Question

13．在“測定小燈泡的電功率”實驗中，電源電壓為6V，小燈泡L的額定電壓為2.5V，電阻大約為20Ω，可供選用的滑動變阻器R₁和R ₂的最大阻值分別為20Ω、40Ω，實驗電路如圖（1）所示．

（1）請用筆畫線代替導線將電路圖（1）連接完整，要求向左移動滑片時電壓表示數變小；經過判斷可知本實驗應該選用的滑動變阻器是R₂（選填“R₁”或“R₂”）．
（2）如圖（2）是根據實驗數據繪成的U-I圖象．根據圖象提供的信息，可計算出小燈泡的額定功率是0.5W；某同學誤將電壓表并聯在滑動變阻器的兩端，如圖（3）所示，他從滑片置于最右端時開始記錄第1組數據，逐漸調節滑片測得多組數據并描繪出U-I圖象如圖（4）所示．實際上小燈泡兩端的電壓太高會縮短燈泡的壽命，為使實驗中小燈泡兩端電壓不超過3.5V，則滑動變阻器接入電路的最小阻值為13.9Ω（保留一位小數）．
（3）完成上述實驗后，小聰向老師要了一個已知阻值為R ₀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（5）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，S ₂與觸點1接觸，調節滑動變阻器，使電流表A的示數為$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；
②保持滑動變阻器滑片位置不變，閉合開關S₁，S ₂與觸點2接觸，讀出電流表示數為I；
③燈泡的額定功率表達式P_額=2.5V×（I-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）（用已知量與測量量表示）．

Answer 1

分析 （1）本實驗中電流表、燈泡和滑動變阻器串聯，由滑片左移電壓表變小確定滑動變阻器的接線，由燈泡正常工作電流判斷電流表量程的選擇；
根據串聯電路特點和歐姆定律計算燈泡發光時變阻器連入電路的阻值，從而確定變阻器的規格；
（2）由圖象讀出燈泡電壓2.5V時的電流，由P=UI計算燈泡的額定功率；
為使實驗中小燈泡兩端電壓不超過3.5V，根據分壓原理，滑動變阻器分得最小電壓不可小于2.5V，故由圖2讀出此時的電流，即可根據歐姆定律求出滑動變阻器接入電路的最小阻值；
（3）根據串聯電路特點和歐姆定律，找到燈泡正常發光電流，即可計算出燈泡的額定功率，由此分析解答．

解答 解：
（1）測定小燈泡的電功率實驗中，應將電流表、燈泡和變阻器串聯，滑片左移電壓表示數變小，說明電路中電流變小，電阻變大，所以應將B接線接入電路中；
燈泡正常發光電流約為：I=$\frac{{U}_{額}}{{R}_{L}}$=$\frac{2.5V}{20Ω}$=0.125A，所以電流表應使用0-0.6A量程．實物連接如圖所示：
；
由串聯電路特點和歐姆定律可得燈泡發光時變阻器連入電路的阻值：
R=$\frac{{U}_{R}}{I}$=$\frac{6V-2.5V}{0.125A}$=28Ω，所以應選擇滑動變阻器R₂；
（2）燈泡電壓等于其額定電壓時正常發光，由圖象知燈泡電壓為2.5V時，通過燈泡的電流為0.2A，
所以燈泡的額定功率：P_額=U_額I=2.5V×0.2A=0.5W；
為使實驗中小燈泡兩端電壓不超過3.5V，根據串聯電路的總電壓等于串聯的各分電壓之和可得：滑動變阻器分得最小電壓U_滑最小=U-U_L最大=6V-3.5V=2.5V，
由圖2可知：U_滑=2.5V時，I_最大=0.18A，
根據歐姆定律得變阻器的最小阻值為：R_滑最小=$\frac{{U}_{{R}_{最小}}}{{I}_{最大}}$=$\frac{2.5V}{0.18A}$≈13.9Ω；
（3）實驗步驟：
①閉合開關S₁，S ₂與觸點1接觸，調節滑動變阻器，使電流表A的示數為：I=$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；
②保持滑動變阻器滑片位置不變，閉合開關S₁，S ₂與觸點2接觸，讀出電流表示數為I；
③在步驟①中，燈與R₀并聯，電流表測R₀的電流，移動滑片應使通過R₀的電壓：U₀=I₀R₀=2.5V，此時燈泡正常發光，電流示數為：$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；
在步驟②中，滑片位置不變，燈仍正常發光，電流表測燈與R₀的總電流，所以通過燈泡的電流為：I-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；
所以燈泡的額定功率表達式P_額=U_額I_額=2.5V×（I-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）．
故答案為：（1）見上圖；R₂；（2）0.5；13.9；（3）①$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；保持滑動變阻器滑片位置不變；讀出電流表示數為I；③2.5V×（I-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）．

點評 本題是測定小燈泡電功率的實驗，考查了實物連接、燈泡額定功率的計算、串聯電路特點和歐姆定律的應用，還考查了特殊方法測電阻，都是�？紗栴}，要掌握好．