Question

19．按圖示電路圖做“測量小電燈的功率”的實驗．所用器材有：標有“3.8V”字樣的待測小電燈、電壓恒為6V的電源、標有“20Ω 1A”的滑動變阻器、電流表（量程為0～0.6A、0～3A）、電壓表（量程為0～3V、0～15V）、開關及導線若干．
（1）請你根據圖甲的電路圖，將圖乙中的實物連接成完整的實驗電路．
（2）某學生在實驗時，把電流表與電壓表的位置交換連接了，閉合開關后會造成D． （填選項前的字母）
A．電流表燒壞    B．電壓表燒壞    C．小電燈燒壞    D．小電燈不亮
（3）另一學生按圖連接電路后，閉合開關，將滑動變阻器的滑片從最右端移到最左端，該過程中燈不亮，電壓表有較大的示數．經檢查，導線連接完好，則電路故障可能是：燈泡處斷路．排除故障后，閉合開關時，觀察到燈閃亮一下后立即熄滅，則該學生在操作過程中的不當之處是：滑動變阻器沒有置于阻值最大端．
（4）小明同學按電路圖正確連接電路后，閉合開關，從大到小調節滑動變阻器的阻值，并將正確操作下的電壓表和電流表的示數填入如表．

電壓表的 示數U/V	電流表的 示數I/A	小電燈的 功率P/W
2.0	0.20
2.5	0.22
3.0	0.25
3.8	0.30
4.5	0.32

①通過如表數據，可算得小電燈的額定功率為1.44W，還可得出關于燈絲電阻的結論是：燈絲電阻隨溫度升高而增大；
②當小電燈正常工作時，連入電路的滑動變阻器的阻值為7.3Ω．
③將兩個這樣的相同規格的小電燈串聯后直接接在6V電源的兩端，兩燈消耗的總功率為1.5W．
（5）若電壓表的0～15v量程已損壞，只能使用0～3v量程，其它器材不變，如何測出小電燈的額定功率？
①在如圖丙虛線框中畫出測量電路圖；
②若小電燈兩端最大可加4.5V電壓，為保證實驗時你所設計的測量電路中各元件的安全，參照小明的實驗數據，估算滑動變阻器接入電路的阻值范圍應為4.7Ω～12Ω．

Answer 1

分析 （1）電壓表應該并聯下小燈泡兩端，且選擇大量程，變阻器的接法是“一上一下”；
（2）電壓表的電阻很大，故把電流表與電壓表的位置交換連接后，電路中的電流很小；
（3）電壓表約等于電源電壓，則可能是與其并聯的燈泡斷路；燈泡被燒壞，說明燈泡兩端的電壓過大，從而可得滑動變阻器的滑片未移至最大阻值處；
（4）①由表格數據讀出燈泡正常發光時的電流，由P=UI計算其額定功率，而后據電阻受溫度的影響分析即可解決；
②由串聯電路特點和歐姆定律計算小燈泡正常工作時，連入電路的滑動變阻器的阻值；
③兩個相同的這種燈泡串聯在6V電源上，可知兩燈的實際電壓，由此根據表格數據計算實際功率，從而得到總功率；
（5）①電源電壓為6V，根據串聯電路電壓特點，當燈泡電壓為3.8V，滑動變阻器的電壓為2.2V＜3V，可以利用0～3V量程測量滑動變阻器的電壓，據此設計電路圖．
②滑動變阻器兩端的電壓允許的范圍為1.5V～3V，滑動變阻器的電流與燈泡對應電壓時的電流相同，故可求出滑動變阻器的阻值范圍．

解答 解：（1）由于小燈泡的額定電壓是3.8V，所以電壓表選擇大量程，變阻器的接法是“一上一下”，如下圖所示；

（2）把電流表與電壓表的位置交換連接后，電壓表串聯在電路中，電路中電阻較大，電流較小，故燈泡不亮，選D；
（3）閉合開關，將滑動變阻器的滑片移到最左端時，電路為燈泡的基本電路，燈不亮，電壓表有較大的示數，說明電路故障為斷路，并且電壓表與電源兩極相連，故小電燈斷路；開關時，觀察到燈閃亮一下后立即熄滅，該學生在操作過程中的不當之處是：閉合開關前滑動變阻器滑片沒有放到最大阻值處．
（4））①由表中數據可知，燈泡電壓3.8V正常發光，此時通過的電流為0.30A，所以燈泡的額定功率：P=UI=3.8V×0.3A=1.14W；
由表中數據及R=$\frac{U}{I}$可知，隨小電燈電壓的增大，通過的電流也增大，但電壓變化大于電流變化，所以小電燈電阻變大，這是因為：隨電壓增大、電流隨之增大，小電燈的實際功率P=UI也增大，燈的溫度升高，由此可見：燈絲電阻隨溫度的升高而增大；
②由串聯電路特點和歐姆定律計算小燈泡正常工作時，連入電路的滑動變阻器的阻值：
R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{I}$=$\frac{U-{U}_{額}}{I}$=$\frac{6V-3.8V}{0.30A}$≈7.3Ω；
③將兩個這樣的相同規格的小電燈串聯后接在6V電源的兩端，所以兩燈電壓各為3V，由表格數據此時燈泡電流為0.25A，電路的總功率：P_總=UI=6V×0.25A=1.5W；
（5）①當燈泡正常發光時，即要使燈泡電壓為3.8V，則滑動變阻器兩端電壓為6V-3.8V=2.2V＜3V，所以把電壓表并聯在滑動變阻器的兩端，移動滑動變阻器的滑片使電壓表的示數為2.2V時，即可進行實驗．電路圖如圖所示：

②當燈泡兩端電壓為4.5V時，滑動變阻器的電壓U=6V-4.5V=1.5V，經過滑動變阻器的電流與燈泡電流相同且為0.32A，此時滑動變阻器的電阻R=$\frac{U}{I}$=$\frac{1.5V}{0.32A}$≈4.7Ω；
當滑動變阻器兩端電壓達到電壓表量程最大值3V時，燈泡兩端電壓也為3V，此時經過滑動變阻器的電流與燈泡電流同為0.25A，此時滑動變阻器的電阻：R=$\frac{U}{I}$=$\frac{3V}{0.25A}$=12Ω；
故滑動變阻器接入電路的電阻范圍：4.7Ω～12Ω．
故答案為：（1）見上圖；（2）D；（3）燈泡處斷路；滑動變阻器沒有置于阻值最大端；（4）①1.44；燈絲電阻隨溫度升高而增大；②7.3；③1.5；（5）①見上圖；②4.7；12．

點評 本題考查了串聯電路的特點和歐姆定律以及電功率公式的應用、故障分析、求功率、求電阻阻值、數據處理、電路圖的設計等問題，需要注意兩個這樣的相同規格的小電燈串聯后直接接在6V電源的兩端，燈泡兩端的電壓為3V，電流需要從數據中判斷．