Question

11．小明在学习了电学知识后，设计如图甲所示电路，完成如下实验探究：

（1）请用笔画线将图乙补充完整，要求滑动变阻器的滑片向右滑动时电阻变大．
（2）闭合S₁、断开S₂，移动滑动变阻器的滑片，记录电压表和电流表示数，多次实验绘制I-U图象，如图丙中a所示．此过程探究的是电阻一定时，导体中的电流与导体两端电压的关系．
（3）仍然闭合S₁、断开S₂，依次将定值电阻R换成R₁、R₂，且R＜R₁＜R₂，要使电压表示数保持不变，应将滑动变阻器的滑片P向右（选填“左”或“右”）；实验过程中，小明发现把R₁换成R₂，无论怎样调节滑片都无法使用电压表调到控制值，说明选择的滑动变阻器的最大阻值偏小．
（4）断开S₁、闭合S₂，移动滑动变阻器的滑片进行实验，小灯泡突然熄灭，检查发现电流表的示数为零，电压表的示数接近电源电压，请你帮小明分析电路故障可能是小灯泡断路．小明换用额定电压为2.5V的小灯泡继续实验，灯泡正常发光时，电流表示数如图丁所示，小灯泡的额定功率为1W，根据记录小灯泡的电压和电流的数据，绘制成电压和电流的关系图象如图丙中b所示，图象中A、B、C三点R_A、R_B、R_C的阻值由大到小的顺序为R_A＜R_C＜R_B．
【拓展】小明发现，如果小灯泡的额定电压和电阻R已知，在原有器材中去掉电流表，也可完成“测量小灯泡的额定功率”的实验．请在虚线框内画出他设计的电路图．

Answer 1

分析 （1）据滑动变阻器的接法连接即可；
（2）由电阻器的I-U图象得出得出实验结论；
（3）将电阻R换成了电阻R₁、R₂时，电路中的总电阻变大，电路中的电流减小，滑动变阻器两端的电压减小，电压表的示数变大；要探究电流和电阻之间关系，必须保持电阻两端的电压不变，即与电阻并联的电压表示数不变，为保证电阻两端的电压不变，要通过调节滑片，使滑动变阻器两端的电压变大，从而使电阻两端的电压变为原来的值；
（4）此时电流表无示数，即表明是断路，但电压表有示数，即表明此时电压表测量的是电源电压，故分析可得结果；
由图示电流表确定电流表量程与分度值，读出电流表示数，然后由电功率公式P=UI求出灯泡额定功率；由图比较各点电压、电流值，由R=$\frac{U}{I}$得出三点电阻大小；
此题中没有电流表，故需要让定值电阻的电流和小灯泡的电流相等，故将其串联，而后据题目分析即可判断．

解答 解：（1）滑动变阻器在使用时，其接法必须是一上一下，滑动变阻器滑片向右移动阻值变大，故变阻器的下接线柱应在A端；如下图：

（2）由电阻的I-U图象可知可以得出，电阻一定时，导体中的电流与导体两端的电压成正比；
（3）电阻R换成了电阻R₁、R₂时，电路中的总电阻变大，根据欧姆定律可知电路中电流变小，此时变阻器的阻值不变，则滑动变阻器分得的电压变小，电阻分得的电压变大；要探究电流和电阻之间关系，必须保持电阻两端的电压不变，即与电阻并联的电压表示数不变，所以应调节滑片向右移动，增大滑动变阻器接入电路的电阻，使电压表的示数保持不变；
当把R₁换成R₂时（R₁＜R₂），由于定值电阻的阻值增大，要保证定值电阻两端的电压和变阻器两端电压均不变，根据分压原理可知，滑动变阻器接入的阻值必须继续增大，现在无论怎样调节滑片都无法使用电压表调到控制值，说明选择的滑动变阻器的最大阻值偏小．
（4）分析题目可知，此时电流表无示数，即表明是断路，但电压表有示数，即表明此时电压表测量的是电源电压，故分析可得是由于小灯泡断路造成的；
由图乙所示电流表可知，电流表量程是0～0.6A，分度值是0.02A，电流表示数是0.4A，
灯泡额定功率是P=UI=2.5V×0.4A=1W；
由丙图线是正比例图线，所以B点电阻与a、b相交处电阻相等，即R_B=R_交点，
由图线b可知，灯泡两端的电压变大时，电流变大，
灯泡的实际功率变大，灯泡变亮，温度升高，灯泡的电阻增大，
所以R_A＜R_C＜R_交点，即：R_A＜R_C＜R_B．
【推展】此题中没有电流表，需要让定值电阻的电流和小灯泡的电流相等，将小灯泡、电阻R和滑动变阻器串联可满足要求，但两开关的位置是不同的；
如下图所示：

闭合开关S₁，调节滑动变阻器的滑片P，使电压表的示数为小灯泡的额定电压U₁；断开S₁，闭合S₂，记录电压表的示数U₂．
此时R的电压为U=U₂-U₁；通过R的电流为：I=$\frac{U}{R}$=$\frac{{U}_{2}-{U}_{1}}{R}$；
则测得灯泡的额定功率为：P=U₁I=$\frac{{U}_{1}（{U}_{2}-{U}_{1}）}{R}$．
故答案为：（1）见上图；
（2）电阻一定时，导体中的电流与导体两端电压的关系；
（3）右；偏小；
（4）小灯泡断路；1；R_A＜R_C＜R_B；如下图：
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点评 本题考查了连接电路图、实验注意事项、电表读数、电路故障分析、求灯泡电功率等问题，是实验的常考问题；对电表读数时，要先确定电表量程与分度值，然后再读数；该题的难点是设计测量电功率的电路，能据题目分析出需要将灯泡、定值电阻和变阻器串联是解决该题的关键．