Question

13．下面是小明和小華等同學進行的電學實驗：
（1）小明為了探究通過導體的電流跟電阻的關系，設計了如圖1所示的電路．
①請用筆畫代替導線完成圖1電路的連接；
②小明看到了鄰組同學在閉合開關后，電流表的指針偏向“0”刻度線的左側，原因是電流表正負接線柱接反了；
③如果小明連接電路時接入的電阻為5Ω，控制電阻兩端的電壓為2V，那么將5Ω的電阻換成10Ω的電阻時，應將滑動變阻器的滑片向左端調節，使電壓表示數為2V；把10Ω的電阻換成20Ω的電阻，無論怎樣調節滑片都無法使電壓表示數調到控制值，說明她選擇的滑動變阻器最大阻值太��；
④更換器材后，重新實驗，將數據記錄在表格中，分析實驗數據可得出：當電壓一定時，導體中的電流與導體的電阻成反比．

電壓U/V	2
電阻R/Ω	5	10	20
電流I/A	0.4	0.2	0.1

（2）小明將電阻換成標有“2.5V”字樣的小燈泡，測量其不同電壓下的電功率．
①正確連接電路，閉合開關，發現小燈泡不亮，電壓表有示數，電流表指針幾乎不動，產生這種現象的原因是小燈泡斷路；
②排除故障，繼續實驗．如圖2甲所示是某次實驗電流表的示數為0.1A．最后根據實驗數據畫出I-U圖象（如圖2乙）．根據圖象求出小燈泡正常發光時的功率為0.625W；
③通過分析I-U圖象，發現小燈泡的電阻隨電壓升高逐漸變大，其原因是燈絲電阻隨溫度升高而增大．
（3）完成上述實驗后，小明又重新設計了電路（如圖2丙），測量另一個小燈泡的額定功率，
這個小燈泡正常工作的電流為I₁．請完成實驗步驟（已知電源電壓為U）．
①只閉合開關S₁，移動滑動變阻器R₂的滑片，使電流表示數為I₁；
②只閉合開關S₂，保持滑動變阻器R₂的滑片位置不變，調節滑動變阻器R₁的滑片使電流表示數為I₁；再將滑動變阻器R₂的滑片調到最左端，讀出電流表的示數為I₂；此時R₁接入電路的電阻為$\frac{U}{{I}_{2}}$（用物理量的符號表示）．
③則小燈泡的額定功率表達式為P_額=$\frac{U{{I}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．（用物理量的符號表示）

Answer 1

分析 （1）①在實物電路連接時，電壓表應與定值電阻并聯，并注意電流要正進負出；
②當電流表的正負接線柱接反時，會出現指針反偏的現象；
③在探究電流與電阻關系時，應保持電壓的大小不變，所以當換成較大電阻時，應適當調整滑片，使電壓表示數仍為2V；
變阻器在電路中起分壓作用，當定值電阻換成20Ω后，變阻器必須繼續調大，才能確保定值電阻兩端的電壓仍為2V，如果變阻器最大阻值太小，則無法達到調整的目的．
④當電壓一定時，導體中的電流與導體的電阻成反比．
（2）①根據燈泡的發光情況和電壓表、電流表的示數，可判斷電路故障是斷路或短路；
②電流表讀數時要看清量程，明確分度值，再讀數．從圖象中讀出額定電壓下的電流值，根據公式P=UI可計算額定功率的大小；
③燈絲的電阻是變化的，會隨溫度的升高而增大．
（3）搞清實驗的原理是利用替代法，測出燈泡的電阻，再通過電功率的變形公式P=I²R可計算小燈泡的額定功率．

解答 解：（1）①電壓表應并聯在定值電阻的兩端，所以應將定值電阻的左接線柱與電壓表的“-”接線柱或變阻器下端接線柱連接；如圖所示．

②閉合開關后，電流表的指針偏向“0”刻度線的左側，原因是電流表正負接線柱接反了；
③在探究電流與電阻關系時，應保持電壓的大小不變，所以當電阻從5Ω換成10Ω時，電阻變大，分壓變大，應向左調整滑片，使電壓表示數仍為2V；
滑動變阻器在電路中起分壓作用，當定值電阻換成20Ω后，變阻器必須繼續調大，才能確保定值電阻兩端的電壓仍為2V，如果無論怎樣調節滑片都無法使電壓表示數調到控制值，說明她選擇的滑動變阻器最大阻值太小了；
④由實驗數據可知，當電壓一定時，導體中的電流與導體的電阻成反比．
（2）①閉合開關，發現小燈泡不亮，電流表指針幾乎不動，說明為斷路，電壓表有示數，說明電壓表并聯部分斷路了，因此產生這種現象的原因是燈泡斷路；
②讀圖乙可知，電流表的量程為0～0.6A，分度值為0.02A，其示數為0.1A；
讀圖丙可得，當電壓為2.5V時，電路中的電流為0.25A，則小燈泡的額定功率為：P=UI=2.5V×0.25A=0.625W．
③過分析I-U圖象，發現小燈泡的電阻隨電壓升高逐漸變大，其原因是燈絲電阻受溫度影響，溫度越高，燈絲電阻越大．
（3）分析實驗的原理可以得出其具體的步驟為：
①只閉合開關S₁，移動滑動變阻器R₂的滑片，使電流表示數為I₁；
②只閉合開關S₂，保持滑動變阻器R₂的滑片位置不變，調節滑動變阻器R₁的滑片使電流表示數為I₁；
再將滑動變阻器R₂的滑片調到最左端，讀出電流表的示數為I₂；
③則小燈泡的電阻與變阻器R₁此時的電阻相同，即R_燈=$\frac{U}{{I}_{2}}$，
小燈泡的額定功率P_額=I₁²R_燈=I₁²•$\frac{U}{{I}_{2}}$=$\frac{U{{I}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．
故答案為：（1）①見上圖；②正負接線柱接反了；③左；2；最大阻值太小；④反；
（2）①小燈泡斷路；②0.1； 0.625；③燈絲電阻隨溫度升高而增大；
（3）①I₁；②調節滑動變阻器R₁的滑片；$\frac{U}{{I}_{2}}$；③$\frac{U{{I}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．

點評 本題即考查了“探究通過導體的電流跟電阻的關系”，又考查了“測量小燈泡電功率”，尤其是后一個實驗中，運用了兩種不同的測量方法，要求我們對實驗的原理、注意事項、歐姆定律及電功率的變形公式等有一個全面的了解和掌握，考查內容多，有一定難度．