Question

2．小紅做“測(cè)量小燈泡電功率”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室有如下器材：3節(jié)新干電池（電源電壓恒為4.5V）、小燈泡（額定電壓為2.5V）、電流表、電壓表、開關(guān)各一個(gè)、規(guī)格為10Ω 0.6A的滑動(dòng)變阻器各一個(gè)、導(dǎo)線若干．
（1）請(qǐng)你按照電路圖，用筆畫線代替導(dǎo)線，完成圖乙中實(shí)驗(yàn)電路的連接．（要求P向左滑動(dòng)時(shí)燈變暗）

（2）小紅實(shí)驗(yàn)中閉合開關(guān)后，看到燈立即發(fā)出較亮的光，兩電表的指針立即偏轉(zhuǎn)到最右側(cè)，這一現(xiàn)象反映出小紅操作中存在的問題是閉合開關(guān)前，滑動(dòng)變阻器滑片未至于最大阻值處；
（3）小紅認(rèn)識(shí)到問題所在后，加以改正后重新開始實(shí)驗(yàn)，閉合開關(guān)后，緩慢移動(dòng)滑動(dòng)變阻器滑片P到某處，使電壓表示數(shù)為2.5V，此時(shí)電流表指針位置如圖乙所示，則小燈泡的額定功率為1.25W．
（4）若此實(shí)驗(yàn)中電流表壞了，為了測(cè)出小燈泡的額定功率，小紅在原有器材的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)R₀=5Ω的定值電阻，設(shè)計(jì)了如圖丙所示的電路和如下實(shí)驗(yàn)方案：
①調(diào)節(jié)滑片，使電壓表的示數(shù)為小燈泡的額定電壓；
②保持滑片位置不變，只將電壓表a點(diǎn)改接到c點(diǎn)，測(cè)出定值電阻R₀兩端的電壓U₀；
③通過計(jì)算，可先求出電路中的電流I，就可得到小燈泡的額定功率P．
請(qǐng)你指出該設(shè)計(jì)方案中存在的兩個(gè)問題：無論怎樣調(diào)節(jié)變阻器，都不能使燈泡正常發(fā)光；只將電壓表的a點(diǎn)接線改接到c點(diǎn)，電壓表的正負(fù)接線柱接反．

（5）小紅繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，她又跟老師要了一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，一個(gè)阻值合適的定值電阻R₀′，她要求R₀′阻值要小于（小于/大于）R₀=5Ω，加上原有實(shí)驗(yàn)器材，重新設(shè)計(jì)了如圖丁所示的電路，終于測(cè)出了燈泡的額定功率．請(qǐng)完成下列實(shí)驗(yàn)步驟：
①閉合開關(guān)S₁，將S₂撥到觸點(diǎn)b，移動(dòng)滑片，使電壓表的示數(shù)為2.5V；
②再將開關(guān)S₂撥到觸點(diǎn)a，保持滑片的位置不動(dòng)，讀出電壓表的示數(shù)U；
③燈泡額定功率的表達(dá)式為P_額=$\frac{2.5（U-2.5）}{{R}_{0}′}$（用已知量和測(cè)量量表示）．

Answer 1

分析 （1）從電路圖可知，燈泡與滑動(dòng)變阻器串聯(lián)，電壓表測(cè)量燈泡兩端的電壓，電流表測(cè)量電路總電流，滑動(dòng)變阻器滑片向左移動(dòng)時(shí)燈泡變暗，說明滑動(dòng)變阻器接入電路電阻變大；
（2）發(fā)出明亮的光，說明電路中的電流較大，電阻是小的，據(jù)此可判斷所出現(xiàn)的問題；
（3）讀取電流表示數(shù)時(shí)，注意選擇的量程和對(duì)應(yīng)的分度值；已知額定電壓和正常工作電流，利用P=UI計(jì)算燈泡的額定功率；
（4）根據(jù)串聯(lián)電路的特點(diǎn)分析燈泡是否能夠正常發(fā)光；電壓表并聯(lián)在電路中，電流應(yīng)從正接線柱流入，負(fù)接線柱流出；
（5）在沒有電流表的情況下，利用定值電阻R₀′和電壓表代替電流表與燈泡串聯(lián)，通過開關(guān)的轉(zhuǎn)換，移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片，使燈泡兩端的電壓等于2.5V，使燈正常發(fā)光；
保持滑片的位置不動(dòng)，再通過開關(guān)的轉(zhuǎn)換使電壓表測(cè)出燈與定值電阻R₀′的電壓U；
在前后兩次開關(guān)轉(zhuǎn)換的過程中，電路的連接關(guān)系沒有改變，各用電器分得的電壓保持不變，此時(shí)燈仍正常發(fā)光，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律可求出此時(shí)定值R₀′的電壓，由歐姆定律求出通過定值電阻R₀′的電流，根據(jù)串聯(lián)電路電流的規(guī)律，即燈正常發(fā)光時(shí)的電流大小，根據(jù)P=UI寫出小燈泡額定功率的表達(dá)式．

