Question

18．在“测定小灯泡的电功率”的实验中，选用如图甲所示的电路，其中电源电压为6V，小灯泡的额定电压为2.5V（灯丝电阻约为12Ω）．

（1）为了能够顺利完成实验探究，下列两种规格的滑动变阻器应选用B
A．“10Ω  0.5A”的滑动变阻器  B．“50Ω  0.5A”的滑动变阻器
（2）用笔画线代替导线，将图所示的实物电路连接完整．
（3）闭合开关前，应将滑动变阻器的滑片滑动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，若电路中只有一处故障，则故障原因可能是小灯泡断路．
（5）排除故障后，闭合开关，移动滑片，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）根据实验测得的数据，绘制出小灯泡的电流随它两端电压变化的关系图象（如图丙所示）．分析图象可知：
①小灯泡的额定功率为0.625W．
②小灯泡灯丝电阻是变化的，主要是受温度变化的影响．
③实验中观察到：当小灯泡两端的电压低于0.5V时，小灯泡不发光，根据图象分析其原因是小灯泡的实际功率太小，达不到发光功率．
（7）完成上述实验后，小明在缺少电压表的情况下，根据绘制出的小灯泡电流与电压关系图象，设计出了一个测未知定值电阻的电路，如图丁所示．请根据电路图写出测量的实验步骤：
①开关S₁闭合，S₂断开，调节滑动变阻器的滑片至电流表的示数为0.25A；
②开关S₁断开，S₂闭合，保持滑动变阻器滑片不动，读出电流表示数I；
 表达式：R_x=$\frac{2.5V}{I-0.25A}$（用测量的物理量表示）．

Answer 1

分析 （1）由串联电路特点和欧姆定律计算灯泡正常发光时变阻器连入的阻值，从而确定变阻器的规格；
（2）由（1）知小灯泡的额定电流，进而选择电流表的量程，电流表要串联在电路中；
（3）闭合开关前，为了保护电路，滑动变阻器的滑片应位于阻值最大处；
（4）小灯泡不亮，电流表无示数，说明电路中有断路，再根据电压表的示数判断出电路故障；
（5）电压表测灯泡电压，读出电压表示数，根据串联电路特点和欧姆定律判断滑动变阻器的滑片移动方向；
（6）①由图象读出灯泡电压为2.5V时的电流，由P=UI计算其额定功率；
②灯泡的灯丝会随温度的变化而改变，这是造成电流与电压不成正比的原因．
③小灯泡的亮度是由实际功率决定的，实际功率越大，灯泡越亮；
（7）要测量未知定值电阻，需测量出未知定值电阻的电压和电流，应用并联电路特点与欧姆定律求出通过未知定值电阻的电流，
然后应用欧姆定律的变形公式R=$\frac{U}{I}$计算电阻，结合电路图确定实验步骤．

解答 解：（1）测量小灯泡的电功率实验中，小灯泡与滑动变阻器串联，电压表测灯泡两端电压，电流表测电路中电流；
由题知灯泡正常发光时电路中电流约为：I=$\frac{{U}_{L}}{{R}_{L}}$=$\frac{2.5V}{12Ω}$≈0.21A，
滑动变阻器两端的电压U_滑=U-U_L=6V-2.5V=3.5V，
由欧姆定律得，此时变阻器连入阻值：
R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{I}$=$\frac{3.5V}{0.21A}$≈16.7Ω＞10Ω，
所以应选择滑动变阻器的规格为50Ω 0.5A；
（2）由（1）可知，小灯泡的额定电流大约为0.21A＜0.6A，所以电流表选择0～0.6A量程，
故将电流表的“0.6”接线柱与灯泡的左接线柱连接，如图所示：

（3）闭合开关前，为了保护电路，滑动变阻器的滑片应位于阻值最大处，
由图甲可知，应将滑动变阻器的滑片滑动A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，电流表无示数，说明电路中存在断路；
电压表有示数，电压表两接线柱与电源两极相连通，由此说明与电压表并联的小灯泡断路．
（5）由图乙可知，电压表选择的量程为0～3V，分度值为0.1V，示数为2.2V，
由于此时电压表的示数小于灯泡的额定电压，要测量小灯泡的额定功率，应使小灯泡两端的电压增大到2.5V，滑动变阻器接入电路的电阻应减小，故应将滑动变阻器的滑片向B端移动．
（6）①由图丙可知，当小灯泡两端的电压U=2.5V时，对应的电流I=0.25A，
则小灯泡的额定功率：P=UI=2.5V×0.25A=0.625W，
②图线弯曲说明灯泡的电阻值是变化的，不是定值，这是因为电压越大，通过灯的电流越大，灯泡的实际功率越大，灯丝温度越高，电阻越大．
③当小灯泡两端的电压低于0.5V时，通过小灯泡的电流小于0.1A，根据P=UI可知，小灯泡的实际功率太小，达不到灯泡的发光功率．
（7）电阻的计算公式R=$\frac{U}{I}$，所以需要找出电阻两端电压，通过电阻的电流，结合图丙和图丁可得步骤如下：
①开关S₁闭合，S₂断开，调节滑动变阻器的滑片至电流表的示数为0.25A；
②开关S₁断开，S₂闭合，保持滑动变阻器滑片不动，读出电流表示数I；
根据图丙可知，当通过灯泡电流为0.25A时，灯泡两端电压U=2.5V，
根据并联电压规律可知，U_x=U_灯=2.5V，
当开关S₁断开，S₂闭合时，电流表测总电流，根据并联电流规律可知：I_x=I-0.25A，
由I=$\frac{U}{R}$得，未知定值电阻的阻值：Rx=$\frac{{U}_{x}}{{I}_{x}}$=$\frac{2.5V}{I-0.25A}$．
故答案为：（1）B；（2）见上图；（3）A；（4）小灯泡断路；（5）2.2；B；
（6）①0.625； ②温度；③小灯泡实际功率过小，达不到发光功率；
（7）①开关S₁闭合，S₂断开，调节滑动变阻器的滑片至电流表的示数为0.25A；
②开关S₁断开，S₂闭合，保持滑动变阻器滑片不动，读出电流表示数I；
 $\frac{2.5V}{I-0.25A}$．

点评 此题是测定小灯泡的电功率的实验，考查了滑动变阻器的选择、电路基本操作、电路连接、故障分析、电压表读数、电功率计算、实际功率、电路设计等知识点，涉及到的知识点很多，综合性很强，尤其是第（7）问难度较大．