Question

9．小明在做“测定小灯泡功率”的实验中，所用电源电压为6V，小灯泡的额定电压为3.8V，估计小灯泡的额定功率不超过1.44W．在测额定功率时，小明发现实验所用的电压表0～15V量程档坏了，而0～3V量程档完好．其他器材完好无损，滑动变阻器有“20Ω  1A”、“5Ω  2A”两种规格，利用上述器材，小明设计了一个方案，测出了小灯泡的额定功率．
（1）本实验应选用“20Ω 1A”规格的滑动变阻器；
（2）请你在方框内画出实验电路图；
（3）将图中的实物连成实验电路．
（4）电路连接好后，操作过程与常规相比主要区别在于闭合开关前滑动变阻器滑片不能调到阻值最大处，而是在变阻器中点附近；
（5）简要说明小灯泡正常发光的理由．

Answer 1

分析 （1）根据串联电路的电压特点求出灯泡两端电压为3.8V时变阻器两端的电压，根据串联电路的电流特点和P=UI求出电路中电流的大约值，利用欧姆定律求出变阻器接入电路中的电阻，然后确定变阻器的规格；
（2）实验中电压表选用0～3V的量程，而灯泡的额定电压大于电压表的示数，根据串联电路的电源特点可知变阻器两端的电压小于3V，故电压表应与变阻器并联，然后利用电流表测出电路中的电流，保护电路和改变灯泡两端电压的滑动变阻器串联在电路中，然后与电源、开关组成电路；
（3）根据电流流向法，先串主电路，然后把电压表并联在滑动变阻器两端；
（4）根据欧姆定律求出灯泡电阻的大约值，根据串联电路的分压特点求出变阻器阻值最大时其两端的电压，然后得出答案；
（5）根据串联电路的电源特点和额定电压下灯泡正常发光进行解答．

解答 解：（1）因串联电路中总电压等于各分电压之和，
所以，灯泡两端电压为3.8V时变阻器两端的电压：
U_滑=U-U_L=6V-3.8V=2.2V，
因串联电路中各处的电流相等，
所以，由P=UI可得，电路中的电流：
I=$\frac{{P}_{L}}{{U}_{L}}$=$\frac{1.44W}{3.8V}$≈0.38A，
由I=$\frac{U}{R}$可得，变阻器接入电路中的电阻：
R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{I}$=$\frac{2.2V}{0.38A}$≈5.8Ω＞5Ω，
所以，本实验中滑动变阻器的规格为“20Ω  1A”；
（2）电压表的量程为0～3V，而灯泡的额定电压3.8V＞3V，由（1）可知，灯泡正常发光时滑动变阻器两端的电压2.2V＜3V，则电压表因并联在滑动变阻器两端，电流表串联在电路中测电流，然后与滑动变阻器、电源、开关串联组成电路，如下图所示：

（3）从电源的正极出发，依次串联开关、滑动变阻器、灯泡、电流表回到电源的负极，然后把电压表并联在滑动变阻器两端，如下图所示：

（4）灯泡的电阻约为R_L=$\frac{{U}_{L}}{{I}_{L}}$=$\frac{3.8V}{0.38A}$=10Ω，
滑动变阻器接入电路中的电阻最大时其两端的电压：
U_滑大=$\frac{{R}_{滑大}}{{R}_{滑大}+{R}_{L}}$U=$\frac{20Ω}{20Ω+10Ω}$×6V=4V＞3V，
所以，闭合开关前滑动变阻器滑片不能调到阻值最大处，而是在变阻器中点附近；
（5）电源电压为6V，当电压表示数为2.2V时，小灯泡两端电压为6V-2.2V=3.8V，此时小灯泡正好正常发光．
故答案为：
（1）“20Ω 1A”
（2）电路图如上图所示；
（3）实物图连接如上图所示；
（4）闭合开关前滑动变阻器滑片不能调到阻值最大处，而是在变阻器中点附近；
（5）电源电压为6V，当电压表示数为2.2V时，小灯泡两端电压为6V-2.2V=3.8V，此时小灯泡正好正常发光．

点评 本题考查了测定小灯泡功率的实验，涉及到串联电路的特点和欧姆定律、电功率公式的应用、电路图的设计、实物图的连接、实验的注意事项等，综合性强，有一定的难度．