Question

20．小明按图所示电路图做“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6Ω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为0.173A；加在灯泡两端的最大电压为4.5V；
（2）若小明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，则测出的灯泡的功率范围只能是0.24W-1.5W．
（3）小明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，小明进一步观察并检查电路．当检查到电源、开关、电压表、电流表、导线及其连接都完好时，小明结合前面的现察，就可判断出电路的故障：如果小明观察到电流表无示数，则故障是滑动变阻器断路；如果小明观察到电流表有示数，则故障是灯泡短路．
（4）排除故障后，小明继续进行实验，在对测量数据的记录和处理时，他设计了如下表格．你认为这张表格的设计是错误（正确/错误）的．

次数	电压U/V	电流I/A	电功率P/W	平均值P/W
1
2
3

Answer 1

分析 （1）在电源电压一定时，滑动变阻器滑片移到右端时，电路电阻最大，电路电流最小．
当滑动变阻器滑片移到左端时只有灯泡接在电源上，灯泡电压与电源电压相等．
（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$\frac{1}{3}$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）电压表无示数，有三种情况：
一是电压表并联的电路短路，电压表测导线，电压示数为0；
二是电压表并联以外的地方断路；
三是电路完好，电压表坏了．
具体是什么地方断路，由电流表判断，
经检查，电源、开关、电压表、电流表导线完好，连接无问题，问题在灯泡与滑动变阻器上．
（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）当滑片滑到最右端，电路电阻最大为：R=R'+R_L=6Ω+20Ω=26Ω，所以电路最小电流为：I=$\frac{U}{R}$=$\frac{4.5V}{26Ω}$=0.173A．
滑片滑到最左端时，灯泡两端电压最大，等于电源电压，灯泡电压为4.5V．
（2）当灯泡两端电压为1V时（$\frac{1}{3}$量程），灯泡电流为：I₁=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{L}}$=$\frac{1V}{6Ω}$=0.16A＜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×6Ω=1.2V＞1V（$\frac{1}{3}$量程），符合题意，
所以，0.2A为灯泡的最小电流，
所以灯泡最小功率为：P₁=U₁′I₁′=1.2V×0.2A=0.24W．
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×6Ω=3.6V＞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=$\frac{{U}_{2}}{{R}_{L}}$=$\frac{3V}{6Ω}$=0.5A＜0.6A（满量程），所以3V为灯泡的最大电压，
所以灯泡最大功率为：P₂=U₂I₂=3V×0.5A=1.5W．
（3）经检查，电源、开关、电压表、电流表．导线及其连接完好，故障在灯与滑动变阻器上，
电压表无示数，电流表无示数时，电路断路，电压表并联在以外的滑动变阻器断路，
电压表无示数，电流表有示数时，电路短路，电压表测导线电压，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）0.173；4.5；（2）0.24W-1.5W；（3）电流表无示数；滑动变阻器断路；电流表有示数  灯泡短路；（4）错误．

点评 对于移动滑片求电路中电流范围、灯泡电压变化范围、灯泡功率范围的问题，既要照顾到电流表，又要照顾到电压表．都在要求的范围内．
当电流表合适时，求出电压表的范围，当电压表合适时，求出电流表的范围，兼顾电压表和电流表是很难的问题．