Question

7．一只小燈泡的額定電壓為2.0V，正常發光時的電阻約為8Ω．小明想測量這個小燈泡的額定功率，實驗室中有如下器材：一個電壓表、一個電流表、一個開關，電壓為6V的電源，滑動變阻器有A規格：“10Ω 2A”、B規格：“30Ω 1A”可選．導線若干．

（1）本實驗應該選擇B（選填“A”或“B”）規格的滑動變阻器．
（2）請用筆畫線代替導線，將圖甲所示電路連接完整（要求滑片向左滑動時變阻器阻值變小）．
（3）小明在連接好電路的最后一根導線時，發現電壓表指針立刻偏到最大刻度處，小燈泡卻不亮，且電流表也沒有示數，上述現象反映他在操作中存在的不規范之處是連接電路時，沒有斷開開關，出現上述故障的原因可能是燈泡斷路．
（4）排除故障后，小明發現他很幸運，電壓表并沒有因此而損壞．小明便開始進行測量，調節滑動變阻器滑片位置直到電壓表讀數為2.0V，小燈泡正常發光，此時電流表示數如圖乙所示，則該小燈泡的額定功率為0.52W．
（5）小東也做了同樣的實驗，閉合開關，移動滑動變阻器滑片P，發現當電壓表示數變大時，電流表示數隨之減小，原因可能是電壓表并聯在滑動變阻器的兩端了；
（6）完成上述實驗后，小明進行了反思，如果剛才電壓表被損壞了，能不能換成其他的實驗器材來完成實驗呢，經過思考，他用了一個已知阻值為R₀的電阻和一個單刀雙擲開關，借助部分現有的實驗器材，設計了如圖丙所示的電路，也測出了燈泡的額定功率，請完成下列實驗步驟：
①閉合開關S₁，將S₂撥到觸點“1”，移動滑片，使電流表的示數為$\frac{2V}{{R}_{0}}$；
②再將開關S₂撥到觸點“2”，保持滑片的位置不動，讀出電流表的示數I；
③燈泡額定功率的表達式為P_額=2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．（用已知量和測量量表示）

Answer 1

分析 （1）根據串聯電路電壓的規律，求出燈泡正常發光時滑動變阻器接入電路的阻值，確定變阻器的規格；
（2）根據滑片向左滑動時變阻器阻值變小確定變阻器的連接，由燈的額定電壓確電壓表量程與燈并聯；
（3）連接電路時，開關要斷開；若電流表示數為0，燈不亮，說明電路可能斷路；電壓表有示數，說明電壓表與電源連通，則與電壓表并聯的支路以外的電路是完好的，則與電壓表并聯的燈泡斷路了；
（4）由圖示電流表確定其量程與分度值，讀出其示數，然后由P=UI 求出燈泡額定功率；
（5）根據歐姆定律，結合串聯電路的規律和分壓原理確定電壓表連接的位置；
（6）在沒有電壓表的情況下，測燈泡的額定功率，電流表和定值電阻應起到電壓表的作用；當通定值電阻的電流為I=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{2V}{{R}_{0}}$時，定值電阻的電壓為燈的額定電壓；根據并聯電路電壓的規律，燈一定正常發光，在滑片位置不動的情況下，通過開關的轉換使電流表測通過燈與定值電阻的總電流，根據各用電器的電阻和電壓均不發生改變，通過定值電阻的電流不變，根據并聯電路電流的規律可求出燈的額定電流，根據P_額=U_額I_額，寫出燈的額定功率表達式．

解答 解：
（1）當燈泡正常發光時，滑動變阻器的電壓：U_滑=U-U_L=6V-2V=4V，
根據分壓原理可得：$\frac{{U}_{滑}}{{U}_{L}}$=$\frac{{R}_{滑}}{{R}_{L}}$，即$\frac{4V}{2V}$=$\frac{{R}_{滑}}{8Ω}$，
所以，變阻器連入電路中的阻值大�。篟_滑=16Ω＞10Ω，
故選用B規格的變阻器；
（2）題中要求滑片向左滑動時變阻器阻值變小，則導線接變阻器的左下接線柱，把滑動變阻器與電流表串聯接入電路，燈的額定電壓為2V，電壓表選用小量程并聯在燈泡兩端，實物電路圖如下圖所示：

（3）小明在連接好電路的最后一根導線時，發現電壓表指針立刻偏到最大刻度處，小燈泡卻不亮，且電流表也沒有示數，上述現象反映他在操作中存在的不規范之處是連接電路時開關沒有斷開；
電流表示數為0，燈不亮，說明電路可能斷路；電壓表有示數，說明電壓表與電源連通，則與電壓表并聯的支路以外的電路是完好的，說明與電壓表并聯的燈泡斷路了；
（4）由圖乙電流表可知，其量程為0～0.6A，分度值為0.02A，示數為0.26A，
則燈泡的額定功率：P=UI=2V×0.26A=0.52W；
（5）當電流表示數變小時，說明電路中的總電阻變大了，滑動變阻器接入電路的阻值增大，滑動變阻器的分壓增大，而電壓表的示數增大，這說明電壓表并聯在滑動變阻器的兩端了；
（6）①閉合開關S₁，將S₂撥到觸點“1”，移動滑片，當燈泡正常發光時，燈泡和R₀的電壓均為2V，所以，應使電流表的示數為：I=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{2V}{{R}_{0}}$；
②再將開關S₂撥到觸點“2”，保持滑片的位置不動，讀出電流表的示數I；
③在②中，電流表測燈與定值電阻的總電流，由于電路的連接關系沒有改變，根據各用電器的電阻和電壓均不發生改變可知，通過定值電阻的電流不變，
由并聯電路電流的規律可得，通過燈的額定電流：I_L=I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$，
則燈泡額定功率的表達式為：P_額=U_額I_額=2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．
故答案為：（1）B；（2）如上圖所示；（3）連接電路時，沒有斷開開關；燈泡斷路；（4）0.52；（5）電壓表并聯在滑動變阻器的兩端了；（6）①$\frac{2V}{{R}_{0}}$； ③2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．

點評 本題測量這個小燈泡的額定功率，考查器材的選擇、電路的連接、實驗注意事項、故障和反�，F象的分析、電功率的計算及設計實驗方案的能力，綜合性較強．