Question

5．市場(chǎng)上有一種用兩節(jié)干電池供電的小型電風(fēng)扇．某物理研究小組想粗測(cè)電風(fēng)扇正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率．于是找到了一臺(tái)該種電風(fēng)扇并從銘牌上讀出了額定電壓U，但是其它字跡看不清楚．該研究小組成員打開電風(fēng)扇底座上的電源蓋并取出了兩節(jié)電池，并從電風(fēng)扇裝電池處兩端各接出一條引線，手邊提供的器材有電流表，電壓表，滑動(dòng)變阻器，備用電池若干節(jié)，電鍵，若干導(dǎo)線，固定電池的電池盒． 
（a）該小組進(jìn)行了如下的部分實(shí)驗(yàn)步驟，請(qǐng)寫出第三步實(shí)驗(yàn)過程
①按事先設(shè)計(jì)的電路連接各元件，并使滑片處于使電路電阻最大處
②合上開關(guān)，使滑片從最左端開始緩慢移動(dòng)，使電壓表和電流表都有明顯的讀數(shù)，但電風(fēng)扇并未轉(zhuǎn)動(dòng)，讀出此時(shí)的電壓表和電流表讀數(shù)U₀、Ⅰ₀．
③繼續(xù)向右調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使電壓表讀數(shù)為U，讀出電流表讀數(shù)為I，
④用測(cè)的量表示出電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的效率的表達(dá)式$\frac{{{I_0}U-I{U_0}}}{{{I_0}U}}$．
（b）按上述實(shí)驗(yàn)過程，本實(shí)驗(yàn)的電路圖應(yīng)選擇甲（填“甲”或“乙”）

Answer 1

分析 由題意可知實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量電風(fēng)扇正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率；則可分析出實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)步驟；由測(cè)量得出的數(shù)據(jù)可知有關(guān)效率的表達(dá)式；由實(shí)驗(yàn)過程并分析不同接法中的誤差可選擇電路圖．

解答 解：（a）電動(dòng)機(jī)輸出的功等于電動(dòng)機(jī)消耗的電能與電阻上產(chǎn)生熱量的差值；由題意可知，要測(cè)量能量轉(zhuǎn)化的效率應(yīng)先測(cè)出電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)的電阻，則可求得電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生的內(nèi)能；再調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使電風(fēng)扇正常工作，即電動(dòng)機(jī)兩端的電壓應(yīng)為U，故應(yīng)使電壓表讀數(shù)為U，讀出電流表的示數(shù)，則可求得電動(dòng)機(jī)消耗的電能及電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻上消耗的內(nèi)能，即可求出效率；
故③應(yīng)為：調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使電壓表讀數(shù)為U，讀出電流表讀致為I；
④由歐姆定律可得，電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻r=$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$； 電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，消耗的電功率為U₀I₀；電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻上產(chǎn)生的熱功率為I²r=I²$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$；故產(chǎn)生的風(fēng)能為UI-I²$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$；
故工作效率表達(dá)式應(yīng)為：UI-I$\frac{UI-{I}_{\;}^{2}\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}}{UI}$=$\frac{{I}_{0}U-I{U}_{0}}{{I}_{0}U}$；
（b）由題意可知，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)使電動(dòng)機(jī)兩端的電壓應(yīng)達(dá)到額定電壓，而實(shí)驗(yàn)中的風(fēng)扇是采用兩節(jié)干電池供電，故采用兩節(jié)干電池供電時(shí)，電壓稍大于額定電壓，故采用限流接法無法保證達(dá)到額定電壓，故應(yīng)采用分壓接法，故應(yīng)選用甲圖接法；
故答案為：（a）③電壓表讀數(shù)為U，讀出電流表讀數(shù)為I；④$\frac{{{I_0}U-I{U_0}}}{{{I_0}U}}$；（b）甲．

點(diǎn)評(píng) 對(duì)于實(shí)驗(yàn)的考查轉(zhuǎn)向?yàn)榭疾樵O(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求我們?cè)诮忸}時(shí)要注意認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)的目的、原理及題目中給出的實(shí)驗(yàn)步驟，從中找出解決題目的關(guān)鍵．