Question

15．小明要測定標有“3.8V”小燈泡正常發光時的電阻，選擇一些器材連接了如圖甲所示電路．
（1）同組的小芳發現小明所選的器材不能完成此實驗，其原因是電源電壓低于額定電壓．并且電路連接也有錯誤，如果此時閉合開關，小燈泡不發光（選填“發光”或“不發光”），電壓表有示數（選填“有示數”或“無示數”）．請你在接錯的那根導線上打“×”，并另畫一根導線，使電路連接正確．
（2）小明重新選擇合理器材，將電路改接正確后，閉合開關，調節滑動變阻器的滑片，使小燈泡正確發光，此時電流表示數如圖乙所示，則小燈泡正常發光時的電阻是10Ω．
（3）小明還測量了小燈泡在不同電壓下的電流，并根據所測得數據繪制了小燈泡的I-U圖象，如圖丙所示，根據圖象可知電流與電壓并不成正比，原因是燈絲的電阻隨溫度升高而增大．在這個圖象中，橫軸應該表示的是電流（選填“電壓”或“電流”）
（4）上述實驗結束后，小明又設計了如圖丁所示的電路，只用電壓表來測量額定電壓為2.5的小燈泡的額定功率．已知滑動變阻器R的最大阻值為15Ω，電源電壓恒定，其測量過程如下：
①閉合開關S、S₂，斷開S₁，將滑動變阻器的滑片移到最上端，電壓表示數為4.5V．
②閉合S、S₁，斷開S₂（填三個開關閉合與斷開情況），移動滑動變阻器的滑片，使電壓表示數為2V，這時小燈泡正常發光．
③閉合開關S、S₂，斷開S₁，保持滑動變阻器滑片的位置不變，電壓表示數為3V．
④小燈泡的額定功率P_額=0.5W．

Answer 1

分析 （1）測燈的額定功率，燈的電壓要高于燈的額定電壓；分析電路的連接確定兩表的示數；
根據電路連接錯誤之改正；
（2）根據電流表小量程讀數，由歐姆定律求電阻大��；
（3）燈絲的電阻隨溫度升高而增大．根據歐姆定律，電壓的增加量應大于電流的增加量；
（4）先測出電源電壓U；
只用電壓表來測量額定電壓為2.5V的小燈泡的額定功率，首先應使燈正常發光，通過開關的轉換，使燈與變阻器滑片以下電阻絲串聯，根據串聯電路電壓的規律，當電壓表示數為U-2.5V燈正常發光，
在③中，根據分壓原理可求出滑片以下電阻絲的電阻大小，根據歐姆定律可求出燈正常發光時的電流即，
根據P=UI可求小燈泡的額定功率P_額．

解答 解：（1）電源電壓為3V，小于燈的額定電壓，故選的器材不能完成此實驗；原電路中，電壓表串聯在電路中，電路中幾乎沒有電路，電流表將變阻器與燈短路了，此時閉合開關小燈泡不發光，電壓表與電源連通，電壓表有示數；
電流表應串聯在電路中，電壓表與燈并聯，如下左圖所示：

（2）此時電流表示數如圖乙所示，圖中電流表選用小量程，分度值為0.023A，則小燈泡正常發光時的電阻是：
R=$\frac{U}{I}=\frac{3.8V}{0.38A}$=10Ω；
（3）并根據所測得數據繪制了小燈泡的I-U圖象，如圖丙所示，根據圖象可知電流與電壓并不成正比，原因是燈絲的電阻隨溫度升高而增大．根據歐姆定律的變形公式：R=$\frac{U}{I}$，因燈絲的電阻隨溫度升高而增大，故電壓的增加量應大于電流的增加量，如上左圖所示，在這個圖象中，橫軸應該表示的是電流；
（4）根據上面的分析，具體步驟：
①閉合開關S、S₂，斷開S₁，將滑動變阻器的滑片移到最上端，電壓表示數為4.5V；
②閉合S、S₁，斷開S₂，移動滑動變阻器的滑片，使電壓表示數為2V，這時小燈泡正常發光；
③閉合開關S、S₂，斷開S₁，保持滑動變阻器滑片的位置不變，電壓表示數為3V．
在①中，電源電壓為U=4.5V，在②中，燈與滑片以下電阻絲R_滑下的電阻串聯，電壓表測其電壓，當電壓表示數為2V，根據串聯電路電壓的規律，燈的電壓：
U_L=U-U_滑下=4.5V-2V=2.5V，燈正常發光；
在③中，電路中只有變阻器，根據串聯電路電壓的規律，滑片以上電阻絲的電壓為：
U-3V=4.5V-3V=1.5V，根據分壓原理，R_滑上：R_滑下=1：2，因變阻器的總電阻為15Ω，故R_滑下=10Ω，由歐姆定律和串聯電路電流的規律，通過變阻器的電流即燈的額定電流：
I_L=$\frac{{U}_{滑下}}{{R}_{滑下}}=\frac{2V}{10Ω}$=0.2A，
④小燈泡的額定功率P_額=U_LI_L=2.5V×0.2A=0.5W．
故答案為：（1）電源電壓低于燈泡的額定電壓；不發光；有示數；如上所示；（2）10；（3）增大；電流；
（4）②閉合S、S₁，斷開S₂；④0.5．

點評 本題測定標有“3.8V”小燈泡正常發光時的電阻，考查對器材的要求，錯誤電路的分析及現象，電流表讀數，電阻計算、影響電阻的因素，同進也考查了設計實驗方案測電功率的能力，綜合性，有難度，有新意，為一好題．