Question

9．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，移动滑动变阻器的滑片P，眼睛应先注视电压表的示数，然后读出另一电表的示数，经多次测量，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）若电压表的0～3V量程已损坏，只能使用0～15V量程，其他器材不变，在虚线框中画出测量小灯泡电功率的电路图．
（4）灯泡的功率测量完毕后，小明增加了一只完好的电压表和5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω的定值电阻，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21Ω，则所选定值电阻的阻值为15Ω．

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电流表无示数说明电路故障为断路，电压表示数接近电源电压，说明电压表的正负接线柱与电源两极相连；
（2）当灯泡两端电压为额定电压时，灯泡正常发光；根据图丙读出当灯泡两端电压额定电压2.5V时，通过灯泡的电流，再根据P=UI求出灯泡的额定功率；
灯丝电阻随温度的升高而增大；
（3）若电压表0～3V量程已损坏，而灯泡额定电压为2.5V，远远小于电压表的另一量程0～15V；电源电压是6V，灯泡正常发光时，与灯泡串联的滑动变阻器电压为6V-2.5V=3.5V，因此为了测量准确，可以用电压表的0～15V的量程测滑动变阻器电压，据此设计电路图；
（4）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）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，说明电路故障为断路；电压表示数接近电源电压6V，说明电压表的正负接线柱与电源两极相连，因此电路故障为灯泡断路；
（2）当灯泡两端电压为额定电压时，灯泡正常发光，因此要测量不同电压下灯泡的功率，需注视电压表的示数，然后读出另一电表的示数；
由图丙可知，当灯泡两端电压为2.5V时，通过灯泡的电流为0.25A，则灯泡的额定功率：P_额=U_额I=2.5V×0.25A=0.625W；
因为灯丝的温度随电压的升高而增大，电阻随之增大，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）使电源、开关、滑动变阻器、灯泡、电流表串联连接，电压表并联在滑动变阻器两端，电路图如图所示：

（4）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$\frac{{U}_{1}}{{U}_{2}}$=$\frac{{R}_{1}}{{R}_{2}}$可知，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”；
②滑动变阻器两端电压为U₂=U-U₁=6V-2.5V=3.5V
由$\frac{{U}_{1}}{{U}_{2}}$=$\frac{{R}_{1}}{{R}_{2}}$可得：
$\frac{2.5V}{3.5V}$=$\frac{{R}_{1}}{21Ω}$
R₁=15Ω，即选择的定值电阻阻值为15Ω．
故答案为：（1）调零；灯泡断路；
（2）电压；0.625；变大；
（4）R₂；15Ω．

点评 本题考查了电流表的调节、电路故障分析、求灯泡额定功率、灯泡电阻与温度的关系、设计实验电路图、串联电路分压规律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．