Question

1．小華測量小燈泡功率的實驗，已知電源電壓為4.5V，小燈泡的額定電壓為3.8V．

（1）實驗中所用電壓表在未接入電路時表盤如圖1，在使用它測量前應進行的操作是將電壓表的指針調零．
（2）小華連接的電路如圖2所示，其中有一根導線連接錯誤．請在這根導線上打“×”，并用筆畫線代替導線，將其改正．
（3）正確連接電路后，當電壓表示數達到額定電壓時，電流表示數如圖3所示，則小燈泡的額定功率為1.14W．
（4）繼續實驗時燈泡突然熄滅，經分析：可能是燈泡斷路，也可能是滑動變阻器斷路．下列操作不能判斷出故障類型的是B．
A．直接觀察電壓表示數          B．直接觀察電流表示數
C．將另一個完好的燈泡并聯在燈泡兩端，觀察電流表是否有示數
D． 將一根導線并聯在燈泡兩端，觀察電流表是否有示數
（5）小明同學思考后覺得：用阻值已知的定值電阻來替代某一電表也能測出小燈泡正常發光時的功率，并設計了如圖5四個電路圖．其中正確的是A、C．
（6）老師又拿來了一阻值恒定的電阻元件R_x，額定功率P_額=6W，但額定電壓數據模糊．現提供如下器材有一個蓄電池（電壓約為6V）、一個電流表、一個阻值已知的定值電阻R₀，兩個單刀開關及導線．設計了如圖4的電路測出該元件的額定電壓．請補全以下實驗步驟，寫出測量的物理量及其對應的符號．
實驗步驟：
①連接電路；
②閉合S₁、S₂，讀出電流表的示數為I₁；
③閉合S₁，斷開S₂，記下電流表示數I₂；
④斷開開關，整理器材．
實驗結論：U_額=$\sqrt{\frac{{P}_{額}{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}}$．（用測量的物理量和已知物理量的符號表示）

Answer 1

分析 （1）由圖1，電壓表指針未指在零刻度處，由此判斷應先進行的操作；
（2）觀察圖2，根據電壓表和電流表的連接情況由題意作出判斷；
（3）由圖3讀出燈泡正常發光時電流表的示數，根據P=UI計算燈泡的額定功率；
（4）燈光突然熄滅，若燈泡斷路，電壓表串聯入電路；也可能是燈泡短路，電壓表也短路．由此可根據電壓表示數情況判斷故障的原因；
（5）由P=UI，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．
（6）要測量電阻的額定電壓，知道額定功率，根據P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知只需要測量出電阻就可以，結合已有器材，設計測量電阻兩端電壓和電流．

解答 解：（1）由圖1所示可知，電壓表指針沒有指在零刻度線上，在使用前應對電壓表進行調零，使指針指在零刻度線上．
（2）由圖2所示電路圖可知，電壓表與燈泡和滑動變阻器并聯，則電壓表連線錯誤，由于小燈泡的額定電壓為3.8V，電壓表測量燈泡兩端的電壓時量程為0～15V的，由圖可知：電壓表使用的量程是0～3V的，所以應將電壓表與滑動變阻器并聯，電路圖如圖所示：

（3）由圖3所示電流表可知，其量程為0～0.6A，分度值為0.02A，示數為0.3A，燈泡額定功率P=UI=3.8V×0.3A=1.14W．
（4）若是接線柱接觸不良，更換燈泡或移動滑動變阻器的滑片，都不會引起現象的變化，所以ACD不能判斷故障原因；
燈光突然熄滅，若燈泡斷路，電壓表串聯入電路，示數幾乎等于電源電壓；
若燈泡短路，電壓表也短路，示數為零．由此可根據電壓表示數情況判斷故障的原因，故選B；
（5）A、燈泡與定值電阻并聯，通過開關的斷開或閉合能測出干路電流和燈泡的電流，當兩次的示數之差為I_R=$\frac{3.8V}{R}$時，燈泡正常工作，則根據P=UI即可求出燈泡的額定功率，故A電路正確；
B、閉合左邊的開關，電壓表上端為正接線柱，下端為負接線柱；只閉合右邊的開關，電壓表上端為負接線柱，下端為正接線柱，又不能更改電路，所以其中有一次電壓表接線柱一定接反，不能讀出電壓表示數，故不能測出燈泡的額定功率；
C、燈泡與定值電阻并聯，通過開關的斷開或閉合能測出干路電流和定值電阻的電流，當定值電阻的電流為I_R=$\frac{3.8V}{R}$時，燈泡正常工作，則根據P=UI即可求出燈泡的額定功率，故C電路正確；
D、閉合左邊的開關，電流表把燈泡短路，燈泡不發光；只閉合右邊的開關，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．
故選AC．
（6）要測量電阻的額定電壓，知道額定功率，只需要測量出電阻就可以；只有一個電流表，沒有電壓表，需要測量電阻兩端電壓和電阻的電流，則電流表和R₀可以單獨工作，電流表需要測量兩個電流，應在干路，如圖所示電路．

實驗步驟
②閉合S₁和S₂，記下電流表示數I₁；（即為干路電流）
③閉合S₁，斷開S₂，記下電流表示數I₂（則電源電壓為U=I₂R₀）
通過R_x電流；I_x=I₁-I₂，
由歐姆定律得：R_x=$\frac{U}{{I}_{x}}$=$\frac{{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}$，
由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$得R_x的額定電壓：U_額=$\sqrt{{P}_{額}{R}_{x}}$=$\sqrt{{P}_{額}×\frac{{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}}$=$\sqrt{\frac{{P}_{額}{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}}$．
故答案為：（1）將電壓表的指針調零；（2）如上圖；（3）0.3；1.14；（4）B（5）AC；（6）$\sqrt{\frac{{P}_{額}{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}}$．

點評 本題考查了連接實物電路圖、電路故障分析、電流表讀數、實驗現象分析、實驗電路分析等問題，連接電路圖時注意電表量程的選擇；測燈泡額定電壓時分析電路圖，由于不能判斷能不能電阻是否正常工作，所以測出電阻是解題的關鍵，分析開關閉合與斷開時電路的連接情況，綜合性較強，很容易出錯．