Question

6．为了测小灯泡的额定功率，被测小灯泡的额定电压为3.8V，电阻约为10Ω．实验室有如下器材：电源（电压约为6V左右）、电流表（0～0.6A  0～3A）、电压表（0～3V  0～15V）、开关各一只，导线若干，滑动变阻器两只：R₁（5Ω 0.5A）、R₂（10Ω 0.5A）．
（1）请你说出在这个实验中，滑动变阻器所起作用是：
①保护电路 和调节灯泡两端电压使之达到额定电压；
②本实验中滑动变阻器应选用R₂（选填“R₁”或“R₂”）．
（2）实验电路接好后，合上开关时，部分同学发现电路出现故障，主要有下列情况，请根据现象指出故障的可能原因：
①连接好电路，闭合开关后，看到电压表指针如图甲偏转：电压表量程选小了．
②灯泡不亮、电压表示数较大、电流表无示数．取下灯泡，两表的示数不变：灯泡处发生断路．
（3）排除故障后，调节滑动变阻器，发现电压表的0～15V量程已坏，为了测小灯泡的额定功率，姚胜小组设计了另一种实验方案．（电阻R的阻值已知，电源电压未知）
①电路如图乙所示，连接好电路；
②开关S拔到位置1，移动滑片P至任一位置，读出电流表示数I₁；
③开关S拔到位置2，滑片位置不动，读出电流表示数I₂．
先算出灯泡的电阻和R两端电压，再根据P₀=$\frac{{U}_{0}^{2}}{{R}_{L}}$，计算灯泡的额定功率．他们按此方案测量，发现实验结果与真实值相差较大，分析后，他们认为要准确测出灯泡额定功率只需将上述步骤①（填序号）改为开关S拨到位置1，移动滑片P使电流表示数I₁=$\frac{3.8V}{R}$；灯泡额定功率的表达式为P_额=3.8V×（I₂-$\frac{3.8V}{R}$）．

Answer 1

分析 （1）根据实验目的分析变阻器的作用；根据串联电路特点和欧姆定律计算灯泡正常工作时变阻器连入阻值，从而选择变阻器规格；
（2）①由图甲分析故障原因；②灯泡不亮可能是灯泡短路或灯泡断路或灯泡以外的电路断路；取下灯泡，两表示数不变，可以确定故障原因；
（3）由电路图可知，实验用了等效替代法求灯的电阻，但因原操作中，没有使灯正常发光，所以求出的电阻不等于正常发光时的电阻，由此分析解答．

解答 解：（1）滑动变阻器所起作用：
①闭合开关前，为防止电路中电流过大，损坏电路元件，应将变阻器的滑片滑到最大值处；②为测定小灯泡的额定功率，应调节滑片使灯泡两端电压达到额定电压3.8V；
灯泡正常发光时电压3.8V，电流约为I=$\frac{U}{R}=\frac{3.8V}{10Ω}$=0.38A，此时变阻器连入电路中的电阻R滑=$\frac{{U}_{滑}}{I}=\frac{6V-3.8V}{0.38A}$=5.8Ω，所以应选择10Ω 0.5A的滑动变阻器；
（2）①由图甲可知，电压表指针偏转到了最大值了，所以原因是电压表使用了0-3V量程，应使用0-15V量程；
②灯泡不亮，电流表无示数，电路断路，电压表示数较大，把灯泡取下，两表的示数不变，所以灯泡断路；
（3）因为灯泡电阻随温度的变化而变化，题中移动滑片P至任一位置所求电阻值R_L与灯泡正常发光时的阻值不相等，所以，根据P₀=$\frac{{{U}_{0}}^{2}}{{R}_{L}}$求出的功率与额定功率的真实值相差较大；
针对上述分析中存在的问题．要准确测出灯泡的额定功率，只需将上述步骤②改为：开关S拔到位置1，移动滑片P直到电流表示数为I₁$\frac{{U}_{0}}{R}=\frac{3.8V}{R}$为止（此时灯一定正常发光），读出电流表示数I₁；
所以灯泡的额定功率为P_额=U_额I=3.8V×（I₂-$\frac{3.8V}{R}$）
故答案为：
（1）保护电路和调节灯泡两端电压使之达到额定电压；R₂；
（2）①电压表量程选小了；②灯泡处发生断路；
（3）①；开关S拨到位置1，移动滑片P使电流表示数I₁=$\frac{3.8V}{R}$；P_额=U_额I=3.8V×（I₂-$\frac{3.8V}{R}$）

点评 本题测小灯泡的额定功率，考查器材的选择、操作的过程、常见故障的分析与判断及对实验方案的评估能力和发现问题尝试改进实验方案的能力．