解答 解：（1）小燈泡的右接線柱與滑動(dòng)變阻器的右側(cè)的下接線柱相連；已知小燈泡的額定電壓為2.5V，故選0～2.5V的量程，把電壓表并聯(lián)在燈泡兩端，如下圖：

（2）連接電路后，燈泡立即發(fā)出明亮的光，兩電表的指針立即偏轉(zhuǎn)到最右側(cè)，說明電路中電阻較小，故問題為：閉合開關(guān)前，滑動(dòng)變阻器滑片未至于最大阻值處；
（3）電流表量程為0～0.6A，分度值為0.02A，由圖乙可得電流表的示數(shù)為0.5A，燈泡的額定功率為P=UI=2.5V×0.5A=1.25W；
（4）由題意知，電源電壓約為4.5V，燈泡正常發(fā)光時(shí)電阻為R_L=$\frac{{U}_{L}}{{I}_{L}}$=$\frac{2.5V}{0.5A}$=5Ω，
當(dāng)變阻器電阻為零時(shí)，設(shè)燈泡兩端的電壓為U_L，根據(jù)串聯(lián)電路電流相等的特點(diǎn)有：
$\frac{{U}_{L}}{{R}_{L}}$=$\frac{U-{U}_{L}}{{R}_{0}}$，即：$\frac{{U}_{L}}{5Ω}$=$\frac{4.5V-{U}_{L}}{5Ω}$，
解得：U_L=2.25V，所以無論怎樣調(diào)節(jié)變阻器，都不能使燈泡正常發(fā)光；
保持滑片位置不變，只將電壓表的a點(diǎn)接線改接到c點(diǎn)，電壓表的正負(fù)接線柱接反，無法測(cè)出R₀兩端的電壓；
（5）由（4）可知，要使小燈泡兩端的電壓等于額定電壓，應(yīng)使R₀′兩端的電壓小于小燈泡兩端電壓，故R₀′阻值要小于R₀=5Ω；
①閉合開關(guān)S₁，將S₂撥到觸點(diǎn)b，移動(dòng)滑片，使電壓表的示數(shù)為2.5V；
②再將開關(guān)S₂撥到觸點(diǎn)a，保持滑片的位置不動(dòng)，讀出電壓表的示數(shù)U；
③根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，此時(shí)定值電阻R₀′兩端的電壓：U₀=U-U_額=U-2.5V，
通過燈泡的電流：I_額=I₀=$\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}′}$=$\frac{U-2.5V}{{R}_{0}′}$，
則小燈泡額定功率：P_額=U_額I_額=$\frac{2.5（U-2.5）}{{R}_{0}′}$．
故答案為：
（1）如上圖；
（2）閉合開關(guān)前，滑動(dòng)變阻器滑片未至于最大阻值處；
（3）1.25；
（4）無論怎樣調(diào)節(jié)變阻器，都不能使燈泡正常發(fā)光；只將電壓表的a點(diǎn)接線改接到c點(diǎn)，電壓表的正負(fù)接線柱接反；
（5）小于；    2.5；$\frac{2.5（U-2.5）}{{R}_{0}′}$．

點(diǎn)評(píng) 本題是測(cè)量小燈泡的額定功率實(shí)驗(yàn)，考查了電路的連接、電路故障的分析、電流表的讀數(shù)及電功率的計(jì)算，同時(shí)考查了對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析，關(guān)鍵掌握測(cè)量的原理及電表的使用方法．