Question

2．下面是文奇和包博等同学进行的电学实验：

（1）文奇为了探究通过导体的电流跟电阻的关系，设计了如图甲所示的电路．
①请用笔画代替导线完成图甲电路的连接；
②文奇看到了邻组同学在闭合开关后，电流表的指针偏向“0”刻度线的左侧，原因是电流表正负接线柱接反了；
③如果文奇连接电路时接入的电阻为5Ω，控制电阻两端的电压为2V，那么将5Ω的电阻换成10Ω的电阻时，应将滑动变阻器的滑片向左端调节，使电压表示数为2V；把10Ω的电阻换成20Ω的电阻，无论怎样调节滑片都无法使电压表示数调到控制值，说明她选择的滑动变阻器最大阻值太小；
④更换器材后，重新实验，将数据记录在表格中，分析实验数据可得出：当电压一定时，导体中的电流与导体的电阻成反比．

电压U/V	2
电阻R/Ω	5	10	20
电流I/A	0.4	0.2	0.1

（2）包博将电阻换成标有“2.5V”字样的小灯泡，测量其不同电压下的电功率．
①正确连接电路，闭合开关，发现小灯泡不亮，电压表有示数，电流表指针几乎不动，产生这种现象的原因是小灯泡断路；
②排除故障，继续实验．如图乙所示是某次实验电流表的示数为0.1A．最后根据实验数据画出I-U图象（如图丙）．根据图象求出小灯泡正常发光时的功率为0.625W；
③通过分析I-U图象，发现小灯泡的电阻随电压升高逐渐变大，其原因是灯丝电阻随温度升高而增大．
（3）完成上述实验后，包博又重新设计了电路（如图丁），测量另一个小灯泡的额定功率，这个小灯泡正常工作的电流为I₁．请完成实验步骤（已知电源电压为U）．
①只闭合开关S₁，移动滑动变阻器R₂的滑片，使电流表示数为I₁；
②只闭合开关S₂，保持滑动变阻器R₂的滑片位置不变，调节滑动变阻器R₁的滑片使电流表示数为I₁；再将滑动变阻器R₂的滑片调到最左端，读出电流表的示数为I₂；
③则小灯泡的额定功率表达式为P_额==$\frac{{{UI}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．

Answer 1

分析 （1）①在实物电路连接时，电压表应与定值电阻并联，并注意电流要正进负出；
②当电流表的正负接线柱接反时，会出现指针反偏的现象；
③在探究电流与电阻关系时，应保持电压的大小不变，所以当换成较大电阻时，应适当调整滑片，使电压表示数仍为2V；
变阻器在电路中起分压作用，当定值电阻换成20Ω后，变阻器必须继续调大，才能确保定值电阻两端的电压仍为2V，如果变阻器最大阻值太小，则无法达到调整的目的．
④当电压一定时，导体中的电流与导体的电阻成反比．
（2）①根据灯泡的发光情况和电压表、电流表的示数，可判断电路故障是断路或短路；
②电流表读数时要看清量程，明确分度值，再读数．从图象中读出额定电压下的电流值，根据公式P=UI可计算额定功率的大小；
③灯丝的电阻是变化的，会随温度的升高而增大．
（3）搞清实验的原理是利用替代法，测出灯泡的电阻，再通过电功率的变形公式P=I²R可计算小灯泡的额定功率．

解答 解：（1）①电压表应并联在定值电阻的两端，所以应将定值电阻的左接线柱与电压表的“-”接线柱或变阻器下端接线柱连接；如图所示．

②闭合开关后，电流表的指针偏向“0”刻度线的左侧，原因是电流表正负接线柱接反了；
③在探究电流与电阻关系时，应保持电压的大小不变，所以当电阻从5Ω换成10Ω时，电阻变大，分压变大，应向左调整滑片，使电压表示数仍为2V；
滑动变阻器在电路中起分压作用，当定值电阻换成20Ω后，变阻器必须继续调大，才能确保定值电阻两端的电压仍为2V，如果无论怎样调节滑片都无法使电压表示数调到控制值，说明她选择的滑动变阻器最大阻值太小了；
④由实验数据可知，当电压一定时，导体中的电流与导体的电阻成反比．
（2）①闭合开关，发现小灯泡不亮，电流表指针几乎不动，说明为断路，电压表有示数，说明电压表并联部分断路了，因此产生这种现象的原因是灯泡断路；
②读图乙可知，电流表的量程为0～0.6A，分度值为0.02A，其示数为0.1A；
读图丙可得，当电压为2.5V时，电路中的电流为0.25A，则小灯泡的额定功率为：P=UI=2.5V×0.25A=0.625W．
③过分析I-U图象，发现小灯泡的电阻随电压升高逐渐变大，其原因是灯丝电阻受温度影响，温度越高，灯丝电阻越大．
（3）分析实验的原理可以得出其具体的步骤为：
①只闭合开关S₁，移动滑动变阻器R₂的滑片，使电流表示数为I₁；
②只闭合开关S₂，保持滑动变阻器R₂的滑片位置不变，调节滑动变阻器R₁的滑片使电流表示数为I₁；
再将滑动变阻器R₂的滑片调到最左端，读出电流表的示数为I₂；
③则小灯泡的电阻与变阻器R₁此时的电阻相同，即R_灯=$\frac{{U}_{2}}{{I}_{2}}$，
小灯泡的额定功率P_额=I₁²R_灯=I₁²•$\frac{U}{{I}_{2}}$=$\frac{{{UI}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．
故答案为：（1）①见上图；②正负接线柱接反了；③左；2；最大阻值太小；④反；
（2）①小灯泡断路；②0.1； 0.625；③灯丝电阻随温度升高而增大；
（3）①I₁；②调节滑动变阻器R₁的滑片；③=$\frac{{{UI}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．

点评 本题即考查了“探究通过导体的电流跟电阻的关系”，又考查了“测量小灯泡电功率”，尤其是后一个实验中，运用了两种不同的测量方法，要求我们对实验的原理、注意事项、欧姆定律及电功率的变形公式等有一个全面的了解和掌握，考查内容多，有一定难度．