Question

19．以下是某班开展“制作模拟调光灯”综合实践活动的片段，根据题意回答或者解决有关问题．实验器材：学生电源（电压限取6V挡）、规格为“2.5V 0.25A”的小灯泡、规格为“20Ω 2A”的滑动变阻器、开关和若干导线，另有各种规格的定值电阻可供任意选用（均标注电阻值和允许通过的最大电流值）．制作要求：亮度可连续调节；在调光的整个过程中，灯两端的电压不超过2.5V．
活动过程：
（1）计算出小灯泡正常发光时的电阻为10Ω．
（2）小强连接的电路图如图1所示．但不少同学认为该调光灯不符合制作要求．请你指出不符合要求之处：滑动变阻器滑片不能随意向右移，否则灯泡两端的电压会超过2.5V（或在调节的过程中，灯泡两端的电压可能会超过2.5V）．
（3）小玲同学认为：可在小强的电路中再串联一只规格合适的定值电阻R₀（如图2）就能符合要求．请你根据题意和有关计算，确定R₀的规格是：阻值为14，允许通过的最大电流0.25A．
（4）还有同学提出另一种改进方案：如果不串联定值电阻，可以增加一个电学器材，在滑动变阻器的适当位置上做标记（或加一个限位装置）限制它的调节范围．请回答你选用何种器材，如何找出滑动变阻器上的标记．需要电压表，将电压表并联在灯泡两端，在调光过程中，观察到电压表的示数为2.5V时，在变阻器上做标记．

Answer 1

分析 （1）已知灯泡的额定电压及额定电流，则由欧姆定律可求得灯泡正常发光时的电阻；
（2）由图可知电路的构成及滑动变阻器的接法，分析灯泡两端的电压范围可知电路能否正常工作，则可得出不符合要求之处；
（3）要使滑动变阻器能随意调节，则应让滑动变阻器短路时，灯泡仍不会超额定电压，则由串联电路的电压规律可求得此时R₀的分压，而限制电流不能超过灯泡的额定电流，由欧姆定律可求得阻值；
（4）要使不超过灯泡的额定电压，故在实验中需要明确灯泡两端的电压，故应需要在灯泡两端并联电压表．

解答 解：（1）由欧姆定律可得：
灯泡的电阻：R=$\frac{U}{I}$=$\frac{2.5V}{0.25A}$=10Ω；
（2）由图可知，滑动变阻器与灯泡串联，要使灯泡正常工作，灯泡两端的电压最大不得超过2.5V，
根据串联电路的电压特点可知：滑动变阻器应分压至少为U_滑=U-U_L=6V-2.5V=3.5V；
则由欧姆定律可知滑动变阻器接入电阻至少为 R=$\frac{{U}_{滑}}{I}$=$\frac{3.5V}{0.25A}$=14Ω；
即滑动变阻器接入电阻只能在14Ω～20Ω范围内调节，即滑动变阻器滑片不能随意向右移，否则灯泡两端的电压会超过2.5V．
（3）R₀中允许通过的电流为：I₀=I_L=0.25A，
U₀=U-U_L=6V-2.5V=3.5V，R₀=$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$=$\frac{3.5V}{0.25A}$=14Ω；
故R₀的阻值为14Ω，允许通过的最大电流为0.25A；
（4）为了保证灯泡不超过2.5V，则随时观察灯泡两端的电压，故需要电压表；
在实验过程中，将电压表并联在灯泡两端，在调光过程中，观察到电压表的示数为2.5V时，在变阻器上做标记或安装限位装置，以限定滑动变阻器的移动范围．
故答案为：（1）10；
（2）滑动变阻器滑片不能随意向右移，否则灯泡两端的电压会超过2.5V；
（3）14；0.25；
（4）需要电压表，将电压表并联在灯泡两端，在调光过程中，观察到电压表的示数为2.5V时，在变阻器上做标记或安装限位装置，以限定滑动变阻器的移动范围．

点评 本题考查滑动变阻器的连接，要求学生能认直审题，并能灵活应用所学物理知识进行分析判断，对学生要求较高，题目难度较大．