Question

15．在“探究一定电压下，电流与电阻的关系”的实验中，老师提供的实验器材有：电源（电压恒为6V），电流表、电压表一个各一个，四个定值电阻（5Ω、10Ω、15Ω、20Ω），两只滑动变阻器（规格分别为“20Ω 1A”、“50Ω 0.5A”），导线若干．

（1）如图1是小明连接的实物电路，图中有一根导线连接错误，请你在连接错误的导线上打“×”并补画出正确的连线．
（2）电路连接正确后，闭合开关前，滑片应置于A端（选填“A”或“B”）．
（3）闭合开关S，无论如何移动滑动变阻器的滑片P，发现电流表示数几乎为零，电压表示数约为6V，此时，电路出现的故障可能是定值电阻R开路；小明排出故障后继续实验．
（4）小明先将5Ω电阻接入电路，调节滑动变阻器的滑片P，使电压表示数为2V，电流表示数如图2所示为0.4A；再将5Ω的电阻更换为10Ω电阻，此时电流表示数为0.3A，小明发现电流与电阻不成反比，原因是未调节滑动变阻器的滑片使定值电阻两端的电压保持不变．接下来的操作是：应将滑动变阻器适当向A（选填“A”或“B”）移动，直到电压表示数为2V，同时记下电流表的示数．
（5）若完成用四个定值电阻进行实验，他应该选择的滑动变阻器规格是“50Ω 0.5A”．
（6）同组小华从其他组借来30Ω电阻替换R时，无论怎样调节滑动变阻器，都不能使电压表示数为2V，分析其可能的原因滑动变阻器的最大阻值太小（或定值电阻两端的电压保持太低或电源电压太高）．（答出一种情况即可）

Answer 1

分析 （1）在实物连接图中找到错误之处：主要分析电压表、电流表、滑动变阻器的正确使用，从电压表和电流表的正负接线柱、量程、连接方式，滑动变阻器的接线柱和连入方式上逐条分析；
（2）闭合开关前，应将滑动变阻器的滑片移至最大阻值处；
（3）电流表示数为零，可能是电流表断路或短路或电流表之外电路断路；电压表有明显偏转，说明电压表并联电路之外不存在断路；
移动滑片电压表示数几乎不变，可能是滑动变阻器同时接上面两个或下面两个接线柱，或电路断路，电压表直接接在电源两端，综合分析可知故障原因是与电压表并联的电阻R断路；
（4）电流表读数：首先确定使用的量程，然后确定每一个大格和每一个小格代表的示数；
在研究电流与电阻的关系时，应该控制电阻两端的电压不变，是通过移动滑动变阻器的滑片实现的；
当换接阻值更大的电阻后，电阻两端的电压会增大，然后确定滑动变阻器的阻值变化，得出滑片的移动方向；
（5）由欧姆定律求出最大阻值的滑动变阻器接入电路时的电路电流，然后由串联电路特点及欧姆定律求出此时滑动变阻器接入电路的阻值，然后选择滑动变阻器；
（6）根据串分压的知识结合欧姆定律分析造成现象的原因．

解答 解：（1）由图可知，电流表与定值电阻并联了，电压表串联在电路中了，应将电流表与定值电阻串联，电压表应并联在定值电阻两端，
将电流表正接线柱的导线与定值电阻右端相连的导线去掉，将定值电阻右端接线柱与电压表的负接线柱相连，如下图所示：

（2）为了保护电路，闭合开关前，滑动变阻器的滑片应位于最大阻值处；
由图知，滑动变阻器的下面接了右下端的B接线柱，所以闭合开关前，要将滑动变阻器滑片移至A端，使其阻值最大．
（3）开关闭合后，电流表示数几乎为零，说明电路是开路；电压表示数约为6V，说明电压表通过电流表和滑动变阻器与电源两极相连，因此是定值电阻R开路．
（4）电流表选择0～0.6A量程，每一个大格代表0.2A，每一个小格代表0.02A，电流表示数为0.4A．
小明在做“探究电流与电阻的关系”实验时，将滑片P滑至阻值最大处后，闭合开关S就直接读出了电流表的示数，这种操作是错误的；
他没有明确实验的目的，要探究电流与电阻的关系，必须通过移动滑动变阻器的滑片，来控制电阻两端的电压不变．
在滑动变阻器的电阻值Rp不变的情况下，电路中由于将5Ω的定值电阻换成10Ω的定值电阻，使整个电路的总电阻增大，
利用公式I=$\frac{U}{R}$可知，电路中的总电流减小，根据U=IR可知，此时滑动变阻器两端的电压的减小，
根据串联电路的总电压等于各分电压之和可知，定值电阻两端的电压变大，
要使电压表的示数不变，只能减小电路中的电流，所以要使电路中的电阻增大，即滑片P向A端移动增大电阻．
（5）当20Ω的电阻接入电路时，电路电流I=$\frac{{U}_{R}}{R}$=$\frac{2V}{20Ω}$=0.1A，
此时滑动变阻器两端电压U_滑=U-U_R=6V-2V=4V，
滑动变阻器接入电路的阻值R=$\frac{{U}_{滑}}{I}$=$\frac{4V}{0.1A}$=40Ω，
则应选规格为“50Ω  0.5A”的滑动变阻器．
（6）换接30Ω电阻时，根据串分压的知识，电压表的示数变大，为使电压表的示数不变，所需滑动变阻器的阻值更大，
电压表的示数无法达到2V，可能是滑动变阻器的最大阻值太小（或定值电阻两端的电压保持太低或电源电压太高）．
故答案为：（1）见上图；
（2）A；
（3）定值电阻R开路；
（4）0.4；未调节滑动变阻器的滑片使定值电阻两端的电压保持不变；A；
（5）“50Ω 0.5A”；
（6）滑动变阻器的最大阻值太小（或定值电阻两端的电压保持太低或电源电压太高）．

点评 本题是“探究一定电压下，电流与电阻的关系”的实验，考查了电路的连接、电路故障的判断、滑动变阻器使用及选择等，属该实验的常见问题，应熟练掌握．实验中应控制定值电阻两端的电压不变，应用串联电路特点及欧姆定律是解题的关键．