Question

6．按圖示的電路圖做“測量小電燈的功率”的實驗．所用器材有：標有“3.8V”字樣的待測小電燈、電壓恒為6V的電源、標有“20Ω 1A”的滑動變阻器、電流表（量程為0～0.6A、0～3A）、電壓表（量程為0～3V、0～15V）、開關(guān)及導(dǎo)線若干．
（1）某學(xué)生在實驗時，把電流表與電壓表的位置交換連接了，閉合開關(guān)后會造成D．（填選項前的字母）
A．電流表燒壞     B．電壓表燒壞C．小電燈燒壞   D．小電燈不亮
（2）另一學(xué)生按圖連接電路后，閉合開關(guān)，將滑動變阻器的滑片移到最左端時，燈不亮，電壓表有較大的示數(shù)．經(jīng)檢查，導(dǎo)線連接完好，則電路故障是小電燈斷路排除該故障換用新元件后，閉合開關(guān)時，觀察到燈閃一下后立即熄滅，該學(xué)生在操作過程中的不當之處閉合開關(guān)前滑動變阻器滑片沒有放到最大阻值處．
（3）小明同學(xué)按電路圖正確連接電路后，閉合開關(guān)，從大到小調(diào)節(jié)滑動變阻器的阻值，并將正確操作下的電壓表和電流表的示數(shù)填入下表．

電壓表的示數(shù)U/V	電流表的示數(shù)I/A	小電燈的功率P/W
2.0	0.20
2.5	0.22
3.0	0.25
3.8	0.30
4.5	0.32

①小電燈正常工作時，連入電路的滑動變阻器的阻值為7.3Ω．它的額定電功率為1.14W
②將兩個這樣的相同規(guī)格的小電燈串聯(lián)后直接接在6 V 電源的兩端，兩燈消耗的總功率為1.5W．
（4）若電壓表的0～15V 量程已損壞，只能使用0～3V量程，其他器材不變，如何測出小電燈的額定功率？
①在虛線框中畫出測量電路圖．
②若小電燈兩端最大可加4.5V電壓，為保證實驗時你所設(shè)計的測量電路中各元件的安全，參照小明的實驗數(shù)據(jù)，估算滑動變阻器接入電路的阻值范圍應(yīng)為4.7Ω～12Ω．
（5）不用電壓表，可增加其他元件，重新設(shè)計一個合理的方案測量小燈泡的額定電功率，只畫電路圖．

Answer 1

分析 （1）電壓表的電阻很大，故把電流表與電壓表的位置交換連接后，電路中的電流很��；
（2）根據(jù)電路圖可知，閉合開關(guān)，將滑動變阻器的滑片移到最左端時，電路為燈泡的基本電路，根據(jù)燈泡的是否發(fā)光和電壓表的示數(shù)確定電路故障；
開關(guān)閉合后，燈閃亮一下后立即熄滅，說明電路電流太大，電路電阻太小造成的，原因可能是閉合開關(guān)前滑動變阻器滑片沒有放到最大阻值處；
（3）①當燈泡兩端電壓為額定電壓時，燈泡正常發(fā)光，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的特點求出變阻器的電壓，根據(jù)歐姆定律求變阻器連入電路中的電阻大�。桓鶕�(jù)P=UI求出燈泡的額定功率；
②根據(jù)分壓原理，得每個燈的實際電壓，由表中數(shù)據(jù)，根據(jù)P_實=UI_實消耗的總功率；
（4）①0～15V量程已損壞，而燈泡額定電壓為3.8V，超過電壓表的另一量程0～3V；電源電壓是6V，燈泡正常發(fā)光時，與燈泡串聯(lián)的滑動變阻器電壓為6V-3.8V=2.2V，小于電壓表量程0～3V，因此可以用電壓表測滑動變阻器電壓，以便間接測量燈泡電壓，據(jù)此連接實物電路；
②滑動變阻器兩端的電壓允許的范圍為1.5V～3V，滑動變阻器的電流與燈泡對應(yīng)電壓時的電流相同，故可求出滑動變阻器的阻值范圍；
（5）若缺少電壓表，則電流表和定值電阻應(yīng)起到電壓表的作用，所以定值電阻和電流表串聯(lián)后應(yīng)和燈并聯(lián)，通過移動滑片，當通過R的電流為I_R=$\frac{2.5V}{R}$，燈正常工作；在滑片位置不動的情況下，通過開關(guān)的轉(zhuǎn)換，再使電流表測出通過燈（正常工作）和定值電阻并聯(lián)的總電流I，因通過定值電阻的電流大小不變，根據(jù)并聯(lián)電路電流的特點，可求出燈正常工作時的電流，根據(jù)P=UI可求燈的額定功率；

