Question

10．一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，电源：电压为6V的A规格，电压为3V的B规格可选，滑动变阻器规格10Ω  2A，导线若干．

（1）为保证实验顺利进行，本实验应该选择B（选填“A”或“B”）规格的电源
（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，则小灯泡的额定电流为0.26A，小灯泡的额定功率为0.52W．
（4）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$\frac{2.0V}{{R}_{0}}$（用R₀表示）；
②再将开关S₂拨到另一触点，保持滑片的位置不动，读出电流表的示数I；
③灯泡额定功率的表达式为P_额=2.0V×（I-$\frac{2.0V}{{R}_{0}}$）．（用已知量和测量量表示）

Answer 1

分析 （1）根据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，根据分压原理确定变阻器连入电路中的电阻与题中滑动变阻器的最大阻值比较；
（2）根据滑片向左滑动时变阻器阻值变小确定变阻器的连接，与电流串联，将电压表与灯并联；
（3）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；
（4）在没有电压表的情况下，测灯泡的额定功率，电流表和定值电阻应起到电压表的作用；当通定值电阻的电流为I=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{2.0V}{{R}_{0}}$时，定值电阻的电压为灯的额定电压；根据并联电路电压的规律，灯一定正常发光，在滑片位置不动的情况下，通过开关的转换使电流表测通过灯与定值电阻的总电流，根据各用电器的电阻和电压均不发生改变，通过定值电阻的电流不变，根据并联电路电流的规律可求出灯的额定电流，根据P_额=U_额I_额，写出灯的额定功率表达式．

解答 解：（1）灯泡正常发光时滑动变阻器的电压：
U_滑=U-U_L=6V-2V=4V，根据分压原理：
$\frac{U-{U}_{L}}{{U}_{L}}$=$\frac{{R}_{滑}}{{R}_{L}}$，即$\frac{U-2V}{2V}$=$\frac{{R}_{滑}}{8Ω}$-------①
若电源电压为6V，
由①得，变阻器连入电路中的阻值大小：
R_滑=24Ω＞10Ω，故不可行；
若电源电压36V，
由①得，变阻器连入电路中的阻值大小：
R_滑=4Ω＜10Ω，可行；
故选用电压为3V的B规格的电源；
（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串联接入电路，电压表并联在灯泡两端，实物电路图如下图所示：

（3）由图乙电流表可知，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；
（4）①闭合开关S₁，将S₂拨到触点“1”，使电流表的示数为：
I=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{2.0V}{{R}_{0}}$；
②再将开关S₂拨到触点“2”，保持滑片的位置不动，读出电流表的示数I；
③在①中，电流表测定值电阻电流，当电流表示数为：
I=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{2.0V}{{R}_{0}}$，根据欧姆定律，定值电阻两端电压为2V
根据并联电路电压的规律，灯泡两端电压为额定电压2V；
在③中，电流表测灯与定值电阻的总电流，根据电路的连接关系没有改变，根据各用电器的电阻和电压均不发生改变，通过定值电阻的电流不变，根据并联电路电流的规律，通过灯的额定电流：
I_L=I-$\frac{2.0V}{{R}_{0}}$，
灯泡额定功率的表达式为：
P_额=U_额I_额=2.0V×（I-$\frac{2.0V}{{R}_{0}}$）．
故答案为：（1）B；（2）如上所示；（3）0.26；  0.52   （4）①1；  $\frac{2.0V}{{R}_{0}}$； ③2.0V×（I-$\frac{2.0V}{{R}_{0}}$）．

点评 本题测量小灯泡的额定功率，考查器材的选择、电路的连接、电流表读数、额定功率的计算及在没有电压表的情况下设计实验方案的能力，综合性强，难度较大．