Question

16．小明按如图所示电路图做“测量灯泡的电功率”的实验．实验室可提供下列器材A．电流表    B．电压表    C．滑动变阻器R（阻值0〜20Ω）   D．电阻为6Ω的待测灯泡L（电阻不随温度变化）   E．电源E（电压4.5V并保持不变）F．开关S及导线若干
（1）根据电路图和实验室提供的器材，可判断出：实验时通过灯泡的最小电流为0.17A；加在灯泡两端的最大电压为4.5V；
（2）若小明所选电压表的量程为0～3V、电流表的量程为0～0.6A，实验要求测量时通过灯泡的电流至少为电流表满刻度的三分之一，则测出的灯泡的功率范围只能是0.24W～1.5W．
（3）小明按电路图连接好电路后进行实验，由于电路中某一处有故障，当闭合开关时电压表无示数，为查出电路故障，小明进一步观察并检查电路．当检查到电源、开关、电压表、电流表、导线及其连接都完好时，小明结合前面的现察，就可判断出电路的故障：
如果小明观察到电流表无示数，则故障是滑动变阻器断路；
如果小明观察到电流表有示数，则故障是灯泡短路．
（4）排除故障后，小明继续进行实验，在对测量数据的记录和处理时，他设计了如表表格．你认为这张表格的设计是错误（正确/错误）的．理由是灯泡在不同电压下的实际功率不同，求不同电压下功率的平均值是错误的．

次数	U/V	I/A	P/W	平均值P/W
1
2
3

Answer 1

分析 （1）由电路图可知，灯泡与滑动变阻器串联，电压表测灯泡两端电压，当滑动变阻器阻值全部接入电路时，电路电流最小，由欧姆定律可以求出最小电流；当滑动变阻器接入电路的阻值为零时，灯泡两端的电压最大，等于电源电压．
（2）电路电流最小时，灯泡电功率最小，由电功率公式P=I²R可以求出灯泡最小功率；当灯泡电压最大，等于电压表最大示数时，灯泡功率最大，由电功率公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可以求出灯泡的最大功率．
（3）由题意知，电源、开关、电压表、电流表、导线及其连接都完好，不存在电路故障，电路只有一处故障，电路故障只能出现在灯泡或滑动变阻器处；如果电流表无示数，电压表无示数，则可能是滑动变阻器断路造成的，如果电流表有示数，电压表无示数，可能是灯泡短路造成的．
（4）灯泡两端电压增大，电流增大，功率增大，设计功率的平均值是错误的．

解答 解：（1）滑动变阻器接入电路的阻值为滑动变阻器最大阻值时，电路电流最小，
为I_最小=$\frac{U}{{R}_{L}+{R}_{最大}}$=$\frac{4.5V}{6Ω+20Ω}$≈0.17A；
当滑动变阻器接入电路的阻值为零时，加在灯泡两端的电压最大，等于电源电压，为4.5V；
（2）由题意知，流过电路的最小电流等于电流表量程的三分之一，为I_最小=$\frac{1}{3}$×0.6A=0.2A，灯泡的最小功率P_最小=I_最小²R_L=（0.2A）²×6Ω=0.24W，当灯泡两端电压等于电压表最大值3V时，灯泡功率最大，灯泡最大功率P_最大=$\frac{{U}_{最{大}^{2}}}{{R}_{L}}$=$\frac{{（3V）}^{2}}{6Ω}$=1.5W；则灯泡的功率范围是0.24W～1.5W；   
（3）如果电流表无示数，则电路存在断路，电路只有一处故障，故断路位置可能是灯泡断路或滑动变阻器断路，如果灯泡断路，电压表与电源两极相连，电压表示数不为零，如果滑动变阻器断路，电路中无电流，电压表与电源两极不能相连，则电压表示数为零，由此可见：电路故障是滑动变阻器断路；如果电流表有示数，电路不存在断路，如果灯泡短路，则与灯泡并联的电压表示数为零，所以电路故障是灯泡断路；
（4）灯泡电压增大，电流增大，实际功率增大，灯泡在不同电压下的实际功率不同，求不同电压下功率的平均值是错误的，设计功率的平均值一栏是错误的．
故答案为：（1）0.17；4.5；（2）0.24W～1.5W；（3）电流表无示数；滑动变阻器断路；电流表有示数；灯泡短路；（4）错误；灯泡在不同电压下的实际功率不同，求不同电压下功率的平均值是错误的．

点评 本题考查实物电路的连接、求电路电流、灯泡电阻、电路故障分析、实验表格设计评价等问题，熟练应用串联电路特点、欧姆定律及电功率公式即可顺利解答（1）（2）两问，电路故障有两种：断路或短路，分析电路故障时，要根据电路故障现象，综合分析从而得出结论．