Question

6．為了測小燈泡的額定功率，被測小燈泡的額定電壓為3.8V，電阻約為10Ω．實驗室有如下器材：電源（電壓約為6V左右）、電流表（0～0.6A  0～3A）、電壓表（0～3V  0～15V）、開關各一只，導線若干，滑動變阻器兩只：R₁（5Ω 0.5A）、R₂（10Ω 0.5A）．
（1）請你說出在這個實驗中，滑動變阻器所起作用是：
①保護電路 和調節燈泡兩端電壓使之達到額定電壓；
②本實驗中滑動變阻器應選用R₂（選填“R₁”或“R₂”）．
（2）實驗電路接好后，合上開關時，部分同學發現電路出現故障，主要有下列情況，請根據現象指出故障的可能原因：
①連接好電路，閉合開關后，看到電壓表指針如圖甲偏轉：電壓表量程選小了．
②燈泡不亮、電壓表示數較大、電流表無示數．取下燈泡，兩表的示數不變：燈泡處發生斷路．
（3）排除故障后，調節滑動變阻器，發現電壓表的0～15V量程已壞，為了測小燈泡的額定功率，姚勝小組設計了另一種實驗方案．（電阻R的阻值已知，電源電壓未知）
①電路如圖乙所示，連接好電路；
②開關S拔到位置1，移動滑片P至任一位置，讀出電流表示數I₁；
③開關S拔到位置2，滑片位置不動，讀出電流表示數I₂．
先算出燈泡的電阻和R兩端電壓，再根據P₀=$\frac{{U}_{0}^{2}}{{R}_{L}}$，計算燈泡的額定功率．他們按此方案測量，發現實驗結果與真實值相差較大，分析后，他們認為要準確測出燈泡額定功率只需將上述步驟①（填序號）改為開關S撥到位置1，移動滑片P使電流表示數I₁=$\frac{3.8V}{R}$；燈泡額定功率的表達式為P_額=3.8V×（I₂-$\frac{3.8V}{R}$）．

Answer 1

分析 （1）根據實驗目的分析變阻器的作用；根據串聯電路特點和歐姆定律計算燈泡正常工作時變阻器連入阻值，從而選擇變阻器規格；
（2）①由圖甲分析故障原因；②燈泡不亮可能是燈泡短路或燈泡斷路或燈泡以外的電路斷路；取下燈泡，兩表示數不變，可以確定故障原因；
（3）由電路圖可知，實驗用了等效替代法求燈的電阻，但因原操作中，沒有使燈正常發光，所以求出的電阻不等于正常發光時的電阻，由此分析解答．

解答 解：（1）滑動變阻器所起作用：
①閉合開關前，為防止電路中電流過大，損壞電路元件，應將變阻器的滑片滑到最大值處；②為測定小燈泡的額定功率，應調節滑片使燈泡兩端電壓達到額定電壓3.8V；
燈泡正常發光時電壓3.8V，電流約為I=$\frac{U}{R}=\frac{3.8V}{10Ω}$=0.38A，此時變阻器連入電路中的電阻R滑=$\frac{{U}_{滑}}{I}=\frac{6V-3.8V}{0.38A}$=5.8Ω，所以應選擇10Ω 0.5A的滑動變阻器；
（2）①由圖甲可知，電壓表指針偏轉到了最大值了，所以原因是電壓表使用了0-3V量程，應使用0-15V量程；
②燈泡不亮，電流表無示數，電路斷路，電壓表示數較大，把燈泡取下，兩表的示數不變，所以燈泡斷路；
（3）因為燈泡電阻隨溫度的變化而變化，題中移動滑片P至任一位置所求電阻值R_L與燈泡正常發光時的阻值不相等，所以，根據P₀=$\frac{{{U}_{0}}^{2}}{{R}_{L}}$求出的功率與額定功率的真實值相差較大；
針對上述分析中存在的問題．要準確測出燈泡的額定功率，只需將上述步驟②改為：開關S拔到位置1，移動滑片P直到電流表示數為I₁$\frac{{U}_{0}}{R}=\frac{3.8V}{R}$為止（此時燈一定正常發光），讀出電流表示數I₁；
所以燈泡的額定功率為P_額=U_額I=3.8V×（I₂-$\frac{3.8V}{R}$）
故答案為：
（1）保護電路和調節燈泡兩端電壓使之達到額定電壓；R₂；
（2）①電壓表量程選小了；②燈泡處發生斷路；
（3）①；開關S撥到位置1，移動滑片P使電流表示數I₁=$\frac{3.8V}{R}$；P_額=U_額I=3.8V×（I₂-$\frac{3.8V}{R}$）

點評 本題測小燈泡的額定功率，考查器材的選擇、操作的過程、常見故障的分析與判斷及對實驗方案的評估能力和發現問題嘗試改進實驗方案的能力．