Question

10．在测量小灯泡的电功率的实验中，小灯泡的额定电流为0.3A，灯丝阻值在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）小红没用电压表，但多用了一个开关，其它器材与小明的相同，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； 然后只闭合开关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；
③小灯泡的额定功率的表达式：P_额=I_e²（$\frac{U}{{I}_{e}}$-$\frac{U}{I}$）．（可能用到的物理量有：电源电压U、灯泡的额定电流I_e、滑动变阻器的最大阻值R₀、实验中测得的I）
（5）小亮利用该电路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，多次更换阻值不同的定值电阻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）在连接电路时，为防止电路中电流过大，开关应断开，滑动变阻器的滑片应滑到电阻最大位置；
小灯泡不亮，原因有二：断路或短路．具体故障根据电流表或电压表示数确定；
（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，根据额定电流，首先用变阻器调节使灯泡正常发光，然后将变阻器单独接入电路，保持其阻值不变，根据电源电压和电流表的示数计算出变阻器的阻值，从而可计算出灯泡正常发光时的电压，由P=UI得出灯泡的额定功率表达式．
（5）根据电压表的示数；结合串联电路的电阻与电压的关系，并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，则灯泡额定电压U=IR在3V～4.5V间，电压表应选0～15V量程，电压表与灯泡并联，电路图如图1所示：

（2）在连接电路时，为防止电路中电流过大，开关应断开，滑动变阻器的滑片应滑到电阻最大位置，即最右端位置；
闭合开关，灯泡不亮，可能是灯泡短路或电路存在断路造成的，电流表无示数，说明电路存在断路；电压表有示数，说明电压表与电源相连通，测量电源电压，则与电压表并联的灯丝断了，电压表串联在电路中，即灯泡断路．
（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=UI=4V×0.3A=1.2W；
（4）首先，只闭合开关S₁，移动滑片P，使电流表的示数为0.3A，此时灯泡正常发光；
再闭合开关S₂，不移动滑片P位置，记下电流表示数为I，则此时滑动变阻器的阻值R_滑=$\frac{U}{I}$；
则灯泡正常发光时滑动变阻器两端的电压U_滑=I_eR_滑=$\frac{U{I}_{e}}{I}$，灯泡的额定电压U_额=U-U_滑=U-$\frac{U{I}_{e}}{I}$，则灯泡的额定功率：
P_额=U_额I_额=（U-$\frac{U{I}_{e}}{I}$，）I_e=I_e²（$\frac{U}{{I}_{e}}$-$\frac{U}{I}$）．
（5）在探究电流跟电阻的关系的实验中，保持电阻两端的电压为2V不变，则根据串联电路的电流相同的特点得：
I_定值=I_滑动，
即：$\frac{{U}_{定值}}{{R}_{定值}}$=$\frac{U-{U}_{定值}}{{R}_{滑动}}$，
$\frac{2V}{{R}_{定值}}$=$\frac{6V-2V}{{R}_{滑动}}$，
故R_定值=$\frac{1}{2}$R_滑动，
因为R_滑动≤50Ω，所以R_定值=$\frac{1}{2}$R_滑动≤$\frac{1}{2}$×50Ω=25Ω．
故答案为：（1）见上图；（2）右；灯泡断路；（3）4；1.2；（4）①0.3A；②不动；③I_e²（$\frac{U}{{I}_{e}}$-$\frac{U}{I}$）；（5）25．

点评 本题考查了连接电路图、实验器材的选择、电压表读数、求灯泡功率、实验电路图及实验步骤的设计等问题，（4）问设计实验电路、实验步骤难度较大，是本题的难点．