Question

16．小紅作“測量小燈泡電功率”實驗，實驗室有如下器材：電源（電壓恒為6V）、小燈泡（額定電壓為2.5V，燈絲電阻約為10Ω）、電流表、電壓表、開關各一個、規格分別為R₁“10Ω 1A”和R₂“50Ω0.5A”的滑動變阻器各一個、導線若干．

（1）小紅設計了圖甲所示的電路，她應選用規格為R₂的滑動變阻器（選填“R₁”或“R₂”），該實驗中滑動變阻器的主要作用是改變燈泡兩端的電壓．
（2）正確連接電路后，閉合開關，若小燈泡不亮，電流表有示數，電壓表無示數，原因是小燈泡短路（或電壓表短路）；若小燈泡不亮，電流表無示數，電壓表有示數，原因是小燈泡斷路．
（3）排除故障后，移動滑動變阻器滑片在不同位置，小燈泡U-I圖象如圖乙所示，小燈泡的額定功率為0.625W．
（4）由圖乙發現燈泡電阻是變化的，影響其變化的主要原因是燈絲溫度．
（5）在沒有電壓表、只有電流表的情況下，小紅增加了一只10Ω的定值電阻R并利用原有器材，也測出了額定電壓為2.5V小燈泡的額定功率．步驟如下：
①按照如圖丙所示的電路圖正確連接實物電路；
②閉合開關，調節滑動變阻器滑片，使電流表示數為0.25A時，燈泡正常發光；
③斷開開關，保持滑動變阻器滑片P的位置（或滑動變阻器接入電路的阻值不變，將電流表改接在燈泡所在支路中，再閉合開關，讀出電流表示數I；
④小燈泡額定功率的表達式為P_額=2.5I．

Answer 1

分析 （1）根據分壓原理求出滑動變阻器連放電路中的最小阻值；
由測量小燈泡在不同電壓的電功率作答；
（2）電流表有示數，說明電路為通路；小燈泡不亮，電壓表無示數，說明小燈泡短路或電壓表短路；
小燈泡不亮，電流表無示數，說明電路斷路或電路中的總電阻太大；電壓表有示數，說明與電壓表與電源是連通；
（3）由圖乙，根據額定電壓電壓下對應的電流大小，求小燈泡的額定功率P_額=U_額I
（4）燈絲的電阻隨溫度的變化而變化不是一個定值；
（5）②定值電阻R和電流表相當于電壓表；
③保持滑片的位置不變，將電流表與燈串聯，根據各元件兩端的電壓不變，讀出電流表示數即可；
④根據P_額=U_額I求小燈泡的額定功率．

解答 解：（1）燈的額定電壓為2.5V，所以，變阻器要分去6V-2.5V=3.5V的電壓，根據分壓原理，$\frac{{U}_{滑}}{{U}_{L}}$=$\frac{{R}_{滑}}{{R}_{L}}$，滑動變阻器的阻值至少為R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{{U}_{L}}$×R_L=$\frac{3.5}{2.5}$×10Ω=14Ω．根據歐姆定律知，燈正常發光的時的電流約為0.25A，故應選用R₂“50Ω0.5A”的滑動變阻器；
因測量小燈泡在不同電壓的電功率，所以，本實驗中滑動變阻器的主要作用是改變燈兩端的電壓；
（2）正確連接電路后，閉合開關，電流表有示數，說明電路為通路；小燈泡不亮，電壓表無示數，說明小燈泡短路或電壓表短路；
若小燈泡不亮，電流表無示數，說明電路斷路或電路中的總電阻太大；電壓表有示數，說明與電壓表與電源是連通的，所以，若小燈泡不亮，電流表無示數，電壓表有示數，原因是小燈泡斷路；
（3）由圖乙知，當燈電壓為2.5V時對應的電流為0.25A，小燈泡的額定功率P_額=U_額I=2.5V×0.25A=0.625A；
（4）因燈絲的電阻隨溫度的變化而變化不是一個定值，所以，由圖乙發現燈泡電阻是變化的，影響其變化的主要原因是燈絲溫度；
（5）②小紅增加了一只10Ω的定值電阻R，因當電流表示數為I=$\frac{{U}_{L}}{R}=\frac{2.5V}{10Ω}$=0.25A時，R兩端的電壓一定為2.5V，
根據并聯電路電壓的特點，燈的電壓為2.5V，燈一定正常發光，所以，閉合開關，調節滑動變阻器滑片，使電流表示數為0.25A時，燈泡正常發光；
③斷開開關，保持變阻器滑片P的位置或變阻器接入電路的阻值不變，將電流表改接在所在燈支路中，此時電路的連接關系沒有改變，只是電流表由原來測通過R的電流變為測通過燈的電流I，R與燈兩端的電壓與變阻器的電壓均保持不變，燈仍正常發光，通過燈的電流I即為燈正常發光時的電流大�。�所以，斷開開關，保持滑動變阻器滑片P的位置（或滑動變阻器接入電路的阻值）不變，將電流表改接在燈泡所在支路中，再閉合開關，讀出電流表示數I；
④小燈泡額定功率的表達式為P_額=U_額I（或2.5V×I）．
故答案為：（1）R₂；改變燈泡兩端的電壓；
（2）小燈泡短路（或電壓表短路）；小燈泡斷路；
（3）0.625；
（4）燈絲溫度；
（5）②0.25；③滑動變阻器滑片P的位置（或滑動變阻器接入電路的阻值）；④U_額I（或2.5V×I）．

點評 本題測量小燈泡電功率，考查器材的選擇、常見故障的分析、影響電阻大小的因素等知識及設計實驗方案的能力．