Question

19．一只小灯泡的额定电压为2.0V，正常发光时的电阻约为8Ω．小明想测量这个小灯泡的额定功率，实验室中有如下器材：一个电压表、一个电流表、一个开关，电压为6V的电源，滑动变阻器有A规格：“10Ω 2A”、B规格：“30Ω 1A”可选．导线若干．

（1）本实验应该选择B（选填“A”或“B”）规格的滑动变阻器．
（2）请用笔画线代替导线，将图甲所示电路连接完整（要求滑片向左滑动时变阻器阻值变小）．
（3）小明在连接好电路的最后一根导线时，发现电压表指针立刻偏到最大刻度处，小灯泡却不亮，且电流表也没有示数，上述现象反映他在操作中存在的不规范之处是连接电路时没有断开开关，出现上述故障的原因可能是灯泡断路．
（4）排除故障后，小明发现他很幸运，电压表并没有因此而损坏．小明便开始进行测量，调节滑动变阻器滑片位置直到电压表读数为2.0V，小灯泡正常发光，此时电流表示数如图乙所示，则该小灯泡的额定功率为0.52W．
（5）完成上述实验后，小明进行了反思，如果刚才电压表被损坏了，能不能换成其他的实验器材来完成实验呢，经过思考，他用了一个已知阻值为R₀的电阻和一个单刀双掷开关，借助部分现有的实验器材，设计了如图丙所示的电路，也测出了灯泡的额定功率，请完成下列实验步骤：
①闭合开关S₁，将S₂拨到触点“1”，移动滑片，使电流表的示数为$\frac{2V}{{R}_{0}}$；
②再保持滑片的位置不动，将开关S₂拨到触点“2”，读出电流表的示数I；
③灯泡额定功率的表达式为P_额=2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．（用已知量和测量量表示）

Answer 1

分析 （1）由欧姆定律和串联电路电压的规律求出灯泡正常发光时滑动变阻器接入电路的阻值，然后选择滑动变阻器．
（2）根据题目要求与实验原理连接实物电路图．
（3）连接电路时，为保护电路开关要断开变阻器连入电路中电阻最大．
（4）由图示电流表确定其量程与分度值，读出其示数，然后又P=UI 求出灯泡额定功率．
（5）在没有电压表的情况下，测灯的额定功率，电流表和定值电阻应起到电压表测量的作用，根据并联电路电压的规律，先使灯正常发光；再通过开关的转换，使电流表测干路电流，因电路的连接关系没有改变，各电阻的电压不为，灯仍正常发光，通过定值电阻的电流保持不变，根据并联电路电流的规律，通过灯的电流，根据P_额=U_额I_额写出灯泡额定功率的表达式．

解答 解：
（1）灯泡正常发光时的电流约为：I=$\frac{U}{R}=\frac{2V}{8Ω}$=0.25A，
灯泡正常发光时滑动变阻器接入电路的阻值：R=$\frac{{U}_{滑}}{I}=\frac{U{-U}_{L}}{I}$=$\frac{6V-2V}{0.25A}$=16Ω，则滑动变阻器应选B．
（2）滑片向左滑动时变阻器阻值变小，滑片接左下接线柱，把滑动变阻器与电流表小量程串联接入电路，电压表并联在灯泡两端，实物电路图如图所示：

（3）连接好电路的最后一根导线时，电压表指针立刻偏到最大刻度处，说明连接电路时没有断开开关；小灯泡不亮，电流表没有示数，说明电路存在断路，电压表指针指到最大刻度处，说明电压表与电源两端相连，电压表并联电路之外电路不存在断路，则与电压表并联的灯泡断路．
（4）由图示电流表可知，其量程为0～0.6A，分度值为0.02A，示数为0.26A，
灯泡额定功率：P=UI=2V×0.26A=0.52W．
（5）①闭合开关S₁，将S₂拨到触点“1”，此时电流表测定值电阻电流，要使灯泡正常发光，灯泡两端电压应为额定电压2V，此时定值电阻两端电压也是2V，所以要移动滑片，使电流表的示数为：I₀=$\frac{U}{{R}_{0}}=\frac{2V}{{R}_{0}}$；
②再保持滑片的位置不动，将开关S₂拨到触点“2”，读出电流表的示数I；
③在②中，因电路的连接关系没有改变，各电阻的电压不为，灯仍正常发光，通过定值电阻的电流保持不变，根据并联电路电流的规律，通过灯的电流：I_L=I-I₀=I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$．
灯泡额定功率的表达式为：P_额=U_额I_额=2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．
故答案为：（1）B；（2）如图所示；（3）连接电路时，没有断开开关；灯泡断路；（4）0.52；（5）①$\frac{2V}{{R}_{0}}$；②保持滑片的位置不动，将开关S₂拨到触点“2”；③2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．

点评 本题考查了实验器材的选择、连接实物电路图、注意事项、电路故障分析、电表读数、求功率及设计实验方案的能力，有难度．