题目内容

9.物理课上,老师让同学们测一个小灯泡的额定功率.已知小灯泡的额定电压为2.5V,额定功率约为1.5W.老师准备的器材有:一个蓄电池(电压约为6V),一块电流表(量程:0~0.6A,0~3A),三个开关,若干导线.另外,老师还提供以下可供选择的器材:
A、定值电阻R1(阻值:10Ω);
B、定值电阻R2(阻值:200Ω);
C、滑动变阻器RP1(铭牌:20Ω  1A);
D、滑动变阻器RP2(铭牌:50Ω  0.5A);
请你帮助同学们设计一个实验方案,测出小灯泡的额定功率(电路不可重组、不能忽略温度对灯丝电阻的影响).要求:
(1)为测出小灯泡的额定功率,除了选择蓄电池、电流表、开关及导线外,还应选择的实验器材有A、C;(填写器材前面的字母序号)
(2)请在虚线框内画出你所设计的实验电路图;
(3)根据你所设计的电路,写出主要实验步骤和需测量的物理量;
(4)写出额定功率P的数学表达式(用已知量和测量量表示).

分析 (1)本题测小灯泡的额定功率,不能忽略温度对灯丝电阻的影响,所以只能使灯在正常工作的状态下测算有关的物理量.因没有电压表,电流表和定值电阻应起到测量电压的作用:首先将电流表与定值电阻串联后再与灯并联,最后将滑动变阻器串联在干路上,移动变阻器的滑片,当电流表示数为$\frac{2.5V}{R}$时,灯两端的电压一定为2.5V,灯一定正常发光,因电流表选用0-0.6A的量程,分度值为0.02A,由此确定定值电阻R的大小;
根据分压原理,可确定变阻器的连入电路中的最小阻值,据此确定变阻器的规格;
(2)、(3)、(4)在(1)的基础上,保持滑片位置不动,通过开关的转换,使电流表再测出灯正常工作时通过灯与定值电阻的电流I,因电路的连接没有改变,灯和定值电阻两端的电压都没有改变,通过定值电阻的电流不变,所以可求出此时通过灯的电流,根据P额=U额I额可求出灯的额定功率.

解答 解:(1)灯正常工作时的电流约为IL=$\frac{{P}_{L}}{{U}_{L}}=\frac{1.5W}{2.5V}$=0.6A,电流表选用小量程;灯正常工作时的电阻
约为RL=$\frac{{U}_{L}}{{I}_{L}}=\frac{2.5V}{0.6A}$=4.17Ω.当电流表示数为$\frac{2.5V}{R}$时,灯两端的电压一定为2.5V,灯一定正常发光,因电流表选用0-0.6A的量程,分度值为0.02A,若选用R2,则这个支路电流大小为$\frac{2.5V}{200Ω}$,电流太小,电流表无法测量,所以只能选用R1=10Ω的电阻,当移动滑片电流表示数为$\frac{2.5V}{10Ω}$=0.25A时,与R1并联的灯两端的电压一定为2.5V,灯正常工作;
由题意,变阻器应分去U滑=6V-2.5V=3.5V的电压,灯与定值电阻并联的电阻RLR=$\frac{10Ω×4.17Ω}{10Ω+4.17Ω}$=2.94Ω,根据分压原理,$\frac{{U}_{滑}}{{U}_{L}}=\frac{{R}_{滑}}{{R}_{LP}}$,所以,变阻器连入电路中的阻值至少R滑=$\frac{{U}_{滑}}{{U}_{L}}$×RLP=4.12Ω,所以变阻器选用C;
所以,为测出小灯泡的额定功率,选择蓄电池、电流表、开关及导线外,还应选择的实验器材有 A、C;
(2)根据以上分析可画出符合要求的电路图:

(3)①如上图连接电路,只闭合S1、S2,移动变阻器的滑片,使电流表示数为0.25A;
②保持滑片的位置不动,断开S2、闭合S3,记下此时电流表的示数I;
(4)在②中,因电路的连接关系没有改变,用电器两端的电压没有改变,通过定值电阻的电流仍为0.25A,根据并联电路电流的特点,所以此时通过灯的电流IL=I-0.25A,灯的额定电功率
PL=UL×IL═2.5V×(I-0.25A).
故答案为:(1)A、C;
(2)如上图所示;
(3)①如上图连接电路,只闭合S1、S2,移动变阻器的滑片,使电流表示数为0.25A;
②保持滑片的位置不动,断开S2、闭合S3,记下此时电流表的示数I;
(4)2.5V×(I-0.25A).

点评 本题测小灯泡的额定功率,考查器材的选择设计实验方案的能力,综合性强,难度大,对能力要求较高.

练习册系列答案
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1.小华和小军同学用电池组(电压为3V)、电压表、电流表 和滑动变阻器等实验器材,测量标有“2.5V”字样小灯泡的功率.
(1)如图所示是小华连接的实物图,请你用笔画线代替导线帮他们完成电路的连接.要求:滑动变阻器滑片P向A端滑动时,小灯泡亮度逐渐变亮.
(2)另一小组的同学在连接完电路闭合开关时,发现电压表的指针快速偏转到左边无刻度处,这是由于电压表正负接线柱接反了.
(3)电路连接正确后,闭合开关,发现小灯泡不亮,但电流表有示数,接下来应进行的操作是③(填序号).
①更换小灯泡②检测电路是否断路③移动滑动变阻器滑片
(4)在实验过程中,曾出现即使将滑动变阻器调至电阻最小的位置,灯泡微弱发光,两表示数很小的现象,小华检查时碰了一下灯座上的接线柱,突然灯泡变亮了,两表示数也变大了.小军认为这是接触不良造成的,为什么接触不良会造成这种现象呢?
小华分析:接触不良的地方电阻值变大,从而出现上述实验现象.实际家庭电路中发生接触不良是很危险的,依据焦耳定律,会造成局部过热,从而引发火灾,应尽量避免.
(5)小军同学按电路图正确连接电路后,闭合开关,从大到小调节滑动变阻器的阻值,并将正确操作下的电压表和电流表的示数填入下表.
电压表的示数U/V电流表的示数I/A小灯泡的功率P/W
2.00.2
2.50.22
3.00.25
通过上表数据,可算得小灯泡的额定功率为0.55W,还可得出关于灯丝电阻的结论是:灯丝电阻随温度升高而增大.

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