Question

15．小明利用如圖甲所示電路測定小燈泡的功率．被測小燈泡的額定電壓為2.5V，電阻約為10Ω左右．實驗室有如下器材：電源（電壓為 6V）、電流表（0～0.6A 0～3A）、電壓表（0～3V 0～15V）、開關各一個、導線若干、滑動變阻器三只：R₁（20Ω 0.5A）、R₂（50Ω 0.5A）、R₃（500Ω 1A）．

（1）實驗前在檢查儀器時，發現電流表指針如圖乙所示，則接下來的操作是調零．正確連接電路閉合 開關后，發現無論怎樣移動滑動變阻器滑片，燈泡都不亮，電壓表示數接近6V，電流表示數幾乎為0，電路的故障可能是燈泡斷路．
（2）排除電路故障后，閉合開關，改變滑動變阻器的阻值，多次測量，小明畫出了小燈泡中電流隨其兩端電壓變化的關系圖象（如圖丙），則小燈泡的額定功率為0.625W．在多次測量中，小明還發現：當電壓表的示數增大時，電壓表與電流表的示數之比變大．（選填“變大”、“變小”或“不變”）．
（3）小明又取了一個規格、型號完全相同的舊燈泡進行實驗，發現在額定電壓下工作時，燈泡亮度明顯偏暗，小明仔細觀察，發現這只燈泡的玻璃內壁變黑．燈泡亮度偏暗的原因是燈絲發光時發生升華（選填物 態變化名稱）而變細，消耗的實際功率變小的緣故（選填“大”或“小”）．
（4）如圖戊電路圖中電源電壓 U 保持不變，小燈泡的額定電壓為U₀，且U＞U₀，定值電阻的阻值為R．在不改變電路連接的情況下，能測出小燈泡額定功率的是C，請寫出實驗步驟：①開關處于2的位置，電壓表測量的是燈泡的兩端電壓，移動滑動變阻器使電壓表示數為燈泡的額定電壓值U0；②開關處于1的位置，電壓表測量的是燈泡和電阻串聯后的兩端電壓U′．并用測量的量和已知量表示額定功率：P=U₀I=$\frac{{U-{U}_{0}}^{′}}{{R}_{0}}•{U}_{0}$．
（5）燈泡的功率測量完畢，小明用5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω的定值電阻更換電路中的燈泡，探究電流跟電阻的關系，得到如圖丁所示的電流I隨電阻R變化的圖象，則小明應選用滑動變阻器R₂（選填“R₁”、“R₂”或“R₃”）．若某次實驗中滑動變阻器連入的阻值為14Ω，則所選定值電阻的阻值為10Ω．．

Answer 1

分析 （1）由圖乙知，電流表指針沒有指在電流表的零刻度線上，使用前應對電流表調零；閉合開關燈泡不亮，可能是燈泡斷路或短路或燈泡之外的電路斷路；電流表無示數可能是電路斷路；電壓表示數接近6V，等于電源電壓，說明電壓表與電源兩端相連，電壓表并聯電路之外，不存在斷路；綜合分析知電路故障原因是：燈泡斷路；
（2）已知燈泡的額定電壓，通過圖象得到額定電壓下的電流，利用公式P=UI得到燈泡的額定功率；根據歐姆定律分別求出幾個電阻值，判斷電壓與電流大小比值的大小變化；
（3）①物質由固態直接變為氣態的過程叫升華；②在兩端電壓一定時，用電器消耗的功率的變化用公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$分析．
（4）小燈泡的額定功率等于額定電壓和額定電流的乘積，小燈泡的額定電壓U₀已知，關鍵是測出額定電流．可以不考慮S₁和滑動變電阻的作用，假設都是閉合狀態，分別分析每個電路的開關及電流表和電壓表的關系，看哪一個電路圖能測量出燈泡的額定電流
（5）①在探究電流與電阻的關系時，要改變接入電路的電阻阻值大小，但不同阻值的電阻兩端電壓不變；
②串聯電路中用電器兩端電壓與其阻值成正比，由圖象可得電阻兩端電壓，已知電源電壓和電阻兩端電壓，可以得到滑動變阻器兩端電壓，根據串聯電路用電器兩端電壓與電阻的對應關系，得到定值電阻的阻值．

