Question

20．（1）如图是小明“探究串联电路中电压特点”的电路图，按图所示的电路图连接电路，闭合开关，用电压表测出L₁两端的电压，再测L₂两端的电压时，小明为了节省时间，采用以下方法：电压表所接的B接点不动，只断开A接点，并改接到C接点上，测出BC间的电压，小明用上面的方法不能（选填“能”或“不能”）测出L₂两端的电压？理由是：电压表正负接线柱接反了；方法改进后，继续测出BC、AC间的电压，小明由此得出：串联电路两端的总电压等于各部分电压之和；你认为在选择灯泡时，L₁和L₂的规格应该不同（选填“相同”或“不同”）．

（2）小华用如图乙所示电路测量额定电压为2.5V小灯泡的额定功率．
①开关闭合前，滑动变阻器滑片应该移动到最右（选填“左”或“右”）端；
②开关闭合后，若电路连接正确，发现小灯泡不亮，电压表无示数，电流表指针明显偏转，产生这一现象的原因是灯短路；
③排除故障后，移动滑片，获得多组对应的电压、电流值，绘出如图丙的I-U图象，则小灯泡的额定功率为0.5W，小灯泡的电阻值随电压的升高而逐渐增大．
④实验结束后，她想设计一个不用电压表测定该小灯泡额定功率的实验方案．于是向老师借了一个阻值为R₀的定值电阻（阻值已知）和一个单刀双掷开关，利用原有实验器材，设计了如图丁所示的电路图（部分器材未画出），顺利完成了实验，假如你是同组成员，请你帮助小华补全实验方案．
a．请在丁图中将部分器材补画完整；
b．闭合开关S，将S₁拨向触点1（选填“1”或“2”），调节滑动变阻器的滑片，使电流表的示数为0.2A（或$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）；
c．闭合开关S，将S₁拨向另一触点，同时保持滑动变阻器的滑片不动（选填“适当调节滑动变阻器的滑片”或“保持滑动变阻器的滑片不动”），读出电流表的示数为I；
d．灯泡额定功率的表达式为：P=（I₁-0.2A）×R₀×0.2A（或2.5V×（I₁-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）．

Answer 1

分析 （1）电压表测电压时要注意电流从正接线柱流入，从负接线柱流出；
串联电路两端的总电压等各部分电压之和；
为避免实验的偶然性，得出普遍性的结论，应选用规格不同的灯泡多次测量；
（2）①开关闭合前，为保护电路，滑动变阻器滑片应该移动到阻值最大处；
②开关闭合后，若电路连接正确，电流表指针明显偏转，说明电路为通路，根据小灯泡不亮，电压表无示数
分析故障原因；
③根据图丙的I-U图象，找到额定电压下的电流，根据P=UI求灯的额定功率；
由通过灯的电流随电压的增大而变大，结合灯的电功率，根据小灯泡的电阻值随温度的升高而变大分析；
④在没有电压表的情况下测小灯泡额定功率，定值电阻和电流表应起到电压表的测量作用，灯的额定电流为0.2A，先通过移动变阻器的滑片，使通过灯的电流为0.2A，灯正常发光，故电流表与灯串联，下面的框为灯，上面的框为定值电阻，在滑片位置不动的情况下，通过开关的转换使电流测灯与定值电阻并联的电流I₁，因各电阻的大小和电压大小均不变，灯始终正常发光，故通过灯的电流为0.2A不变，根据并联电路电流的规律，可求出通过定值电阻的电流，由欧姆定律变形公式可得出定值电阻的电压，根据并联电路电压的规律，可得灯的额定功率，根据P=UI测出灯的额定功率．
或下面的框为定值电阻，上面的框为灯，
S置于1，通过移动滑片，使电流表示数为$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，根据并联电路电压的规律，灯的电压为2.5V，灯正常发光；
保持滑片的位置不变，通过开关的转换使电流表测通过通过灯与定值电阻的总电流，根据并联电路电流的规律可求出灯的额定电流，根据根据P=UI测出灯的额定功率．

