Question

5．小紅在“測量小燈泡電功率”實驗中，有如下器材：電源（電壓恒為6V）、小燈泡（額定電壓為U_額=2.5V，燈絲電阻約為10Ω）、電流表、電壓表、開關各一個、規(guī)格分別為R₁“10Ω，1A”、R₂“20Ω，0.5A”和R₃“50Ω，0.2A”的滑動變阻器各一個、導線若干．

（1）請用筆畫線代替導線，將如圖1的實物電路連接完整．
（2）小紅設計了圖2所示的電路，她應選用規(guī)格為R₂的滑動變阻器（選填“R₁”、“R₂”或“R₃”），該實驗中滑動變阻器的作用是改變電壓和保護電路．
（3）正確連接電路后，閉合開關，小燈泡因接觸不良導致不亮，此時電流表無示數(shù)，電壓表有示數(shù)（選填“有”或“無”）．
（4）排除故障后，移動滑動變阻器滑片在不同位置，小燈泡U-I圖象如圖3所示，小燈泡的額定功率為0.625W．
（5）由圖乙發(fā)現(xiàn)燈泡電阻是變化的，影響其變化的主要原因是燈絲電阻受溫度的影響（或溫度越高電阻越大）．
（6）在沒有電壓表、只有電流表的情況下，小紅增加了一只10Ω的定值電阻R并利用原有器材，也測出了額定電壓為2.5V小燈泡的額定功率．步驟如下：
①按照如圖4所示的電路圖正確連接實物電路；
②閉合開關，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片，使電流表示數(shù)為0.25A時，燈泡正常發(fā)光；
③斷開開關，保持滑動變阻器滑片位置不變，將電流表改接在燈泡所在支路中，再閉合開關，讀出電流表示數(shù)I；
④小燈泡額定功率的表達式為P_額=U_額I（或2.5V×I）．
（7）小紅完成“測量小燈泡的電功率”的實驗后，繼續(xù)分別用5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω的定值電阻更換電路中的燈泡，探究電流跟電阻的關系．她依次將5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω接入電路中，調(diào)整滑動變阻器滑片，使電壓表的示數(shù)不變．得到如圖5所示的電流I隨電阻R變化的圖象，小紅控制電壓表的示數(shù)為2.5V不變．從而得出：電壓一定時，導體中的電流與導體的電阻成反比．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)滑動變阻器的接法、電壓表的接法、根據(jù)燈泡的額定電壓判斷電壓表的量程；
（2）根據(jù)歐姆定律求出燈正常發(fā)光時的電流大小，由串聯(lián)電路電壓和電流的規(guī)律，求出滑動變阻器連入電路中的最小阻值，確定變阻器的規(guī)格；變阻器在電路中的基本作用；
（3）小燈泡因接觸不良導致不亮，電路無電流，燈泡兩端有電壓；
（4）由圖3，根據(jù)額定電壓電壓下對應的電流大小，求小燈泡的額定功率P_額=U_額I；
（5）燈絲的電阻隨溫度的變化而變化；
（6）在沒有電壓表的情況下，定值電阻R和電流表相當于電壓表；將電流表與R串聯(lián)，再與燈并聯(lián)，首先使通過R的電流為0.25A，由歐姆定律和并聯(lián)電路電壓的規(guī)律，燈正常發(fā)光，
保持滑片的位置不變，將電流表與燈串聯(lián)，因電路的連接沒有改變，各元件兩端的電壓不變，讀出電流表示數(shù)即燈正常發(fā)光的電流，根據(jù)P_額=U_額I求小燈泡的額定功率．
（7）由圖象知，電阻兩端的電壓為U=IR=0.5A×5Ω=2.5V；根據(jù)電流與電阻的關系得出結論．

解答 解：（1）滑動變阻器按“一上一下”接且和燈泡串聯(lián)，電壓表與燈泡并聯(lián)，因為燈泡的額定電壓為2.5V，所以電壓表的量程為0-3V，電路如圖所示：

（2）燈的額定電壓為2.5V，據(jù)歐姆定律知，燈正常發(fā)光的時的電流約為I=$\frac{{U}_{L}}{R}$=$\frac{2.5V}{10Ω}$=0.25A，由串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，變阻器要分去U_滑=6V-2.5V=3.5V的電壓，滑動變阻器的阻值至少為R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{I}$=$\frac{3.5V}{0.25A}$=14Ω．根故應選用R₂“50Ω0.5A”的滑動變阻器；
變阻器的基本作用是保護電路，因測量小燈泡在不同電壓的電功率，所以，本實驗中滑動變阻器還有改變燈兩端的電壓的作用；
（3）小燈泡因接觸不良導致不亮，電路是斷路，電流表無示數(shù)，電壓表仍和電源相連，仍然有示數(shù)；
（4）由圖3知，當燈電壓為2.5V時對應的電流為0.25A，小燈泡的額定功率P_額=U_額I=2.5V×0.25A=0.625W；
（5）因燈絲的電阻隨溫度的變化而變化不是一個定值，所以，由圖3發(fā)現(xiàn)燈泡電阻是變化的，影響其變化的主要原因是燈絲溫度；
（6）②小紅增加了一只10Ω的定值電阻R，因當電流表示數(shù)為I=$\frac{U}{R}$=$\frac{2.5V}{10Ω}$=0.25A，R兩端的電壓一定為2.5V，
根據(jù)并聯(lián)電路電壓的特點，燈的電壓為2.5V，燈一定正常發(fā)光，所以，閉合開關，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片，使電流表示數(shù)為0.25A時，燈泡正常發(fā)光；
③斷開開關，保持變阻器滑片P的位置或變阻器接入電路的阻值不變，將電流表改接在所在燈支路中，此時電路的連接關系沒有改變，只是電流表由原來測通過R的電流變?yōu)闇y通過燈的電流I，R與燈兩端的電壓與變阻器的電壓均保持不變，燈仍正常發(fā)光，通過燈的電流I即為燈正常發(fā)光時的電流大�。�所以，斷開開關，保持滑動變阻器滑片P的位置（或滑動變阻器接入電路的阻值）不變，將電流表改接在燈泡所在支路中，再閉合開關，讀出電流表示數(shù)I；
④小燈泡額定功率的表達式為P_額=U_額I（或2.5V×I）．
（7）由圖象知，電阻兩端的電壓為U=IR=0.5A×5Ω=2.5V；
由圖象知，在電壓一定時，電流與電阻成反比．
故答案為：（1）見上圖；（2）R₂；  改變電壓和保護電路；（3）無； 有；（4）0.625；（5）電阻受溫度的影響（或溫度越高電阻越大）
（6）②0.25；③滑動變阻器滑片位置； ④U_額I（或2.5V×I）；（7）2.5；導體中的電流與導體的電阻成反比．

點評 本題測量小燈泡電功率，考查器材的選擇、常見故障的分析、影響電阻大小的因素等知識及設計實驗方案的能力，有一定難度．