Question

13．王彬和谭希同学做“测量小灯泡电功率”的实验中，所用电源电压为4V，小灯泡的螺旋套上标有“2.5V”字样，其额定功率小于1W，滑动变阻器的规格是“10Ω 1A”．

（1）请根据图1电路图用笔画线代替导线，帮王彬将图2未完成的电路连接好，要求：滑动变阻器的滑片向右移动时，连入电路的阻值变小，导线不能交叉．
（2）连接电路后闭合开关，王彬发现电压表和电流表均无示数，灯泡不亮，移动滑片时电压表和电流表仍然没有示数，灯泡不亮．电路的故障可能是D．
A．灯泡短路  B．滑动变阻器短路  C．灯泡断路  D．滑动变阻器断路
（3）电路故障排除后，王彬闭合开关，调节变阻器滑片到某一位置时，电压表的示数如图3所示，现要测定小灯泡的额定功率，应将滑片向左（填“左”或“右”）移动，使电压表示数为2.5V，此时电流表示数如图4所示，那么灯泡的额定功率是0.75W．
（4）谭希同学使用的电压表在实验过程中损坏了，王彬说只用电流表也可以测出小灯泡的额定功率，于是同学利用一个单刀双掷开关和一只已知阻值的定值电阻R₀，设计了如图5的电路图和如下实验步骤：
①闭合开关S、S₁接1，调节滑片P，使电流表示数I₁为$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，此时灯泡正常发光；
②闭合开关S、S₁接2，滑片P不动，电流表示数I₂．
则小灯泡的额定功率P_额=2.5V×（I₂-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）（用已知所测物理量表示）．
（5）王彬认为不能用这个小灯泡来研究电流与电压的关系，理由是小灯泡电阻随温度变化而变化．
（6）为了研究电流和电阻的关系，王彬找到几个定值电阻，阻值分别是5Ω、10Ω、15Ω，20Ω、30Ω，他用5Ω的电阻替换电路中的小灯泡，移动滑片使电压表示数为2.5V，记录电流表示数；又換上10Ω的电阻，移动滑片，最终电流表的示数为0.25A；当王彬换上20Ω的电阻进行实验时，发现电压表的示数始终不能调到2.5v，聪明的王彬想到了解决办法，他将其中一个定值电阻串联接入电路后，既可以用20Ω的电阻完成实验．又可以用30Ω的电阻完成实验，他选择的定值电阻是10Ω．

Answer 1

分析 （1）滑动变阻器的滑片向右移动时，连入电路的阻值变小，滑动变阻器右半部分接入电路，由图知应接B接线柱．
（2）连接好电路，闭合开关，灯泡不亮，可能是电路电阻太大，电流太小；可能是断路；可能是短路．通过移动滑动变阻器滑片判断电路电流大小还是故障．再由电流表判断短路还是断路，再由电压表判断故障的具体位置．
（3）根据串联电路的分压作用，电阻大分压多判断滑动变阻器的移动方向，电流表的读数：应先看量程再看分度值然后读数；根据P=UI算出灯泡的额定功率；（4）由5图可知：没有电压表的情况下，利用定值电阻和电流表代替电压表，首先用电压表测R₀的电流，移动滑动变阻器使电流表的示数$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，滑片不动移动开关的位置，测出电路的总电流，用总电流减电阻的电流知灯泡的电流，根据P=UI计算出灯泡的额定电功率；
（5）灯丝的电阻随温度的升高而增大；
（6）根据I=$\frac{U}{R}$得出电流表的示数，由于滑动变阻器的阻值太小，电压表的示数始终达不到2.5V，故应串联一个电阻．

解答 解：（1）滑动变阻器的滑片向右移动时，连入电路的阻值变小，滑动变阻器右半部分接入电路，由图知应接B接线柱．电路连接如下所示：

（2）小灯泡均不发光，电流表的示数几乎为零，可能电路电流太小，可能电路断路，无论怎样调节滑动变阻器的滑片，灯泡均不亮，电流表无示数，说明电路断路；电压表无示数，说明与电压表并联的小灯泡没断，是滑动变阻器断路了，故选D；
（3）图3中电压表的量程是0-3V，分度值为0.1V，电压表的读数为2.7V，大于小灯泡的额定电压，应该用滑动变阻器将灯泡两端的电压调小，根据串联电阻的分压作用将滑片向左移动，电阻变大，滑动变阻器分压多，灯泡两端的电压会变小从而达到额定电压．
当小灯泡的电压达到额定电压时，图4中电流表的量程是0-0.6A，最小分度值是0.02A，电流表的读数为0.3A．
灯泡额定功率为P=UI=2.5V×0.3A=0.75W；
（4）由5图可知：没有电压表的情况下，利用定值电阻和电流表代替电压表，①闭合开关S、S₁接1，调节滑片P，使电流表示数I₁为$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，此时灯泡正常发光；②闭合开关S、S₁接2，滑片P不动，电流表示数I₂；此时电流表测定值电阻和灯泡的总电流，I₂-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$就是小灯泡的额定电流，则小灯泡的额定功率P_额=2.5V×（I₂-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）；
（5）探究电流与电压的关系，需保证电阻一定，而灯丝的电阻随温度的升高而增大，故不能用灯泡来研究电流与电压的关系；
（6）探究电流与电阻的关系，需保证电压一定，当电压U=2.5V，R=10Ω时，根据I=$\frac{U}{R}$=$\frac{2.5V}{10Ω}$=0.25A，当换上20Ω的电阻后由I=$\frac{U}{R}$=$\frac{4V}{20Ω+10Ω}$=$\frac{4}{30}$A，U_R=IR=$\frac{4}{30}$A×20Ω=2.6V，所以无论怎样调节都不能到2.5V，所以应该跟电路串联一个电阻R₂，串联上电阻后即可以完成20Ω的电阻，也可以完成30Ω的电阻，此电阻的大小为：I=$\frac{U}{R}$=$\frac{2.5V}{30Ω}$=$\frac{1}{12}$A，R_滑+R_串=$\frac{U-{U}_{R}}{I}$=$\frac{4V-2.5V}{\frac{1}{12}A}$=18Ω，所以R_串=30Ω-R_滑=18Ω-10Ω=8Ω，故需串联10Ω的电阻．
故答案为：（1）如上图所示：（2）D；（3）左；0.75；（4）①$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；2.5V×（I₂-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）；（5）小灯泡电阻随温度变化而变化；（6）0.25； 10．

点评 本题考查了实物图的连接，滑动变阻器的正确使用，电流表的读数，额定功率的计算以及灯丝电阻与温度的关系；体现了物理和生活的密切关系．