Question

12．在“测小灯泡电功率”的实验中，选用如图甲所示的器材，其中电源电压为 6V，小灯泡额定电压为2.5V（灯丝电阻约为 12Ω ）．

（1）为能顺利完成该实验探究，下列两种规格的滑动变阻器应选用B（选填“A”或“B”）．
A，“10Ω  1A”B，“20Ω  0.5A”
（2）用画笔线代替导线，将图甲所示的实物电路连接完整（使滑片向 A 端滑动灯泡变暗）．
（3）闭合开关前，应将图甲中的滑动变阻器的滑片滑到A（选填“A”或“B”）端．
（4）闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，发现小灯泡始终不发光，电压表有示数，电流表无示数，若电路只有一处故障，则故障原因是灯泡断路．
（5）排除故障后，闭合开关，移动滑片，发现电压表的示数如图乙所示，其读数是2.2V；为了测量小灯泡的额定功率，应将滑动变阻器的滑片向B（选填“A”或“B”）端移动．
（6）通过小灯泡的电流随它两端电压变化的关系如图丙所示．分析图象可知：
①该小灯泡正常发光时的电阻是12.5Ω，额定功率为0.5W．
②小灯泡灯丝的电阻是变化的，主要是受温度变化的影响．
（7）完成上述实验后，小亮还想测另一个U_额=3.8V 的小灯泡的额定功率，他发现电流表已坏，于是
向老师借了一个单刀双掷开关和已知阻值的定值电阻R₀，借助部分现有的实验器材，设计了如图丁所示的电路，测出了小灯泡的额定功率．请你帮他完成实验步骤：
①连接电路，闭合开关S₁，单刀双掷开关S₂ 接2，移动滑片，使电压表示数为3.8V．
②保持滑片的位置不动，再将单刀双掷开关S₂拨到触点1，读出电压表示数为U．
③小灯泡的额定功率表达式P_额=U_额×$\frac{U{-U}_{额}}{{R}_{0}}$．（用物理符号表示）

Answer 1

分析 （1）由小灯泡额定电压为2.5V（灯丝电阻约为 12Ω ），由欧姆定律，求灯正常工作时的电流大小，根据串联电路电压的规律，求出灯正常发光时变阻器分去的电压，再由欧姆定律求变阻器连入电路中的电阻大小，综合电阻大小和允许通过的电流大小，确定变阻器的规格；
（2）根据小灯泡额定电压为2.5V确定电压表量程与灯并联，因要求滑片向 A 端滑动灯泡变暗，即电流变小，变阻器连入电路中电阻变大，确定变阻器接线柱的连接；
（3）闭合开关前，为保护电路，应将图甲中的滑动变阻器的滑片移动到阻值最大处；
（4）闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，发现小灯泡始终不发光，电流表无示数，说明灯可能断路；电压表有示数，说明与电压表并联的灯之外的电路是连通的，若电路只有一处故障，则故障原因是与电压表并联的灯断路了；
（5）闭合开关，移动滑片，由图乙电压表小量程读数，因灯在额定电压下正常发光，根据串联电路电压的规律及分压原理确定滑动变阻器的滑片移动的方向；
（6）①根据小灯泡的电流随它两端电压变化的关系，找出额定电压下通过灯的电流，根据欧姆定律及P=UI分别求灯正常发光的电阻和额定功率；
②小灯泡灯丝的电阻是变化的，主要是受温度变化的影响；
（7）要测量小灯泡的额定功率，首先移动变阻器的滑片，使灯泡两端的电压等于3.8V，灯正常发光，保持滑片的位置不动；
通过开关的转换，用电压表测出灯与定值电阻两端的电压，因在开关的转换过程中，电路的连接没有改变，滑动变阻器滑片位置不变，各用电器的电阻、电压不变，灯仍正常发光，根据串联电路电压的规律，求出定值电阻的电压，由欧姆定律，求出通过定值电阻的电流，即灯泡正常发光时的电流，根据P=UI写出灯泡的额定电功率的表达式．

解答 解：（1）其中电源电压为 6V，小灯泡额定电压为2.5V（灯丝电阻约为 12Ω ），根据串联电路电压的规律，灯正常发光时变阻器分去的电压U_变=U-U_L=6V-2.5V=3.5V，由欧姆定律，灯正常工作时的电流I=$\frac{{U}_{L}}{R}$=$\frac{2.5V}{12Ω}$≈0.21A＜0.5A，
所以变阻器连入电路中的电阻大小R_滑=$\frac{{U}_{变}}{I}$=$\frac{3.5V}{\frac{2.5V}{12Ω}}$=16.8Ω＞10Ω，综合电阻大小和允许通过的电流大小，选用“20Ω 0.5A”的变阻器，即B；
（2）小灯泡额定电压为2.5V，所以电压表选用小量程与灯并联，要求滑片向A端滑动灯泡变暗，即电流变小，变阻器连入电路中电阻变大，故应将变阻器滑片以右电阻丝连入电路中，如下所示：

（3）闭合开关前，应将图甲中的滑动变阻器的滑片移动到阻值最大处，即滑到A端；
（4）经分析，闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，发现小灯泡始终不发光，电压表有示数，电流表无示数，若电路只有一处故障，则故障原因是灯泡断路；
（5）排除故障后，闭合开关，移动滑片，发现电压表的示数如图乙所示，分度值为0.1V，其读数是2.2V；灯在额定电压下正常发光，为了测量小灯泡的额定功率，应增大灯的电压，由串联电路电压的规律，要减小变阻分得的电压，根据分压原理，应减小变阻器连入电路中的电阻大小，应将滑动变阻器的滑片向B端移动；
（6）通过小灯泡的电流随它两端电压变化的关系如图丙所示，分析图象可知：
①该小灯泡正常发光时的电压为2.5V，对应的电流为0.2A，电阻R=$\frac{U}{I}=\frac{2.5V}{0.2A}$=12.5Ω，
额定功率为 P=UI=2.5V×0.2A=0.5W；
②小灯泡灯丝的电阻是变化的，主要是受温度变化的影响．
（7）①根据电路图连接电路，闭合开关S₁、S₂接2，调节滑动变阻器的滑片，使电压表示数为3.8V．
②保持滑动变阻器滑片位置不变，S₂接1，读出电压表示数U．
③在开关的转换过程中，电路的连接没有改变，滑动变阻器滑片位置不变，各用电器的电阻、电压不变，灯仍正常发光，在第2次操作中，电压表测灯与R₀的电压，根据串联电路电压的规律，R₀的电压U_R0=U-U_额，由欧姆定律，
通过定值电阻的电流I_R0=$\frac{U{-U}_{额}}{{R}_{0}}$，由串联电路电流的规律即为灯正常发光时的电流大小，
灯泡额定功率：P=U_额I_R0=U_额×$\frac{U{-U}_{额}}{{R}_{0}}$．
故答案为：（1）B；
（2）如所所示；
（3）A；
（4）灯泡断路；
（5）2.2；B；
（6）12.5；0.5；
（7）①3.8；
②再将开关S₂拨到触点1；③U_额×$\frac{U{-U}_{额}}{{R}_{0}}$．

点评 本题测小灯泡电功率，考查器材的选择、电路的连接、实验注事项、操作过程、电阻和额定功率的计算、影响电阻的因素及设计实验方案的能力，综合性强，有一定难度．