解答 解：（1）用电压表测出L₁两端的电压，则电压表右接线柱为“正”接线柱，左接线柱为负接线柱，再测L₂两端的电压时，小明为了节省时间，采用以下方法：电压表所接的B接点不动，只断开A接点，并改接到C接点上，则会造成电流从电流表负接线柱流入，无法测出BC间的电压，故小明用上面的方法不能测出L₂两端的电压？理由是：电压表正负接线柱接反了；
小明由此得出：串联电路两端的总电压等各部分电压之和；为得出普遍性的结论，应选用规格不同的灯泡；
（2）小华用如图乙所示电路测量额定电压为2.5V小灯泡的额定功率．
①开关闭合前，为保护电路，滑动变阻器滑片应该移动到阻值最大处，即最右端；
②开关闭合后，若电路连接正确，电流表指针明显偏转，说明电路为通路，发现小灯泡不亮，电压表无示数，产生这一现象的原因是与电压表并联的灯短路了；
③排除故障后，移动滑片，获得多组对应的电压、电流值，绘出如图丙的I-U图象，由图可知，当灯的电压为2.5V时，通过灯的电流为0.2A，则小灯泡的额定功率P=UI=2.5V×0.2A=0.5W；
通过灯的电流随电压的增大而增大，根据P=UI灯的功率也增大，灯丝的温度升高，因灯的电阻随温度的升高而变大，故灯丝的电阻也变大了，即小灯泡的电阻值随电压的升高而逐渐增大．
④a．上面框内为定值电阻，下面为灯，电路连接如下左图所示：


b．闭合开关S，将S₁拨向触点 1，调节滑动变阻器的滑片，使电流表的示数为0.2A；
c．闭合开关S，将S₁拨向另一触点2，同时保持滑动变阻器的滑片不动，读出电流表的示数为I；
d．在上面的b操作过程中，电流表测通过灯的电流，在c操作中，电流表测定值电阻与灯并联的总电流，在开关转换过程中，电路的连接关系没有改变，因滑片不动，故各电阻的大小和电压大小均不变，故通过灯的电流为0.2A不变，根据并联电路电流的规律，通过定值电阻的电流：
I₀=I₁-0.2A，
由欧姆定律I=$\frac{U}{R}$，定值电阻的电压即灯的额定电压为：
U_R0=U_L=I₀R₀=（I₁-0.2A）R₀，
灯的泡额定功率的表达式为：
P=U_L×I_L=（I₁-0.2A）×R₀×0.2A．
另解：若下面的框为定值电阻，上面的为灯，即采用上面的右图：
b．闭合开关S，将S₁拨向触点 1，调节滑动变阻器的滑片，使电流表的示数为$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；
c．闭合开关S，将S₁拨向另一触点2，同时保持滑动变阻器的滑片不动，读出电流表的示数为I；
d．在上面的b操作过程中，电流表测通过定值电阻的电流，在c操作中，电流表测定值电阻与灯并联的总电流，在开关转换过程中，电路的连接关系没有改变，因滑片不动，故各电阻的大小和电压大小均不变，故通过定值的电流不变，根据并联电路电流的规律，通过灯的额定电流：
I_L=I₁-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，灯的泡额定功率的表达式为：
P=U_L×I_L=2.5V×（I₁-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）．
故答案为：（1）不能；电压表正负接线柱接反了；各部分电压之和；不同；（2）①右；②灯短路；③0.5；增大；④a．如上左图（或右图）所示；b.1；0.2A（或$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）；c．保持滑动变阻器的滑片不动；  d．（I₁-0.2A）×R₀×0.2A（或2.5V×（I₁-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$））．

点评 本题探究串联电路中电压特点，考查电压表的正确使用、串联电路电压的规律及归纳法的运用，同时也考查了测灯的功率的注意事项、故障分析、影响电阻大小的因素及设计实验方案的能力，为压轴题．