解答 解：（1）把電流表與電壓表的位置交換連接后，電壓表串聯(lián)在電路中，電路中電阻較大，電流較小，故燈泡不亮，選D；
（2）閉合開關(guān)，將滑動變阻器的滑片移到最左端時，電路為燈泡的基本電路，燈不亮，電壓表有較大的示數(shù)，說明電路故障為斷路，并且電壓表與電源兩極相連，故小電燈斷路；
開關(guān)時，觀察到燈閃亮一下后立即熄滅，該學(xué)生在操作過程中的不當之處是：閉合開關(guān)前滑動變阻器滑片沒有放到最大阻值處；
（3）①因為燈泡的額定電壓為3.8V，燈正常發(fā)光時，變阻器分得的電壓為U_變=6V-3.8V=2.2V，由表數(shù)據(jù)知，燈正常發(fā)光時的電流為0.3A，所以燈的電阻大小R=$\frac{{U}_{變}}{I}=\frac{2.2V}{0.3A}$=7.3Ω，則小電燈的額定功率
P=UI=3.8V×0.30A=1.14W；
②因兩個相同的燈，所以燈的電阻相同，根據(jù)分壓原理，將兩個這樣的相同規(guī)格的小電燈串聯(lián)后直接接在6 V 電源的兩端，每個燈的電壓為3V，由表中數(shù)據(jù)知，對應(yīng)的電流大小為0.25A，所以兩燈消耗的總功率
P_實=UI_實=6V×0.25A=1.5W；
（4）將電源、滑動變阻器、燈泡、電流表組成串聯(lián)電路，電壓表并聯(lián)在滑動變阻器兩端，電路圖如下圖所示：

②由表中數(shù)據(jù)可知，當燈泡兩端電壓為最大允許的4.5V時，變阻通過燈的電流為0.32A，因通過滑動變阻器的電流與燈泡電流相同也為0.32A，滑動變阻器分得的電壓U′=6V-4.5V=1.5V，此時滑動變阻器的電阻
R_滑′=$\frac{{U}^{′}}{{I}^{′}}=\frac{1.5V}{0.32A}$=4.7Ω；
當滑動變阻器兩端電壓達到電壓表量程最大值3V時，燈泡兩端電壓也為3V，此時經(jīng)過滑動變阻器的電流與燈泡電流同為0.25A，此時滑動變阻器的電阻：R_滑″=$\frac{{U}^{″}}{{I}^{″}}=\frac{3V}{0.25A}$=12Ω；
故滑動變阻器接入電路的電阻范圍：4.7Ω～12Ω；
（5）在前面的分析基礎(chǔ)上，設(shè)計的電路圖如下圖所示（增加兩個開關(guān)、一個定值電阻R）：

步驟：只閉合S₂、S₁，移動滑片使電流表示數(shù)為I_R=$\frac{2.5V}{R}$，則與R并聯(lián)的燈的電壓為2.5V，燈正常發(fā)光；保持滑片的位置不動，閉合S₃，斷開S₂，此時電流表的示數(shù)I即為通過燈和定值電阻的總電流，因電路的連接關(guān)系沒有改變，各用電器兩端的電壓不變，通過用電器的電流沒有改變，所以燈正常工件時的電流大小I_L=I-$\frac{2.5V}{R}$，根據(jù)P_L=U_LI可求燈的額定電功率．（其它設(shè)計只要合理即可）
故答案為：（1）D；
（2）小電燈斷路，開關(guān)閉合前沒有將滑片放在阻值最大值處；
（3）7.3；1.14；1.5；
（4）①如上圖一所示； ②4.7；12；
（5）如上圖二所示．

點評 本題測量小電燈的功率，涉及知識點多，綜合性強，除考查基本知識外，主要考查學(xué)生設(shè)計實驗方案的能力，難度較大，對能力要求高．