Question

5．在“测定小灯泡的电功率”实验中，电源由两节新干电池组成，小灯泡L标有“2.5V”字样，滑动变阻器标有“10Ω 1Α”字样．
（1）请用笔画线代替导线，将图中实物电路正确连接完整．要求：闭合开关S前，移动变阻器的滑片P至左端时，变阻器连入电路的阻值最大．
（2）连接好电路，闭合电键，观察到灯泡L不发光，电压表示数为零．将电压表分别正确并联在AB、AC、AD两端，发现U_AB=U_AC=0，U_AD＞0．请判断，发生故障的是CD之间断路．
（3）故障排除后，小明通过实验测得如下数据，分析数据可知灯泡的额定功率是0.5W．

实验次数	电压表示数U/V	电流表示数I/A
1	2.0	0.17
2	2.5	0.20
3	3.0	0.22

（4）小明想通过实验来比较灯泡“实际电压是额定电压一半时的电功率P₁”和“实际电流是额定电流一半时的电功率P₂”的大小，但小明的同学没有通过实验也比较出了它们的大小，P₁应大于P₂（选填“大于”、“小于”或“等于”）．
（5）小明将灯泡换成定值电阻继续探究“电流与电阻关系”的实验，所选电阻最小值为5Ω，小明先将5Ω的电阻连入电路，当连好最后一根线时，发现电压表指针偏转超出量程的一半．小明在实验过程中存在的问题有：①连接电路时开关没有断开_；②开关闭合前滑片未置于最大阻值处．
（6）纠正错误后，他闭合开关，调节滑动变阻器的滑片使电压表示数为2V，读出电流表的示数，并记录在表格中．接着进行正确地操作将10Ω的电阻接入电路，为读取正确的电流值，他应将滑动变阻器的滑片向左移，当电压表示数为2V时，停止调节，读出电流表示数．按照小明的实验设计，为能读出相应的电流值，所选的定值电阻最大值为20Ω．

Answer 1

分析 （1）滑片P至电阻丝的左端时，变阻器连入电路的阻值为最大值，故需将滑动变阻器的右下接线柱接入电路；
（2）灯泡不亮，根据电压表接在不同两点间电压表示数情况，分析判断；
（3）由表中实验数据求出灯泡额定电压对应的电流，然后由P=UI求出灯泡额定功率；
（4）根据P=$\frac{{U}^{2}}{R}$和P=I²R，并考虑灯泡电阻受到温度的影响分析；
如果灯泡电阻不随温度变化，则灯泡电压为其额定电压一半时的电流等于额定电流的一半，其实际功率等于额定功率的四分之一；实际上灯泡电阻随温度升高而增大，所以灯泡实际电压为额定电压一半时的电流大于额定电流的一半，此时灯泡实际功率大于额定功率的四分之一；如果灯泡电阻不随温度变化而变化，电流等于额定电流一半时，灯泡实际功率等于额定功率的四分之一，实际上灯泡温度越低，灯泡电阻越小，通过灯泡电流为其额定电流一半时，灯泡电阻小于灯泡正常发光时的电阻，则灯泡实际功率小于额定功率的四分之一．
（5）连接电路时开关应该是断开的，滑动变阻器的滑片位于最大阻值处，否则会因为电路中电流过大出现损坏仪器的现象；
（6）要探究电流与电阻的关系，需要改变接入电路的定值电阻的阻值，同时保持两端电压一定；然后根据串联电路分压的特点确定滑片移动的方向；
探究电流与电阻的关系，应控制电阻两端电压保持不变；如果定值电阻阻值太大，定值电阻分压太大，把滑动变阻器阻值全部接入电路后，定值电阻两端电压仍会大于电阻两端应保持的电压，无法进行实验；应用串联电路特点与欧姆定律可以求出定值电阻的最大阻值．

解答 解：（1）变阻器应串联接入电路，因为滑片P至左端时，变阻器连入电路的阻值最大，所以将电源正极与滑动变变阻器的右下接线柱相连，如图所示：
；
（2）观察到灯泡L不发光，电压表示数为零，有可能是灯泡短路或断路造成的，发现_AB=U_AC=0，U_AD＞0，说明从D点、灯丝、电流表、滑动变阻器到电压的正负极是通路，所以是CD之间发生了断路；
（3）由表中实验数据可知，灯泡额定电压2.5V对应的电流为0.20A，灯泡额定功率P=UI=2.5V×0.20A=0.5W；
（4）因为P=$\frac{{U}^{2}}{R}$，
所以灯泡实际电压为其额定电压一半时，它的实际功率P₁＞$\frac{1}{4}$P_额；
因为P=I²R
所以实际电流等于额定电流一半时，实际功率P₂＜$\frac{1}{4}$P_额，
故P₁＞P₂；
（5）连接电路时，开关应该是断开的，连接完最后一根导线后发现电压表指针偏转超出量程的一半，造成上述现象的原因可能是：①连接电路时开关没有断开；②开关闭合前滑片未置于最大阻值处；
（6）定值电阻R的阻值由5Ω更换为10Ω时，根据串联电路分压的特点可知，定值电阻两端电压变大，因此需增大滑动变阻器两端电压，即增大滑动变阻器接入电路的阻值，故将滑片向左移动，直到电压表的示数为2V；
电阻两端电压为2V，滑动变阻器两端电压为3V-2V=1V，
当接入电路的阻值太大时，滑动变阻器分压仍小于1V，无法继续进行实验；
当滑动变阻器阻值全部接入电路时，
电路电流I=$\frac{{U}_{滑}}{{R}_{滑最大}}$=$\frac{1V}{10Ω}$=0.1A，
此时接入电路的定值电阻阻值最大，
由I=$\frac{U}{R}$得，R=$\frac{{U}_{R}}{I}$=$\frac{2V}{0.1A}$=20Ω．
故答案为：（1）见上图；（2）CD之间断路；（3）0.5；（4）大于；（5）①连接电路时开关没有断开；②开关闭合前滑片未置于最大阻值处；
（6）左；20．

点评 本题考查了实物图的连接、滑动变阻器的使用、欧姆定律的应用、电功率计算，串联电路的特点等知识掌握情况；要明确：探究电流与电阻的关系，应控制电阻两端的电压不变；应用串联电路特点与欧姆定律可以求出电阻．