Question

17．小明按如圖所示電路圖做“測量某用電器的電功率”的實驗．實驗室可提供下列器材
A．電流表                  
B．電壓表
C．滑動變阻器R（阻值0一20Ω）
D．電阻為10Ω的待測用電器L（電阻不隨溫度變化）
E．電源E（電壓4.5V并保持不變）
F．開關S及導線若干
（1）根據電路圖和實驗室提供的器材，可判斷出：實驗時通過用電器的最小電流為0.15A；加在用電器兩端的最大電壓為4.5V；
（2）若小明所選電壓表的量程為0～3V、電流表的量程為0～0.6A，實驗要求測量時兩只電表的讀數至少為滿刻度的三分之一，則測出的用電器的功率范圍只能是0.4W～0.9W．
（3）小明按電路圖連接好電路后進行實驗，由于電路中某一處有故障，當閉合開關時電壓表無示數，為查出電路故障，小明進一步觀察并檢查電路．當檢查到電源、開關、電壓表、電流表、導線及其連接都完好時，小明結合前面的現察，就可判斷出電路的故障：如果小明觀察到電流表無示數，則故障是滑動變阻器斷路；
如果小明觀察到電流表有示數，則故障是定值電阻短路．
（4）排除故障后，小明繼續進行實驗，在對測量數據的記錄和處理時，他設計了如下表格．你認為這張表格的設計是錯誤（選填“正確”或“錯誤”）的．

次數	電壓U/V	電流I/A	電功率P/W	平均電功率P/W
1
2
3

Answer 1

分析 （1）由電路圖可知，電阻與滑動變阻器串聯，電壓表測電阻兩端電壓，當滑動變阻器阻值全部接入電路時，電路電流最小，由歐姆定律可以求出最小電流；當滑動變阻器接入電路的阻值為零時，電阻兩端的電壓最大，等于電源電壓．
（2）當電壓表為滿量程的$\frac{1}{3}$時，電流表的指針是否在$\frac{1}{3}$量程以上．
如果電流表的指針在$\frac{1}{3}$量程到滿量程之間，此時電壓表示數為燈泡的最小電壓，根據P=UI能計算燈泡的最小功率，否則不符合要求．
當電流表為滿量程的$\frac{1}{3}$時，電壓表的指針是否在$\frac{1}{3}$量程以上．
如果電壓表的指針在$\frac{1}{3}$量程到滿量程之間，此時電流表示數為燈泡的最小電流，根據P=UI能計算燈泡的最小功率，否則不符合要求．
當電壓表為滿量程時，電流表的指針是否在$\frac{1}{3}$量程以上．
如果電流表的指針在$\frac{1}{3}$量程到滿量程之間，此時電壓表示數為燈泡的最大電壓，根據P=UI能計算燈泡的最大功率，否則不符合要求．
當電流表為滿量程時，電壓表的指針是否在$\frac{1}{3}$量程以上．
如果電壓表的指針在$\frac{1}{3}$量程到滿量程之間，此時電流表示數為燈泡的最大電流，根據P=UI能計算燈泡的最大功率，否則不符合要求．
（3）電路故障有兩種：斷路或短路；電流表沒有示數，說明電路斷路，電壓表沒有示數，說明斷路位置在電壓表并聯電路之外；電流表有示數，說明電路不存在斷路，電壓表無示數，說明與電壓表并聯的電阻短路．
（4）在不同電壓下，電阻的電功率不同，求不同功率的平均值沒有意義，據此分析表格設計是否正確．

解答 解：（1）滑動變阻器接入電路的阻值為滑動變阻器最大阻值時，電路電流最小，
根據串聯電路的特點和歐姆定律可得：
I_最小=$\frac{U}{{R}_{L}+{R}_{滑最大}}$=$\frac{4.5V}{10Ω+20Ω}$=0.15A；
當滑動變阻器接入電路的阻值為零時，
加在定值電阻兩端的電壓最大，等于電源電壓，為4.5V；
（2）當用電器兩端電壓為1V時（滿刻度的三分之一），用電器電流為：I₁=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{L}}$=$\frac{1V}{10Ω}$=0.1A＜0.2A（電流表的滿刻度的三分之一），不符合題意．
當用電器中的電流為0.2A時（滿刻度的三分之一），用電器電壓為U₁′=I₁′R_L=0.2A×10Ω=2V＞1V（電壓表滿刻度的三分之一量程），符合題意，
所以，0.2A為用電器的最小電流，
所以用電器最小功率為：P₁=U₁′I₁′=2V×0.2A=0.4W．
當用電器中的電流為0.6A時（滿量程），用電器電壓為：U₂′=I₂′R_L=0.6A×10Ω=6V＞3V（滿量程），不符合題意．
當用電器中的電壓為3V時（滿量程），用電器電流為：I₂=$\frac{{U}_{2}}{{R}_{L}}$=$\frac{3V}{10Ω}$=0.3A＜0.6A（滿量程），所以3V為用電器的最大電壓，
所以用電器最大功率為：P₂=U₂I₂=3V×0.3A=0.9W．
（3）電流表無示數，電壓表無示數，電路斷路，斷路位置在滑動變阻器處，即：滑動變阻器斷路；
電流表有示數，電路不存在斷路，電壓表無示數，說明與電壓表并聯的電阻短路；
（4）在不同電壓下，電阻的電功率不同，求不同功率的平均值沒有意義，
表格中求電阻平均功率的做法是錯誤．
故答案為：（1）0.15；4.5；（2）0.4W～0.9W；（3）電流表無示數；滑動變阻器斷路；電流表有示數；定值電阻短路；（4）錯誤．

點評 本題考查了電路故障分析、電流表讀數、求電阻功率、分析實驗記錄表格設計是否合理、求電阻功率的范圍，這是實驗的常考內容，一定要掌握．