Question

15．小明利用如图甲所示电路测定小灯泡的功率．被测小灯泡的额定电压为2.5V，电阻约为10Ω左右．实验室有如下器材：电源（电压为 6V）、电流表（0～0.6A 0～3A）、电压表（0～3V 0～15V）、开关各一个、导线若干、滑动变阻器三只：R₁（20Ω 0.5A）、R₂（50Ω 0.5A）、R₃（500Ω 1A）．

（1）实验前在检查仪器时，发现电流表指针如图乙所示，则接下来的操作是调零．正确连接电路闭合 开关后，发现无论怎样移动滑动变阻器滑片，灯泡都不亮，电压表示数接近6V，电流表示数几乎为0，电路的故障可能是灯泡断路．
（2）排除电路故障后，闭合开关，改变滑动变阻器的阻值，多次测量，小明画出了小灯泡中电流随其两端电压变化的关系图象（如图丙），则小灯泡的额定功率为0.625W．在多次测量中，小明还发现：当电压表的示数增大时，电压表与电流表的示数之比变大．（选填“变大”、“变小”或“不变”）．
（3）小明又取了一个规格、型号完全相同的旧灯泡进行实验，发现在额定电压下工作时，灯泡亮度明显偏暗，小明仔细观察，发现这只灯泡的玻璃内壁变黑．灯泡亮度偏暗的原因是灯丝发光时发生升华（选填物 态变化名称）而变细，消耗的实际功率变小的缘故（选填“大”或“小”）．
（4）如图戊电路图中电源电压 U 保持不变，小灯泡的额定电压为U₀，且U＞U₀，定值电阻的阻值为R．在不改变电路连接的情况下，能测出小灯泡额定功率的是C，请写出实验步骤：①开关处于2的位置，电压表测量的是灯泡的两端电压，移动滑动变阻器使电压表示数为灯泡的额定电压值U0；②开关处于1的位置，电压表测量的是灯泡和电阻串联后的两端电压U′．并用测量的量和已知量表示额定功率：P=U₀I=$\frac{{U-{U}_{0}}^{′}}{{R}_{0}}•{U}_{0}$．
（5）灯泡的功率测量完毕，小明用5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω的定值电阻更换电路中的灯泡，探究电流跟电阻的关系，得到如图丁所示的电流I随电阻R变化的图象，则小明应选用滑动变阻器R₂（选填“R₁”、“R₂”或“R₃”）．若某次实验中滑动变阻器连入的阻值为14Ω，则所选定值电阻的阻值为10Ω．．

Answer 1

分析 （1）由图乙知，电流表指针没有指在电流表的零刻度线上，使用前应对电流表调零；闭合开关灯泡不亮，可能是灯泡断路或短路或灯泡之外的电路断路；电流表无示数可能是电路断路；电压表示数接近6V，等于电源电压，说明电压表与电源两端相连，电压表并联电路之外，不存在断路；综合分析知电路故障原因是：灯泡断路；
（2）已知灯泡的额定电压，通过图象得到额定电压下的电流，利用公式P=UI得到灯泡的额定功率；根据欧姆定律分别求出几个电阻值，判断电压与电流大小比值的大小变化；
（3）①物质由固态直接变为气态的过程叫升华；②在两端电压一定时，用电器消耗的功率的变化用公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$分析．
（4）小灯泡的额定功率等于额定电压和额定电流的乘积，小灯泡的额定电压U₀已知，关键是测出额定电流．可以不考虑S₁和滑动变电阻的作用，假设都是闭合状态，分别分析每个电路的开关及电流表和电压表的关系，看哪一个电路图能测量出灯泡的额定电流
（5）①在探究电流与电阻的关系时，要改变接入电路的电阻阻值大小，但不同阻值的电阻两端电压不变；
②串联电路中用电器两端电压与其阻值成正比，由图象可得电阻两端电压，已知电源电压和电阻两端电压，可以得到滑动变阻器两端电压，根据串联电路用电器两端电压与电阻的对应关系，得到定值电阻的阻值．

