Question

12．在“測量小燈泡電功率”的實驗中，電源電壓恒定為6V，小燈泡的額定電壓為3.8V，正常發光時的電阻約為12Ω，所用滑動變阻器的規格為“50Ω  0.5A”．
（1）請用筆畫線代替導線把圖甲中未完成的實物電路連接完整（要求滑片向A端滑動時小燈泡變亮）；

（2）正確連接好電路后，閉合開關前，滑片P應移到B（選填“A”或“B”）端．閉合開關，發現電壓表和電流表均有讀數，但小燈泡不亮，檢查發現所有電學元件均完好，請你判斷燈泡不亮的原因是：燈的實際功率過小．
（3）繼續進行實驗：閉合開關后，移動滑片P至某一處時電壓表的示數如圖乙所示，要使燈泡L正常發光，應將滑片P向B（選填“A”或“B”）端移動，燈泡正常發光時電流表的示數如圖丙所示，則小燈泡的額定電功率是1.14W．由于電壓表的內阻很大，電流表內阻很小，假如考慮電表內阻對實驗的影響，則測得的小燈泡額定功率比小燈泡真實的額定功率偏大 （選填“偏大”、“偏小”或“相等”）．
（4）某同學還想探究電流與電阻的關系，于是只將甲圖中的燈泡換成定值電阻R，并使電壓表的示數始終保持4V不變，多次更換阻值不同的定值電阻R，記錄各次電流表的示數，在不更換其他器材和連接的情況下，為了能夠完成實驗并保證電路安全，他更換的定值電阻R的阻值范圍是8-100Ω
（5）如果沒有電流表，只有一只電壓表，給你一個阻值為R已知電阻，請設計好電路圖，并寫出表達式P=3.8V×（$\frac{{U}_{LR}-3.8V}{R}$）．

Answer 1

分析 （1）實驗中電流表、燈泡和滑動變阻器應連成串聯電路，根據燈的額定電壓確定電壓表量程與燈泡并聯，根據歐姆定律求了燈的額定電流確定電流表量程串聯在電路中，根據滑片向A端滑動時小燈泡變亮，確定變阻器的接線；
（2）閉合開關前，滑片P應移到最大值處；當燈泡實際功率太小時，燈泡不發光由此分析原因；
（3）根據串分壓的知識進行分析，在串聯電路中，電阻越大分得的電壓越多；在進行電流表的讀數時，注意量程和分度值；將電壓值和電流值代入公式P=UI計算出額定功率；
由圖電流表測燈泡和電壓表電流之和，由此根據P=UI分析即可；
（4）根據串聯電路特點，分壓原理和歐姆定律分析答題．
（5）若該電路中沒有電流表，電壓表和定值電阻應起到測量電流的作用，故將燈與定值電阻串聯后再與變阻器串聯；
要測燈的額定功率，首先使燈正常發光，先將電壓表與燈并聯，通過移動滑片的位置，使燈的電壓為額定電壓；保持滑片位置不動，通過開關的轉換，使電壓表測燈與定值電阻的電壓，因此時各電阻的大小和電壓不變，燈仍正常工作，根據串聯電路電壓的規律，可求出此時定值電阻的電壓，由歐姆定律可求出燈的額定電流，根據P=UI可求出燈的額定功率．

解答 解：（1）小燈泡的額定電壓為3.8V，電壓表選用大量程與燈工商聯，正常發光時的電阻約為12Ω，由歐姆定律，燈正常工作時的電流約為：
I=$\frac{U}{R}=\frac{3.8V}{12Ω}$≈0.32A，電流表選用小量程串聯在電路中，因要求滑片向A端滑動時小燈泡變亮，即電流變大，電阻變小，故將滑片以左電阻絲連入電路中，如下左所示：

（2）為了保護電路，閉合開關前，滑片P應移到最大值B端；
閉合開關，滑動變阻器阻值全部接入電路，電壓表和電流表均有讀數，電路不存在斷路，燈泡也沒有短路，但小燈泡不亮，可能是由于電路電阻太大，通過燈泡的電流太小，燈泡實際功率太小不足以引起燈泡發光造成的；
（3）電壓表使用0-15V量程，分度值0.5V，由圖乙，電壓表示數為4V，說明小燈泡兩端的電壓高于額定電壓，根據串聯電路的分壓原理，應增大滑動變阻器兩端的電壓，所以應向B端移動滑片，使燈泡兩端的電壓為額定電壓3.8V；
由圖丙，電流表的量程為0～0.6A，其分度值為0.02A，其讀數為0.3A，所以小燈泡的額定功率P=UI=3.8V×0.3A=1.14W．
由圖電壓表測燈泡兩端電壓是準確的，電流表測燈泡和電壓表電流之和，所以電流表所測電流偏大，根據P=UI可知，測得的小燈泡額定功率比小燈泡真實的額定功率偏大；
（4）電源電壓為6V，電阻兩端電壓為4V，滑動變阻器分壓為2V，是定值電阻兩端電壓的$\frac{1}{2}$，滑動變阻器接入電路的阻值為定值電阻阻值的$\frac{1}{2}$，滑動變阻器最大阻值為50Ω，因此定值電阻最大阻值為100Ω；
由電流表量程和變阻器規格可知，電路中電流最大0.5A，此時電路電阻最小，
此時定值電阻的阻值為：
R=$\frac{{U}_{R}}{{I}_{最大}}$=$\frac{4V}{0.5A}$=8Ω，
即更換的定值電阻R的阻值范圍是8～100Ω．
（5）根據上面的分析，設計電路如上右圖，先閉合S、S₁，調節變阻器的滑片，使燈的電壓為3.8V，燈泡正常發光；保持滑片位置不動，斷開S₁，閉合S₂，此時電壓有測燈與定值電阻的總電壓U_LR，根據串聯電路電壓的規律和歐姆定律，此時電路中的電流，即燈的額定電流：
I_L=$\frac{{U}_{LR}-3.8V}{R}$，燈的額定功率：
P=U_額定I_L=3.8V×（$\frac{{U}_{LR}-3.8V}{R}$）．
故答案為：（1）如上左所示；（2）B；燈的實際功率過小；（3）B；1.14；偏大；（4）8-100Ω；（5）3.8V×（$\frac{{U}_{LR}-3.8V}{R}$）．

點評 本題測量小燈泡電功率，考查電路的連接、注意事項、反常現象的分析、操作過程、額定功率的計算、誤差分析，同時也考查了探究電流與電阻的關系對器材的要求及設計實驗方案測額定功率的能力．難度較大．