Question

19．一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）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再保持滑片的位置不動，將開關S₂撥到觸點“2”，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）由歐姆定律和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，然后選擇滑動變阻器．
（2）根據題目要求與實驗原理連接實物電路圖．
（3）連接電路時，為保護電路開關要斷開變阻器連入電路中電阻最大．
（4）由圖示電流表確定其量程與分度值，讀出其示數，然后又P=UI 求出燈泡額定功率．
（5）在沒有電壓表的情況下，測燈的額定功率，電流表和定值電阻應起到電壓表測量的作用，根據并聯電路電壓的規律，先使燈正常發光；再通過開關的轉換，使電流表測干路電流，因電路的連接關系沒有改變，各電阻的電壓不為，燈仍正常發光，通過定值電阻的電流保持不變，根據并聯電路電流的規律，通過燈的電流，根據P_額=U_額I_額寫出燈泡額定功率的表達式．

解答 解：
（1）燈泡正常發光時的電流約為：I=$\frac{U}{R}=\frac{2V}{8Ω}$=0.25A，
燈泡正常發光時滑動變阻器接入電路的阻值：R=$\frac{{U}_{滑}}{I}=\frac{U{-U}_{L}}{I}$=$\frac{6V-2V}{0.25A}$=16Ω，則滑動變阻器應選B．
（2）滑片向左滑動時變阻器阻值變小，滑片接左下接線柱，把滑動變阻器與電流表小量程串聯接入電路，電壓表并聯在燈泡兩端，實物電路圖如圖所示：

（3）連接好電路的最后一根導線時，電壓表指針立刻偏到最大刻度處，說明連接電路時沒有斷開開關；小燈泡不亮，電流表沒有示數，說明電路存在斷路，電壓表指針指到最大刻度處，說明電壓表與電源兩端相連，電壓表并聯電路之外電路不存在斷路，則與電壓表并聯的燈泡斷路．
（4）由圖示電流表可知，其量程為0～0.6A，分度值為0.02A，示數為0.26A，
燈泡額定功率：P=UI=2V×0.26A=0.52W．
（5）①閉合開關S₁，將S₂撥到觸點“1”，此時電流表測定值電阻電流，要使燈泡正常發光，燈泡兩端電壓應為額定電壓2V，此時定值電阻兩端電壓也是2V，所以要移動滑片，使電流表的示數為：I₀=$\frac{U}{{R}_{0}}=\frac{2V}{{R}_{0}}$；
②再保持滑片的位置不動，將開關S₂撥到觸點“2”，讀出電流表的示數I；
③在②中，因電路的連接關系沒有改變，各電阻的電壓不為，燈仍正常發光，通過定值電阻的電流保持不變，根據并聯電路電流的規律，通過燈的電流：I_L=I-I₀=I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$．
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）如圖所示；（3）連接電路時，沒有斷開開關；燈泡斷路；（4）0.52；（5）①$\frac{2V}{{R}_{0}}$；②保持滑片的位置不動，將開關S₂撥到觸點“2”；③2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．

點評 本題考查了實驗器材的選擇、連接實物電路圖、注意事項、電路故障分析、電表讀數、求功率及設計實驗方案的能力，有難度．