解答 解：（1）电流表指针没有指在零刻度线上，应对电流表进行机械调零，使电流表指针指在零刻度线上；
电路正确连接后，闭合开关，移动滑片P，发观灯泡总不亮，且电流表无示数，但电压表示数接近6V，则故障原因可能是灯泡断路；
（2）由图象知，在额定电压下，通过灯泡的电流为I=0.25A，所以灯泡的额定功率为P_额=U_额I=2.5V×0.25A=0.625W；由图象知，当电压为0.5V时，对应的电流为0.1A，电压与电流比值大小为5Ω；当电压为2.5V时，对应的电流为0.25A，电压与电流的比值为10Ω，所以，当电压表的示数增大时，电压表与电流表的示数之比变大；
（3）灯泡亮度偏暗的原因是灯丝发光时温度很高，钨丝由固态直接变为气态发生升华现象而变细；
灯丝变细，电阻增大，在两端电压一定时，由公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$知，消耗的功率变小，即实际功率减小；
（4）A、S₂闭合S₃断开时，电流表把灯泡短路，灯泡不发光；S₂断开S₃闭合时，电流表把电阻短路；两个都闭合或断开时，电流表均无示数．测不出灯泡的额定电流，该电路图不能选；
B、S₂闭合S₃断开，电压表测电灯两端的电压，其上端为正极、下端为负极；
S₃闭合S₂断开，电压表测定值电阻R两端的电压，其上端为负极，下端为正极；
电压表的两次接线方法相反，在不改变电路连接方式的情况下，无法进行测量，故不合题意；
C、将开关拨到2的位置，电压表测量的是灯泡的两端电压，调节滑动变阻器的滑片P，使得电压表的示数为U₀，则小灯泡正常发光；将开关拨到1的位置，电压表测量的是灯泡和电阻串联后的两端电压U₁，通过小灯泡的电流为I=$\frac{{U}_{1}-{U}_{0}}{R}$，小灯泡的额定功率表达式是P=U₀I=$\frac{{U}_{1}-{U}_{0}}{R}$U₀，C选项图可选．
D、开关处于1的位置，电流表把灯泡和电阻短路，电流表测量滑动电阻的电流；
开关处于2的位置，电流表把小灯泡短路，测量的是通过电阻的电流．测不出灯泡的额定电流，该电路图不能选．
故选 C．
（5）①由图象知，不同阻值的电阻两端电压等于0.5A×5Ω=0.25A×10Ω=…=2.5V
假设选择25Ω的定值电阻与滑动变阻器串联，由$\frac{{U}_{1}}{{U}_{2}}$=$\frac{{R}_{1}}{{R}_{2}}$知，要保持定值电阻两端电压为2.5V不变，滑动变阻器接入电路的电阻为35Ω，所以滑动变阻器选择“50Ω  0.5A”，即选择滑动变阻器R₂；
②滑动变阻器两端电压为U₂=U-U₁=6V-2.5V=3.5V
由串联电路的分压原理$\frac{{U}_{1}}{{U}_{2}}$=$\frac{{R}_{1}}{{R}_{2}}$，
代入数值得$\frac{2.5V}{3.5V}$=$\frac{{R}_{1}}{14Ω}$，
解得R₁=10Ω，即选择的定值电阻阻值为10Ω．
故答案为：（1）调零；灯泡断路；（2）0.625；变大；（3）升华；小；（4）C；①开关处于 2 的位置，电压表测量的是灯泡的两端电压，移动滑动变阻器使电压表示数为灯泡的额定电压值 U0；②开关处于 1 的位置，电压表测量的是灯泡和电阻串联后的两端电压 U′；P=U₀I=$\frac{{U}^{′}-{U}_{0}}{{R}_{0}}•{U}_{0}$；（5）R₂；10Ω．

点评 本题考查了电流表的调节及读数、求灯泡额定功率、电功率的变化以及滑动变阻器规格的选择，考查角度广，设计知识点多，综合性较强，具有一定的代表性．