Question

20．在“測量小燈泡的額定功率”實驗中，已連接的部分電路如圖甲所示．圖中電源電壓恒定，小燈泡上只能看到“2.5V 字樣”．

（1）請你用筆畫線代替導線，將圖中的實物電路連接完整．
（2）正確連接實驗電路后，開關試觸時，發現燈泡發光，電流表指示正常，電壓表示數為0，產生這種現象的原因可能是電壓表斷路．
（3）故障排除后開始實驗，調節滑動變阻器的滑片到某一位置時，電壓表的示數如圖乙所示，為了測量小燈泡的額定功率，應將滑片向右（填“左”或“右”）端移動，當小燈泡正常發光時，電流表的示數是0.28A，則小燈泡的額定功率為0.7W．
（4）實驗時某小組學生發現電流表損壞，他們想設計一個不用電流表測定該小燈泡額定功率的實驗，于是向老師要了一個阻值為R₀的定值電阻（阻值適當）和兩個開關，借助原有的實驗器材，順利完成了實驗，要求電路只連接一次，請設計實驗方案．
①在虛線框內畫出實驗電路圖．
②簡述實驗步驟．（用相應的符號表示測出的物理量）
③寫出燈泡額定功率的表達式P_額=2.5V×$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$（用已知量和測量量表示）．

Answer 1

分析 （1）根據燈的額定電壓確定電壓表量程，將電壓表并聯在燈的兩端；
（2）在判斷故障時，電壓表的示數的變化很關鍵，若電壓表有示數，說明電壓表與電源是連通的，若無示數，說明電壓表與電源之間有斷路；
（3）根據電壓表小量程讀數，比較電壓表示數大小與額定電壓的大小，根據分壓原理確定滑片移動的方向；根據P_額=U_額I求燈的額定功率；
（4）首先通過移動滑片使燈兩端的電壓為2.5V，使燈正常工作，所以應將電壓表與燈并聯；因沒有電流表，所以電壓表和定值電阻應起到電流表的作用，在保持滑片位置不變的情況下，通過開關的轉換測算出定值電阻的電壓，即可求出通過定值電阻的電流大小；將燈與定值電阻串聯，燈正常工作時，通過定值電阻的電流大小就等于燈的電流；根據P_額=U_額I求出燈的額定功率．

解答 解：（1）燈的額定電壓為2.5V，所以電壓表選用小量程，將燈串聯在電路中，電壓表并聯在燈的兩端，如圖所示；

（2）燈泡發光，電流表指示正常，說明電路是通路；電壓表示數為0，則故障的原因可能是電壓表斷路了；
（3）電壓表小量程分度值為0.1V，示數為2.2V，小于燈的額定電壓，要使燈正常工作，需要增大燈的電壓，減小變阻器的電壓，根據分壓原理，就要減小變阻器連入電路中的電阻大小，故滑片向右移動；
燈的額定電壓為2.5V，當小燈泡正常發光時，電流表的示數是0.28A，燈的額定功率
P_額=U_額I_額=2.5V×0.28A=0.7W；
（4）①按上面的分析連接電路，如下圖所示：


②只閉合S₁、S₃，移動變阻器的滑片使電壓表示數為2.5V；
保持滑片的位置不動，斷開S₃，閉合S₂，記下電壓表的示數U_LR；
③在上面的操作中，當燈正常發光后，滑片的位置不動，開關的轉換沒有引起電路連接關系的改變，各用電器兩端的電壓不變，所以，定值電阻R0兩端的電壓為
U₀=U_IR-2.5V，通過其的電流大小I=$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$，根據串聯電路電流的特點，通過燈的電流大小為I=$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$，所以，燈的額定功率P=UI=2.5V×$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$
故答案為：（1）如上圖所示；
（2）電壓表斷路；
（3）右；0.7；
（4）①如上圖所示；
②只閉合S₁、S₃，移動變阻器的滑片使電壓表示數為2.5V；
保持滑片的位置不動，斷開S₃，閉合S₂，記下電壓表的示數U_LR；
③2.5V×$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$

點評 本題測量小燈泡的額定功率，考查電路的連接、故障的分析、操作的過程、功率的計算及設計實驗方案的能力，綜合性較強，有一定難度．