Question

16．在测量小灯泡的电功率的实验中，所用小灯泡的额定电流为0.3A，正常工作时灯丝的阻值在10Ω-15Ω之间，所提供的器材有：电流表、电压表、电源（电压恒为6V），开关各一个，滑动变阻器（50Ω  1A）一个，导线若干．

（1）如图甲所示是小明没有连接完的实物电路，请你用笔画线代替导线将实物图补充完整．
（2）闭合开关前，甲图中的滑片P应位于最右（选填“左”或“右”）端，闭合开关无论怎样移动变阻器滑片P，发现小灯泡始终不亮，电压表有示数，电流表无示数，原因可能是小灯泡断路（写出一种即可）．
（3）排除故障，闭合开关，移动滑片，当电流表的示数为0.3A时，电压表的示数如图乙所示，读数为4V，小灯泡的额定功率为1.2W．
（4）小华没用电压表，但多用了一个开关，其它器材与小明的相同，她也测出了小灯泡的额定功率．她设计了如图丙所示电路图，请你帮她完成实验步骤并写出测定额定功率的表达式．
实验步骤：
①按图连接电路．然后闭合开关S₁，移动滑片P，使电流表的示数为0.3A；
②再闭合开关S₂滑片P位置不动（填“动”或“不动”），记下电流表示数为I（A）；
③她根据实验数据正确求出小灯泡的额定功率的表达式为（1.8-$\frac{0.54}{I}$）W（表达式中的未知量只可含有小华实验步骤②测出的电流表示数“I”），小华在实验步骤②记下的电流表示数I具体数值应该为0.9A．
（5）小明同学又利用该电路来做探究电流跟电阻的关系，他将小灯泡换成多个定值电阻R，保持电压表示数始终为2V，多次更换组织不同的定值电阻R，并记录各次电流表的示数，若不更换其他器材，为了能够完成实验，更换的电阻阻值不能够大于25Ω．

Answer 1

分析 （1）由电路图可知，电压表连线不完整，根据题意确定电压表量程，电压表应与灯泡并联；
（2）闭合开关前，滑片应滑到阻值最大值处；电流表无示数，说明电路可能断路，电压表有示数，说明电压表与电源连通了，由此判断电路故障；
（3）由图乙确定电压表量程与分度值，读出电压表示数，然后由电功率公式P=UI求出灯泡的功率；
（4）灯泡与滑动变阻器串联，用电流表测流过电路的电流，由串联电路特点及欧姆定律求出流过灯泡电流为灯泡额定电流时，灯泡两端电压，
然后由P=UI求出灯泡额定功率的表达式；又知道小灯泡的额定功率，进而求出小华在实验步骤②记下的电流表示数I具体数值；
（5）在探究电流跟电阻的关系的实验中，因为保持电阻两端的电压为2V不变，再根据串联电路的电阻与电压的关系，即可结合滑动变阻器的最大阻值解答．

解答 解：（1）灯泡额定电流为0.3A，灯丝阻值在10Ω～15Ω之间，
则根据U=IR可知，灯泡额定电压在3V～4.5V间，
故电压表应选0～15V量程，电压表与灯泡并联，电路图如图所示：

（2）为了电路安全，开关闭合前滑片应滑到阻值最大值处，因此甲图中的滑片P应位于最右端．
闭合开关，电流表无示数，说明电路是断路，小灯泡不发光，电压表有示数，说明与电压表并联的这部分电路断路了，即小灯泡断路．
（3）电压表量程是0～15V，由图乙可知，电压表分度值是0.5V，电压表示数是4V；
灯泡额定功率：P_额=U_额I_额=4V×0.3A=1.2W；
（4）①按图连接电路．然后只闭合开关S₁，移动滑片P，使灯泡正常发光，此时电流表的示数为0.3A；
②再闭合开关S₂滑片P位置不动，记下电流表示数为I（A）；此时灯泡短路，所以变阻器电压等于电源电压6V，
根据欧姆定律I=$\frac{U}{R}$得，滑动变阻器接入电路的阻值：
R_滑=$\frac{U}{I}$=$\frac{6V}{I}$，
由此可知当只闭合开关S₁时，滑动变阻器两端的电压：
U_滑=0.3A×R_滑=0.3A×$\frac{6V}{I}$=$\frac{1.8}{I}$V，
灯泡两端电压：
U_灯=U-U_滑=6V-$\frac{1.8}{I}$V；
③小灯泡的额定功率的表达式：
P_额=U_灯I_灯=（6-$\frac{1.8}{I}$）V×0.3A=（1.8-$\frac{0.54}{I}$）W．
由（3）可知，小灯泡的额定功率为1.2W，
即：P_额=（1.8-$\frac{0.54}{I}$）W=1.2W；
解得：I=0.9A．
（5）电源电压U=6V，电阻两端电压U_定=2V，
滑动变阻器分压U_滑=U-U_定=6V-2V=4V，
则根据串联电路的电流相同的特点得：I_定=I_滑，即：$\frac{{U}_{定}}{{R}_{定}}$=$\frac{{U}_{滑}}{{R}_{滑}}$，
代入数据得：$\frac{2V}{{R}_{定}}$=$\frac{4V}{{R}_{滑}}$，解得R_定=$\frac{1}{2}$R_滑；
因为滑动变阻器接入电路的阻值R_滑≤50Ω，
所以更换的电阻阻值：
R_定=$\frac{1}{2}$R_滑动≤$\frac{1}{2}$×50Ω=25Ω．
故答案为：（1）见解答上图；
（2）右；小灯泡断路；
（3）4；1.2；
（4）①0.3；②不动；③（1.8-$\frac{0.54}{I}$）；
（5）25．

点评 本题考查了连接实物电路、电路故障的判断、电压表读数、求灯泡功率、实验设计，串联电路特点和欧姆定律的应用等，考查知识点多，综合性强，尤其是第（4）问设计实验电路、实验步骤难度较大，是本题的难点．