Question

20．小宇和同學們在“探究電流與電阻關系”的實驗中，所用的器材有：三節新干電池，“5Ω、10Ω、15Ω、20Ω”的電阻各一個，滑動變阻器一個，電流表使用0∽0.6A的量程，電壓表使用0∽3V的量程，開關和導線若干，請你和他一起完成下列實驗：
（1）小宇連成如圖甲所示的電路，同組的小紅發現電路連接有一處錯誤，請在錯誤的導線上劃“×”，并畫出正確的連線．
（2）實驗中，控制定值電阻兩端的電壓為2v不變，當小宇用20Ω的定值電阻替換了15Ω的定值電阻后，繼續進行實驗，無論怎樣移動滑動變阻器的滑片，電壓表的示數都無法降低到2v，原因是滑動變阻器的最大阻值小于25Ω．
（3）小宇在實驗時，用額定電壓為“2.5V“的小燈泡L₁替換定值電阻，想測量L₁的額定功率，可電壓表壞了，老師又給他提供了一個標有“2.5V 1.25W“的小燈泡L₂和兩個開關S₁、S₂，他設計了如圖乙所示的電路圖，同樣完成了實驗，請你將下列實驗過程補充完整：
①閉合開關S和S₂、斷開S₁，調節滑動變阻器的滑片，使電流表示數為0.5A；
②閉合開關S、S₁、斷開開關S₂（填“S₁、S₂、S₃的通斷情況）．保持滑動變阻器的滑片位置不變，記錄電流表的示數為I；
③小燈泡L₁額定功率的表達式P_額=2.5V×（I-0.5A）．
（4）若只將小燈泡換成電磁鐵，滑片向左移動時，電磁鐵吸引大頭針的數量將減小（選填“增多”、“減小”或“不變”）．

Answer 1

分析 （1）實驗中，電壓表應與電阻并聯，滑動變阻器按一上一下的原則串聯在電路中；
（2）根據串聯電路電壓的規律和分壓原理確定變阻器的最大阻值至少為多少，據此作答；
（3）因兩燈的額定電壓相同，將兩燈并聯，移動滑片，移動滑片，當通過燈L₂的電流為I₂=$\frac{{P}_{2}}{{U}_{2}}=\frac{1.25W}{2.5V}$=0.5A時，L₂正常發光，根據并聯電路電壓的規律，此時燈L₁也正常發光；保持滑片的位置不動，通過開關的轉換，使電流表測通過兩燈的總電路I，因電路的連接關系沒有改變，各用電器的電壓不變，所以通過L₂的電流不變，其仍正常發光，根據并聯電路電流的規律可求出此時正常發光燈L₁的電流，根據P=UI可求燈L₁的額定功率；
（4）由改正后的電路分析，根據影響電磁鐵磁性強弱的因素及滑片向左移動時電流的變化作答．

解答 解：（1）由圖乙可知，電壓表一端接在電阻的左接線柱，另一端接在了滑動變阻器的滑片上，所以電壓表測量定值電阻和變阻器滑片以左電阻絲兩端的總電壓，因電壓表內阻很大，無論怎樣移動滑片，電流始終通過變阻器所有的電阻絲，滑片不起作用，滑動變阻器連接錯誤，應按一上一下的原則將變阻器連入電路中，應把電壓表并聯在定值電阻的兩端，正確的連接如下圖所示：

（2）電壓電壓為4.5V，電壓表示數為2V保持不變，所以變阻器應分去4.5V-2V=2.5V的電壓，變阻器分得的電壓是定值電阻電壓的$\frac{2.5V}{2V}=\frac{5}{4}$，根據分壓原理，變阻器的電阻大小至少為$\frac{5}{4}$×20Ω=25Ω，電壓表的示數無法降低到2V的原因是滑動變阻器的最大阻值小于25Ω；
（3）由電路圖可知：
①當開關S、S₂閉合，斷開S₁時，調節滑動變阻器的滑片，使電流表示數I₂=$\frac{{P}_{2}}{{U}_{2}}=\frac{1.25W}{2.5V}$=0.5A，此時L2的電壓為2.5V，根據并聯電路電壓的規律，燈L₁也正常發光；
②保持滑片的位置不變，閉合開關S、S₁，斷開S₂時，兩燈泡仍并聯，電流表測干路電流I；
③因并聯電路中干路電流等于各支路電流之和，所以，通過L₁的電流I₁=I-I₂=I-0.5A，因并聯電路中各支路兩端的電壓相等，所以，L₁額定功率P_額=UI₁=2.5V×（I-0.5A）；
（4）影響電磁鐵磁性強弱的因素是線卷的匝數和電流大小，當滑片向左移動時，變阻器連入電路中電阻變大，電流變小，電磁鐵磁性減弱，所以電磁鐵吸引大頭針的數量將減小．
故答案為：（1）如上圖所示；
（2）滑動變阻器的最大阻值小于25Ω；
（3）①0.5；②閉合開關S、S₁，斷開S₂；③2.5V×（I-0.5A）；
（4）減小．

點評 本題探究電流與電阻關系，考查電路的連接、對器材的要求、設計實驗方案測電功率的能力、影響電磁鐵磁性強弱的因素及控制變量法和轉換法的運用，綜合性強，有一定難度．