Question

20．小花在“測量小燈泡的額定功率”實驗中，燈泡上標有“3.8V”字樣，電源電壓恒定．

（1）請你用筆畫線代替導線，將圖1中的實物電路連接完整．
（2）連接完實驗電路后，開關試觸時，發現燈泡不亮電壓表無示數，電流表有示數，其故障原因可能是：燈泡短路．
（3）工故障排除后，開始實驗，在移動變阻器滑片的過程中，眼睛應注視電壓表的示數，直至燈泡正常發光，此時電流表的示數如圖2所示，則燈泡的額定功率為1.52W．
（4）完成上述實驗后，小花看到滑動變阻器的銘牌模糊不清，于是想測量滑動變阻器的最大電阻R．她找來一個已知阻值為R₀的定值電阻替換了燈泡，同時撤去了電壓表，并利用余下的器材（電壓未知的電源、量程合適的電流表、滑動變阻器、開關各一個、導線若干），在不改動電流表位置及連線的情況下，很快測出了R的大小．
①請你把設計的電路圖畫在圖3所示的虛線框內．
②簡述實驗過程中要測量的物理量并用相應的字母表示．
（a）兩個開關均閉合，記下電流表示數I₁
（b）只斷開S₂，記下電流表的示數I₂．
③R=$\frac{{{I}_{1}R}_{0}{{-I}_{2}R}_{0}}{{I}_{2}}$（用已知量和測量量表示）．

Answer 1

分析 （1）根據燈的額定電壓確定電壓表的量程，電壓表并聯在燈的兩端，變阻器按一上一下的原則接入電路中；
（2）電流表有示數，說明電路為通路，燈泡不亮可能是燈斷路或短路；電壓表無示數，可判斷出可能的故障為與電壓表并聯的燈泡短路了；
（3）根據電流表小量程讀數，根據P=UI求燈的額定功率；
（4）在沒有電壓表的情況下，電流表和定值電阻R₀應起到電壓表的作用．將變阻器最大阻值R_x與定值電阻R₀串聯在電源兩端，通過開關閉合，使變阻器短路，記下電流表示數I₁，根據歐姆定律則出電源電壓，然后斷開開關，再測出變阻器最大阻值與定值電阻R₀串聯的電流I₂，利用歐姆定律計算出變阻器的最大阻值R_x．

解答 解：（1）燈泡上標有“3.8V”字樣，說明燈的額定電壓為3.8V，電壓表選用大量程，并聯在燈的兩端；變阻器接線柱按一上一下的原則與燈串聯，如下圖4所示：

（2）經分析，發現燈泡不亮電壓表無示數，電流表有示數，其故障原因可能是燈泡短路；
（3）由圖1提示，電流表選用小量程，在圖2中，電流表小量程的分度值為0.02A，示數為0.4A，則燈的額定功率P=UI=3.8V×0.4A=1.52W；
（4）①在上面分析基礎上，將變阻器與定值電阻串聯，開關S₂與變阻器并聯，設計的電路 圖下圖5所示：

②（a）兩個開關均閉合，記下電流表示數I₁；
（b）只斷開S₂，記下電流表的示數I₂；
③在②（a）中，電阻R_x被短路，根據歐姆定律，電源電壓U=I₁R₀；
在②（b）中，兩個電阻串聯，此時R₀兩端的電壓U₀=I₂R₀，由串聯電路電壓的規律，則R_x兩端的電壓U_x=U-U₀=I₁R₀-I₂R₀；
則R_x=$\frac{{U}_{x}}{{I}_{2}}=\frac{{{I}_{1}R}_{0}{{-I}_{2}R}_{0}}{{I}_{2}}$．
故答案為：（1）如上圖4所示；
（2）燈泡短路；
（3）1.52；
（4）①如上圖5所示；
②（a）兩個開關均閉合，記下電流表示數I₁；
（b）只斷開S₂，記下電流表的示數I₂
③$\frac{{{I}_{1}R}_{0}{{-I}_{2}R}_{0}}{{I}_{2}}$．

點評 本題涉及測燈泡的電功率與測電阻兩個實驗，考查電路的連接、故障的分析、額定功率的計算及設計實驗方案測電阻的能力，綜合性較強．