Question

5．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，则接下来的操作是将电压表指针调零．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、小”）．
（4）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”）．

Answer 1

分析 （1）①由图知，电流表指针没有指在零刻度线上，使用电流表前应对电流表进行机械调零，使指针指在零刻度线上；
②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；灯丝电阻随温度的增大而增大．
（3）①物质由固态直接变为气态的过程叫升华；②灯的亮度取决于灯的实际功率，在两端电压一定时，
由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$讨论用电器消耗的功率的变化；
（4）在探究电流与电阻的关系时，要控制不同定值电阻的两端电压不变，根据分压原理求出当接入最大的定值电阻时变阻器的最小阻值，从而确定变阻器的规格．

解答 解：（1）①电流表指针没有指在零刻度线上，应先对电流表调零；
②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）①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；
②当电压增大时，通过的电流也增大，灯的实际功率增大，灯的温度升高，而灯泡的电阻随温度的升高而增大，根据欧姆定律R=$\frac{U}{I}$，电压与电流的比值是变大的；
（3）①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；
②根据影响电阻大小的因素，在长度、材料、温度不变的情况下，灯丝变细，电阻增大，由公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$知，消耗的功率变小，即实际功率减小；
（4）由图象知，不同阻值的电阻两端电压都等于0.5A×5Ω=0.25A×10Ω=…=2.5V，当接入25Ω的定值电阻与滑动变阻器串联，由分压原理，$\frac{{U}_{变}}{{U}_{定}}=\frac{{R}_{变}}{{R}_{定}}$，变阻器的最小阻值R_变=$\frac{{U}_{变}}{{U}_{定}}$×R_定=$\frac{3.5}{2.5}$×25Ω=35Ω＞20Ω，由图丁知，电路中的最大电流为0.5A，结合变阻器的最大阻值和允许通过的最大电流，所以滑动变阻器选择“50Ω 0.5A”；
故答案为：（1）将电压表指针调零；灯泡断路；
（2）0.625；变大；
（3）升华；小；
（4）R₂．

点评 本题测小灯、泡的电功率，考查器材的调试、常见故障的分析、电功率的计算、升华现象、影响电阻大小的因素、器材的选用、控制变量等知识，综合性较强．