Question

4．在测定小灯泡额定功率的实验中（所用灯泡的额定电压U₀=2.5V）．
（1）小欣小组连接的电路如图甲所示，图中电路尚未连接好，请你用笔画线代替导线在图中正确连接．
（2）小欣小组实验步骤正确，闭合开关后，发现无论怎样移动滑片P，灯都不亮，电流表示数始终为0，电压表示数约为6V，则电路中出现的故障可能灯断路；排除故障后，调节滑动变阻器，直到电压表的示数为2.5V，观察到电流表示数如图乙所示，则小灯泡的额定功率为0.75W．

（3）小姚小组设计了另一种实验方案如图丙所示（其中电源电压未知，电阻R的阻值已知）
①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，
②开关S拔到位置2，保持滑动变阻器的滑片位置不动，读出电流表示数I₂，则灯泡的电阻R_L=$\frac{{I}_{1}R}{{I}_{2}{-I}_{1}}$（请你用R、I₁、I₂表示），再根据P₀=U₀²/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，原因是灯泡两端电压不是额定电压，灯泡的电阻不是正常发光时的电阻．仔细分析后，他们认为要准确测出灯泡的额定功率，只需将上述步骤①改为：将开关S拔到位置1，移动滑片P，使电流表示数为I₁=$\frac{{U}_{0}}{R}$．

Answer 1

分析 （1）电流表选用小量程串联在电路中，电压表与灯并联；
（2）小欣小组实验步骤正确，闭合开关后，发现无论怎样移动滑片P，灯都不亮，电流表示数始终为0，电路可能断路；电压表示数约为6V，说明电压表与电源连通，则与电压表并联的支路以外的电路是连通的，则与电压表并联的灯断路了；
根据电流表的量程和分度值读出灯泡的额定电流，然后利用P=UI求出灯泡的实际功率；
（3）由①可得灯泡两端电压U=I₁R，
根据开关S拔到位置1和开关S拔到位置2时，电路中三个用元件的连接方式没有发生改变，各用电器的电阻和电压没有变，电流表测灯与R并联的电流，根据并联电路电流的规律，通过灯泡的电流I=I₂-I₁，然后根据欧姆定律可求灯泡电阻；根据P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可求灯的电阻；
注意灯泡的功率随电压变的变化而变化，额定功率只有灯泡在额定电压下发光时的功率为额定功率；
灯丝的电阻随温度的改变而改变．

解答 解：（1）由图乙知，电流表选用小量程与灯串联，电压表与灯并联，如下图所示：
（2）闭合开关后，发现无论怎样移动滑片P，灯都不亮，电流表示数始终为0，电路可能断路；电压表示数约为6V，说明电压表与电源连通，则与电压表并联的支路以外的电路是连通的，则与电压表并联的灯断路了；
灯在额定电压下正常发光，排除故障后，调节滑动变阻器，直到电压表的示数为2.5V，观察到电流表示数如图乙所示，图乙中，电流表选用小量程，分度值为0.02A，示数为0.3A，
则小灯泡的额定功率为P=UI=2.5V×0.3A=0.75W；
（3）小姚小组设计了另一种实验方案如图丙所示（其中电源电压未知，电阻R的阻值已知）：
①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，即通过R的电流，由并联电路的特点和欧姆定律可得，灯泡两端电压U=I₁R；
②开关S拔到位置2，保持滑动变阻器的滑片位置不动，因电路中三个电阻元件的连接方式没有发生改变，各用电器的电阻和电压没有变，所以此时灯泡两端电压仍然为U；
读出电流表示数I₂，即灯与R并联的总电流，
根据并联电路电流的规律，所以通过灯泡电流I=I₂-I₁；
则灯泡电阻R_L=$\frac{{I}_{1}R}{{I}_{2}{-I}_{1}}$．
因为L与R并联，由于电流的热效应，当灯泡发光时，灯丝的电阻会随温度升高而变大；当灯泡两端电压不等于其额定电压时，求出的电阻就不等于其正常发光时电阻，故根据P₀=U₀²/R_L计算灯泡的功率不是额定功率．
他们按此方案测量，发现实验结果与真实值相差较大；
所以，要想求灯泡额定功率，就必须让灯泡两端电压等于额定电压，即将开关S拔到位置1，移动滑片P，使电流表示数为I₁=$\frac{{U}_{0}}{R}$．
故答案为：（1）如上图所示；（2）灯断路；（3）2.5；0.75；
（3）②$\frac{{I}_{1}R}{{I}_{2}{-I}_{1}}$；灯泡两端电压不是额定电压，灯泡的电阻不是正常发光时的电阻；将开关S拔到位置1，移动滑片P，使电流表示数为I₁=$\frac{{U}_{0}}{R}$．

点评 本题测定小灯泡额定功率，考查电路的连接、故障的分析、额定功率的计算、影响电阻大小的因素及对实验方案的评估能力，有一定难度．