解答 解：（1）電流表指針沒有指在零刻度線上，應對電流表進行機械調零，使電流表指針指在零刻度線上；
電路正確連接后，閉合開關，移動滑片P，發觀燈泡總不亮，且電流表無示數，但電壓表示數接近6V，則故障原因可能是燈泡斷路；
（2）由圖象知，在額定電壓下，通過燈泡的電流為I=0.25A，所以燈泡的額定功率為P_額=U_額I=2.5V×0.25A=0.625W；由圖象知，當電壓為0.5V時，對應的電流為0.1A，電壓與電流比值大小為5Ω；當電壓為2.5V時，對應的電流為0.25A，電壓與電流的比值為10Ω，所以，當電壓表的示數增大時，電壓表與電流表的示數之比變大；
（3）燈泡亮度偏暗的原因是燈絲發光時溫度很高，鎢絲由固態直接變為氣態發生升華現象而變細；
燈絲變細，電阻增大，在兩端電壓一定時，由公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$知，消耗的功率變小，即實際功率減小；
（4）A、S₂閉合S₃斷開時，電流表把燈泡短路，燈泡不發光；S₂斷開S₃閉合時，電流表把電阻短路；兩個都閉合或斷開時，電流表均無示數．測不出燈泡的額定電流，該電路圖不能選；
B、S₂閉合S₃斷開，電壓表測電燈兩端的電壓，其上端為正極、下端為負極；
S₃閉合S₂斷開，電壓表測定值電阻R兩端的電壓，其上端為負極，下端為正極；
電壓表的兩次接線方法相反，在不改變電路連接方式的情況下，無法進行測量，故不合題意；
C、將開關撥到2的位置，電壓表測量的是燈泡的兩端電壓，調節滑動變阻器的滑片P，使得電壓表的示數為U₀，則小燈泡正常發光；將開關撥到1的位置，電壓表測量的是燈泡和電阻串聯后的兩端電壓U₁，通過小燈泡的電流為I=$\frac{{U}_{1}-{U}_{0}}{R}$，小燈泡的額定功率表達式是P=U₀I=$\frac{{U}_{1}-{U}_{0}}{R}$U₀，C選項圖可選．
D、開關處于1的位置，電流表把燈泡和電阻短路，電流表測量滑動電阻的電流；
開關處于2的位置，電流表把小燈泡短路，測量的是通過電阻的電流．測不出燈泡的額定電流，該電路圖不能選．
故選 C．
（5）①由圖象知，不同阻值的電阻兩端電壓等于0.5A×5Ω=0.25A×10Ω=…=2.5V
假設選擇25Ω的定值電阻與滑動變阻器串聯，由$\frac{{U}_{1}}{{U}_{2}}$=$\frac{{R}_{1}}{{R}_{2}}$知，要保持定值電阻兩端電壓為2.5V不變，滑動變阻器接入電路的電阻為35Ω，所以滑動變阻器選擇“50Ω  0.5A”，即選擇滑動變阻器R₂；
②滑動變阻器兩端電壓為U₂=U-U₁=6V-2.5V=3.5V
由串聯電路的分壓原理$\frac{{U}_{1}}{{U}_{2}}$=$\frac{{R}_{1}}{{R}_{2}}$，
代入數值得$\frac{2.5V}{3.5V}$=$\frac{{R}_{1}}{14Ω}$，
解得R₁=10Ω，即選擇的定值電阻阻值為10Ω．
故答案為：（1）調零；燈泡斷路；（2）0.625；變大；（3）升華；小；（4）C；①開關處于 2 的位置，電壓表測量的是燈泡的兩端電壓，移動滑動變阻器使電壓表示數為燈泡的額定電壓值 U0；②開關處于 1 的位置，電壓表測量的是燈泡和電阻串聯后的兩端電壓 U′；P=U₀I=$\frac{{U}^{′}-{U}_{0}}{{R}_{0}}•{U}_{0}$；（5）R₂；10Ω．

點評 本題考查了電流表的調節及讀數、求燈泡額定功率、電功率的變化以及滑動變阻器規格的選擇，考查角度廣，設計知識點多，綜合性較強，具有一定的代表性．