Question

8．小明做“测量小灯泡电功率”实验中，所用电源电压恒为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）在实验前检查仪器时，发现电流表的指针如图1甲所示，则他接下来的操作是对电流表进行调零，使指针指在零刻度线上；请你根据图乙电路图用笔画线代替导线，将图丙中未完成的电路连接好．要求：滑动变阻器的滑片向右移动时，连入电路的阻值变大，导线不能交叉；

（2）连接电路后闭合开关，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，闭合开关，调节滑动变阻器滑片到某一位置时，电压表示数如图2甲所示，现要测定小灯泡的额定功率，应将滑片适当地向右 （选填“左”或“右”）移动，使电压表的示数为2.5V，此时电流示数如图2乙所示，那么灯泡的额定功率是0.75W；
（4）小明能用小灯泡来研究电流与电压的关系吗？不能；理由是因为灯丝的电阻随温度的升高而增大，而电流与电压关系的实验中，要控制电阻值大小不变；
（5）为了研究电流和电阻的关系，小明找到几个定值电阻，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，又换上10Ω的电阻，移动滑片，最终电流表的示数为0.25A；
（6）当小明用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，聪明的小明想到了解决办法，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，他选择的定值电阻至少是10Ω．

Answer 1

分析 （1）由图1知，电流表指针没有指在电流表的零刻度线上，使用前应对电流表调零；
根据题意确定滑动变阻器的接法，然后连接实物电路图．
（2）灯泡不亮，则可能是电路断路或灯泡的实际功率太小或灯泡短路；电压表读数为零，说明灯泡短路；
（3）由灯泡灯泡的额定电压可知电压表的量程并读出其大小，为使电压增加为2.5V，电阻的分压特点可知滑动变阻器接入电路电阻的变化，进一步确定滑片的移动方向．
根据电流表的量程和分度值读出灯泡的额定电流，利用P=UI求出额定功率．
（4）在研究电流与电压的关系时，要控制电阻的阻值不变，改变电阻两端的电压，分析电流和电压的关系；而灯丝的电阻随着温度变化；
（5）根据I=$\frac{U}{R}$得出电流表的示数；
（6）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）由图1可知，在实验前电流表指针没有指在零刻度线上，应对电流表进行调零，使电流表指针指在零刻度线上；
滑动变阻器应与灯泡串联，题中要求滑动变阻器的滑片向右移动时，连入电路的阻值变大，则滑动变阻器应接左下接线柱，实物电路图如图所示：

（2）A、若小灯泡短路，电路为通路，则电流表有示数，又因电压表并联在灯泡两端则电压表示数为零，不符合题意，故A错误；
B、若滑动变阻器短路，电路为通路，灯泡发光、电流表和电压表都有示数，不符合题意，故B错误；
C、若灯泡断路，灯泡不发光，电流表无示数，电压表测电源电压（有示数），不符合题意，故C错误；
D、若变阻器断路，整个电路断路，灯泡不发光，电流表和电压表都无示数，符合题意，故D正确．
故选D．
（3）由图可知，电压表的量程为0～3V，分度值为0.1V，灯泡两端的电压为2.8V，
为测额定功率，灯两端电压应为2.5V，根据串联电路的分压特点可知，滑动变阻器分得的电压较小，应增大滑动变阻器两端电压，增大变阻器接入电路的阻值，所以应向右移动滑片，直到电压表示数为2.5V为止．
当灯泡两端的电压为2.5V时，电流表的量程为0～0.6A，分度值为0.02A，由图可知，通过灯泡的电流为0.3A，则灯泡的额定功率：P=UI=2.5V×0.3A=0.75W．
（4）要研究电流和电阻的关系，要控制电阻的大小不变，因为灯丝的电阻随温度的升高而增大，所以这个实验不能用来研究电流与电压的关系．
（5）探究电流与电阻的关系，需保证电阻两端的电压一定，
当电压U=2.5V，R=10Ω时，电路中的电流：I=$\frac{U}{R}$=$\frac{2.5V}{10Ω}$=0.25A；
（6）当换上20Ω的电阻后，电路中的电流I=$\frac{U}{R}$=$\frac{4V}{20Ω+10Ω}$=$\frac{4}{30}$A，电阻的电压U_R=IR=$\frac{4}{30}$A×20Ω=2.6V，所以无论怎样调节滑片，电压表示数都不能到2.5V，则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；
当接入30Ω的电阻时，电流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_串最小=18Ω-R_滑=18Ω-10Ω=8Ω；因为定值电阻各为5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、30Ω，故应选择10Ω的定值电阻．
故答案为：（1）对电流表进行调零，使指针指在零刻度线上；见上图；（2）D；（3）右；0.75；
（4）不能；因为灯丝的电阻随温度的升高而增大，而电流与电压关系的实验中，要控制电阻值大小不变；
（5）0.25；（6）10Ω．

点评 本题考查了电流表量程的选择和连接以及读数、电压表的读数、滑动变阻器的连接和使用、电路故障的判断等，这些知识点是伏安法测功率中最常见的内容，也是常考的内容．