Question

19．小明需要完成“测量小灯泡的功率”的实验．所用器材有：标有“3.8V”字样的待测小灯泡（正常发光时电阻大约13Ω）、电压恒为6V 的电源、标有“30Ω 1A”的滑动变阻器、电流表（量程为0～0.6A、0～3A）、电压表（量程为0～3V、0～15V）、开关及导线若干．

（1）请在实物图上用画线的方法连接各元件，并使滑片向右移动时，电流表示数会变小，连接电路时，开关应断开．
（2）小明同学按电路图正确连接电路后，闭合开关，从大到小调节滑动变阻器的阻值，并将正确操作下的电压表和电流表的示数填入表．

电压表的示数U/V	电流表的示数I/A	小电灯的功率P/W
2.0	0.20
2.5	0.22
3.0	0.25
3.8	0.30
4.5	0.32

①小灯泡额定功率为1.14W．
②若电压表的0～15V 量程已损坏，只能使用0～3V 量程，其它器材不变，如何测出小灯泡的额定功率？在图2虚线框中画出测量电路图．
③若小灯泡两端最大可加4.5V电压，为保证实验时你所设计的测量电路中各元件的安全，参照小明的实验数据，滑动变阻器接入电路的阻值范围应为20.0_Ω～4.7Ω．（保留一位小数）
（3）小红和小莉两个同学也要分别做“测定小灯泡的功率”实验，除了小灯泡外她们所使用的器材规格均相同，小灯泡的额定电压可能是“2.2V”、“2.5V”或“3.8V”，小灯泡功率相差不大．小红同学正确连接好电路，闭合开关时记录了第1组数据，当小灯泡正常发光时记录了第2组数据，把滑片移到端点时，小灯闪亮一下，后熄灭，并记录了第3组数据，如表所示．

物理量 实验序号	电压表示数	电流表示数	小灯泡亮暗程度
1	1.3V	0.16A	暗
2	2.5V	0.20A	正常发光
3	4.5V	0A	不发光

而当小莉同学所选用的小灯泡也正常发光时，根据她所连接的电路，电压表的示数如图3所示，此时，滑片恰好在滑动变阻器的中点上，求此时滑动变阻器连入电路的电阻值为多少？小莉同学所选用小灯泡额定功率为多大？

Answer 1

分析 （1）向右移动滑片电流变小，电阻增大，离下接线柱变远，接左下接线柱；为了保护电路，连接电路时，开关应断开；
（2）①根据表中的额定电压和额定电流计算出额定功率；
②0～15V量程已损坏，而灯泡额定电压为3.8V，超过电压表的另一量程0～3V；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-3.8V=2.2V，小于电压表量程0～3V，因此可以用电压表测滑动变阻器电压，以便间接测量灯泡电压，据此设计电路．
③由表中的最大和最小电压值、电流值计算出滑动变阻器的范围；
伏安法测电阻的原理是欧姆定律；根据电路图连接实物电路图．
（3）利用小红同学的第3组数据判断出电源电压，根据第一次实验利用串联电路的特点和欧姆定律求得滑动变阻器的最大阻值，求得滑片中点时接入电路的电阻和电压，求得滑动变阻器电流即灯泡电流，根据P=UI计算灯泡额定功率．

解答 解：（1）通过灯泡的电流I=$\frac{U}{R}$=$\frac{3.8V}{13Ω}$=0.29A，故电流表的量程为0-0.6A；
滑动变阻器的向右移动滑片电流变小，电阻增大，离下接线柱变远，接左下接线柱；因灯泡的额定电压为3.8V，故电压表的量程为0-15V；电压表和电流表电流都正进负出；实物电路图如图所示：
为了保护电路，连接电路时，开关应断开；
（2）①由表中实验数据可知，灯泡额定电压3.8V对应的电流为0.3A，灯泡额定功率：P=UI=3.8V×0.3A=1.14W．
②电源、开关、滑动变阻器、灯泡、电流表组成串联电路，电压表并联在滑动变阻器两端，如图所示：
当灯泡正常发光时，灯泡和滑动变阻器串联在电路中，电源电压为6V，要使灯泡电压为3.8V，滑动变阻器两端电压为6V-3.8V=2.2V，把电压表并联在滑动变阻器的两端，移动滑动变阻器的滑片，示数为2.2V时，灯泡正常工作．
③由表中实验数据可知，灯泡电压为2V时，电流为0.2A，此时滑动变阻器两端电压：U_滑=U-U₁=6V-2V=4V，和滑动变阻器接入电路的阻值：R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{{I}_{1}}$=$\frac{4V}{0.2A}$=20.0Ω；当灯泡电压为4.5V时，电流为0.32A，此时滑动变阻器两端电压U_滑′=U=U2=6V-4.5V=1.5V，此时滑动变阻器接入电路的阻值为：R_滑′=$\frac{{U}_{{滑}^{′}}}{{I}_{2}}$=$\frac{1.5V}{0.32A}$≈4.7Ω；
滑动变阻器阻值变化范围是20.0Ω～4.7Ω．
（3）通过第三次电流为零，电压为4.5V知电路断路，电源电压为4.5V，第一次实验中滑片处于最大阻值处，闭合开关得到第一组数据，滑动变阻器电压为：U₁=U_总-U_L=4.5V-1.3V=3.2V，
滑动变阻器最大阻值为：R=$\frac{{U}_{1}}{{I}_{1}}$=$\frac{3.2V}{0.16A}$=20Ω，
小莉同学实验时，灯泡与滑动变阻器串联，使用的滑动变阻器相同，滑片恰好在滑动变阻器的中点上；
所以滑动变阻器接入电路的电阻：R′=$\frac{1}{2}$R=$\frac{1}{2}$×20Ω=10Ω，
电压表选择0～3V量程，分度值0.1V，则电压为2.3V，
根据串联电路的总电压等于各部分电压之和可得：
变阻器两端的电压U′=U-U_L=4.5V-2.3V=2.2V，
根据串联电路电流处处相等，所以灯泡电流为：I_L=I′=$\frac{{U}^{′}}{{R}^{′}}$=$\frac{2.2V}{10Ω}$=0.22A，
所以小莉同学所选用小灯泡的额定功率为：P_L=U_LI_L=2.3V×0.22A=0.506W．
故答案为：（1）见上图；断开；（2）①1.14；②把电压表并联在滑动变阻器的两端，移动滑动变阻器的滑片，示数为2.2V时，灯泡正常工作；
见上图；③20.0Ω～4.7Ω；（3）滑动变阻器连入电路的电阻值为10Ω；小莉同学所选用小灯泡额定功率为0.506W．

点评 本题考查了实验注意问题、连接实物电路图、实验操作评价、电表读数，求电阻、求功率问题；对电表读数时要先确定其量程与分度值，然后再读数，读数时视线要与电表刻度线垂直．