Question

5．小冬按如图所示电路图做“测量灯泡的电功率”的实验，实验室可提供下列器材
A．电流表B．电压表
C．滑动变阻器R（阻值0-20Ω）
D．电阻为10Ω的待测灯泡L（电阻不随温度变化）
E．电源E（电压4.5V并保持不变）
F．开关S及导线若干
（1）根据电路图和实验室提供的器材，可判断出实验时通过灯泡的最小电流0.15A．
（2）若小冬所选电压表的量程为0-3V，电流表的量程为0-0.6A，实验要求测量时通过灯泡的电流至少为电流表满刻度的三分之一，则测出灯泡的功率范围是0.4～0.9W．
（3）小冬按电路图连接好电路后进行实验，由于电路中某一处有故障，当闭合开关时电压表无示数，为查出电路故障，小冬进一步观察并检查电路，当检查到电源开关、电压表、电流表、导线及其连线都完好时，小冬结合前面的观察就可判断出电路的故障，如果小冬观察到电流表无示数，则故障是滑动变阻器断路，如果小冬观察到电流表有示数，则故障是灯泡短路．
（4）排除故障后，小冬继续进行实验，在对测量数据的记录和处理中，他设计了如下表格，你认为这张表格的设计错误（选填“正确”或“错误”）的．

次数	U/V	I/A	P/W	平均值P/W
1
2
3

Answer 1

分析 （1）由电路图可知，当滑动变阻器接入电路的电阻最大时，电路中的电流最小，根据电阻的串联特点和欧姆定律求出通过灯泡的最小电流．
（2）当电压表为满量程的$\frac{1}{3}$时，电流表的指针是否在$\frac{1}{3}$量程以上．如果电流表的指针在$\frac{1}{3}$量程到满量程之间，此时电压表示数为灯泡的最小电压，根据P=UI能计算灯泡的最小功率，否则不符合要求．
当电流表为满量程的$\frac{1}{3}$时，电压表的指针是否在$\frac{1}{3}$量程以上．如果电压表的指针在$\frac{1}{3}$量程到满量程之间，此时电流表示数为灯泡的最小电流，根据P=UI能计算灯泡的最小功率，否则不符合要求．
当电压表为满量程时，电流表的指针是否在13量程以上．如果电流表的指针在$\frac{1}{3}$量程到满量程之间，此时电压表示数为灯泡的最大电压，根据P=UI能计算灯泡的最大功率，否则不符合要求．
当电流表为满量程时，电压表的指针是否在$\frac{1}{3}$量程以上．如果电压表的指针在$\frac{1}{3}$量程到满量程之间，此时电流表示数为灯泡的最大电流，根据P=UI能计算灯泡的最大功率，否则不符合要求．
（3）由题意知，电源、开关、电压表、电流表、导线及其连接都完好，不存在电路故障，电路只有一处故障，电路故障只能出现在灯泡或滑动变阻器处；如果电流表无示数，电压表无示数，则可能是滑动变阻器断路造成的，如果电流表有示数，电压表无示数，可能是灯泡短路造成的．
（4）灯泡两端电压增大，电流增大，功率增大，设计功率的平均值是错误的．

解答 解：（1）当滑动变阻器的滑片P位于右端时，电路电阻最大为：R=R'+R_L=20Ω+10Ω=30Ω，
所以电路最小电流为：I=$\frac{U}{R}$=$\frac{4.5V}{30Ω}$=0.15A．
（2）当灯泡两端电压为1V时（$\frac{1}{3}$量程），灯泡电流为：I₁=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{L}}$=$\frac{1V}{10Ω}$=0.1A＜0.2A（$\frac{1}{3}$量程），不符合题意．
当灯泡中的电流为0.2A时（$\frac{1}{3}$量程），灯泡电流为U₁′=I₁′R_L=0.2A×10Ω=2V＞1V（$\frac{1}{3}$量程），符合题意，
所以，0.2A为灯泡的最小电流，
灯泡的最小功率为：P₁=U₁′I₁′=2V×0.2A=0.4W．
当灯泡中的电流为0.6A时（满量程），灯泡电压为：U₂′=I₂′R_L=0.6A×10Ω=6V＞3V（满量程），不符合题意．
当灯泡中的电压为3V时（满量程），灯泡电流为：I₂=$\frac{{U}_{2}}{{R}_{L}}$=$\frac{3V}{10Ω}$=0.3A＜0.6A（满量程），
所以3V为灯泡的最大电压，
灯泡的最大功率为：P₂=U₂I₂=3V×0.3A=0.9W；   
（3）如果电流表无示数，则电路存在断路，电路只有一处故障，故断路位置可能是灯泡断路或滑动变阻器断路，如果灯泡断路，电压表与电源两极相连，电压表示数不为零，如果滑动变阻器断路，电路中无电流，电压表与电源两极不能相连，则电压表示数为零，由此可见：电路故障是滑动变阻器断路；如果电流表有示数，电路不存在断路，如果灯泡短路，则与灯泡并联的电压表示数为零，所以电路故障是灯泡短路；
（4）灯泡电压增大，电流增大，功率增大，设计功率的平均值一栏是错误的．
故答案为：（1）0.15；
（2）0.4～0.9W；
（3）滑动变阻器断路；灯泡短路；
（4）错误．

点评 本题考查了求电路电流、灯泡电阻、电路故障分析等问题，熟练应用串联电路特点、欧姆定律及电功率公式即可顺利解答（1）（2）两问，电路故障有两种：断路或短路，分析电路故障时，要根据电路故障现象，综合分析从而得出结论．