Question

1．倪龙在“测量小灯泡的额定功率”时准备了如下器材：额定电压为6V的小灯泡、稳定电源（电压大约12V）、最大阻值为R₀的滑动变阻器（R₀已知）、电流表、电压表、开关各1个，导线若干．
（1）请用笔画线代替导线，将图甲电路连接完整；

（2）实验中在开关闭合前应该将滑动变阻器的滑片调至最右（左/右）端；
（3）倪龙正确连接好电路后，闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，发现小灯泡始终不亮，电压表有示数，电流表示数为0，经检查电表完好，则故障可能是灯泡断路；
（4）故障排除后，再次闭合开关，移动滑动变阻器的滑片到某一位置时，小灯泡正常发光，此时电流表的示数如图乙所示，则小灯泡的额定功率是1.44W，此时小灯泡的电阻为25Ω；
（5）将图甲中小灯泡换成未知阻值的定值电阻R，并撤去电压表，在不增加任何器材、不改变原电路连接的前提下，倪龙想测出R的阻值，请你帮助倪龙补全实验方案：①将滑动变阻器的滑片至最右端，读出电流表示数为I₁；②再将滑动变阻器滑片调至最左端，读出电流表示数为I₂；则所测量电阻的表达式为R=$\frac{{I}_{1}{R}_{0}}{{I}_{2}-{I}_{1}}$（用测量的物理量和已知量符号表示）；
（6）倪龙进一步探究通电直导线周围的磁场分布情况，找来小磁针、铁屑、硬纸板等，做了如图丙所示的实验，发现了直导线周围的磁场是以导线为圆心的同心圆圈，并查找资料知道了判断直导线周围磁场的方法：“用右手握住直导线，让大拇指指向直导线中电流的方向，则弯曲的四指所指方向为磁场方向．”请你用该方法判断如图丁中小磁针北极转向纸外（纸内/纸外）．

Answer 1

分析 （1）测小灯泡的电阻实验，灯泡与滑动变阻器串联接入电路，电压表并联在灯泡两端，注意滑动变阻器的接法．
（2）连接电路时，应断开开关，并将滑片移至最大阻值处；
（3）灯泡不亮，电流表有明显偏转，电路中无断路，电压表示数为0，则灯泡短路；
（4）确定电流表的量程、最小分度值，由图读出电流表的示数；根据公式P=UI求出小灯泡的功率，再根据R=$\frac{U}{I}$求出小灯泡的电阻；
（5）测电阻的原理为R=$\frac{U}{I}$，有电流表可以测量电流；电阻R₀和R串联在电源上即可间接测量测出R的电阻，即先将滑动变阻器的滑片移动到最右端，再将滑片移动到最左端，分别测出电流大小，根据电源电压相等列出等式，计算出电阻R的阻值．
（6）先判断出通电导体下方磁场的方向以及导线内部磁场的方向，然后根据小磁针静止时，北极的指向为磁场方向可知小磁针N极的指向．

解答 解：（1）灯泡与滑动变阻器串联接入电路，电压表并联在灯泡两端，电路图如图所示：

（2）为保证电路安全，连接电路时，开关应断开；由图知，滑动变阻器的下面接了左边的接线柱，所以闭合开关前应将滑动变阻器的滑片调至最右端，使其阻值最大；
（3）小灯泡始终不亮，电路中无断路，电压表示数为0，电流表有明显偏转，则可能是灯泡短路造成；
（4）由图知，电流表量程是0.6A，最小分度值是0.02A，电流表示数是0.24A，灯泡的额定功率P=UI=6V×0.24A=1.44W；小灯泡的电阻R=$\frac{U}{I}$=$\frac{6V}{0.24A}$=25Ω；
（5）实验方案：
步骤②为：再将滑动变阻器滑片调至最左端，读出电流表示数为I₂；
当滑动变阻器滑片P位于最右端时，电阻R与R₀串联接入电路，总电阻为：R+R₀，
由欧姆定律R=$\frac{U}{I}$得，电源电压U=I₁（R+R₀），
当滑动变阻器滑片P位于最右端时，变阻器R₀接入电路中电阻为0，
电源电压为U=I₂R，
即：I₁（R+R₀）=I₂R，
解得：R=$\frac{{I}_{1}{R}_{0}}{{I}_{2}-{I}_{1}}$；
（6）伸出右手，大拇指指向电流的方向，四指的方向为磁场的方向，故导体正下方磁场方向向外，即小磁针静止时N极的指向为纸外．
故答案为：
（1）见上图；
（2）右；
（3）灯泡断路；
（4）1.44；25；
（5）再将滑动变阻器滑片调至最左端，读出电流表示数为I₂；$\frac{{I}_{1}{R}_{0}}{{I}_{2}-{I}_{1}}$；
（6）纸外．

点评 本题考查了用伏安法测灯泡电功率的实验中滑动变阻器的正确使用方法、实物图的连接、电压表的读数、功率的计算以及通电直导线磁场方向判断方法等内容；明确测电阻的原理为R=$\frac{U}{I}$，用电压表和电流表，再根据串联电路和并联电路的电流和电压特点，直接或间接测量电压和电流，这是解决本题的关键．．