shù)，電流表指針幾乎不動(dòng)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：燈泡斷路；
②根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出I-U圖象，由圖乙可知，當(dāng)燈的電壓為2.5V時(shí)，通過的電流為0.25A，由此可求出小燈泡正常發(fā)光時(shí)的功率為P=UI=2.5V×0.25A=0.625W；
（6）分析實(shí)驗(yàn)的原理可以得出其具體的步驟為：
①只閉合開關(guān)S₁，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器R₂的滑片，使電流表示數(shù)為I₁；
②只閉合開關(guān)S₂，保持滑動(dòng)變阻器R₂的滑片位置不變，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R₁的滑片使電流表示數(shù)為I₁；
根據(jù)等效替代法，則小燈泡正常發(fā)光的電阻與變阻器R₁此時(shí)的電阻相同，為測(cè)量出此時(shí)變阻器R₁的電阻，故應(yīng)將滑動(dòng)變阻器R₂的滑片調(diào)到最左端，讀出電流表的示數(shù)為I₂；根據(jù)歐姆定律，變阻器R₁的電阻即為燈正常發(fā)光時(shí)的電阻，即R_L=$\frac{U}{{I}_{2}}$，
小燈泡的額定功率P_額=I₁²R_燈=I₁²•$\frac{U}{{I}_{2}}$=$\frac{{{UI}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．
故答案為：（1）如上所示；
（2）右；
（3）0.12；
（4）15Ω；30Ω；
（5）①燈泡斷路；②0.625；
（6）②將滑動(dòng)變阻器R₂的滑片調(diào)到最左端；③$\frac{{{UI}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．

點(diǎn)評(píng) 本題探究導(dǎo)體的電流跟電阻的關(guān)系，考查電路的連接、注意事項(xiàng)、串聯(lián)電路的規(guī)律及歐姆定律的運(yùn)用、對(duì)器材的選擇，同時(shí)也考查了測(cè)功率的實(shí)驗(yàn)故障的分析、額定功率的計(jì)算及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案測(cè)額定功率的能力及等效替代法的運(yùn)用，綜合性強(qiáng)，難度較大．