Question

5．在測量小燈泡的電功率的實驗中，小燈泡的額定電流為0.3A，燈絲阻值在10Ω-15Ω之間．所提供的器材有：電流表、電壓表、電源（電壓恒為6V）、開關(guān)各一個，滑動變阻器（50Ω  1A）一個，導(dǎo)線若干．

（1）如圖甲所示是小明沒有連接完的實物電路，請用筆畫線代替導(dǎo)線將實物圖補充完整．
（2）閉合開關(guān)前，圖甲中的滑片P應(yīng)位于右（選填“左”或“右”）端；閉合開關(guān)后，無論怎樣移動變阻器滑片P，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不亮，電壓表有示數(shù)，電流表無示數(shù)，原因可能是小燈泡斷路（寫出一種即可）．
（3）排除故障，閉合開關(guān)，移動滑片，當電流表的示數(shù)為0.3A時，電壓表的示數(shù)如圖乙所示，讀數(shù)為4V，小燈泡的額定功率為1.2W．
（4）小亮利用該電路探究電流跟電阻的關(guān)系，他將小燈泡換成多個定值電阻R，保持電壓表示數(shù)始終為2V，多次更換阻值不同的定值電阻R，并記錄各次電流表的示數(shù)，若不更換其他器材，為了能夠完成實驗，更換的電阻阻值不能大于25Ω．
（5）小紅沒用電壓表，但多用了一個開關(guān)，其它器材與小明的相同，也測出了另一個額定電流為I₁的小燈泡的額定功率．她設(shè)計了如圖丙所示電路圖，請你幫她完成實驗步驟并寫出小燈泡額定功率的表達式． 實驗步驟：
①按圖連接電路，然后只閉合開關(guān)S₁，移動滑片P，使電流表的示數(shù)為I₁．
②再閉合開關(guān)S₂，讀出電流表示數(shù)I₂．
③小燈泡的額定功率的表達式：P額=I₁²（$\frac{U}{{I}_{1}}$-$\frac{U}{{I}_{2}}$）．（用字母表示，可能用到的物理量有：已知的電源電壓U、燈泡的額定電流I₁和實驗中測得的物理量）

Answer 1

分析 （1）由電路圖可知，電壓表連線不完整，根據(jù)題意確定電壓表量程，電壓表應(yīng)與燈泡并聯(lián)．
（2）閉合開關(guān)前，滑片應(yīng)滑到最大值處；電流表無示數(shù)，說明電路可能斷路，電壓表有示數(shù)，說明電壓表與電源連通了，由此判斷電路故障．
（3）由圖乙根據(jù)電壓表量程讀出燈泡正常發(fā)光時的電壓，由P=UI計算額定功率．
（4）根據(jù)串聯(lián)電路特點與歐姆定律分析答題．
（5）燈泡與滑動變阻器串聯(lián)，用電流表測流過電路的電流，由串聯(lián)電路特點及歐姆定律求出流過燈泡電流為燈泡額定電流時，燈泡兩端電壓，然后由P=UI求出燈泡額定功率．

解答 解：
（1）燈泡額定電流為0.3A，燈絲阻值在10Ω～15Ω之間，則燈泡額定電壓U=IR在3V～4.5V間，電壓表應(yīng)選0～15V量程，電壓表與燈泡并聯(lián)，電路圖如圖所示：

（2）為了電路安全，開關(guān)閉合前滑片應(yīng)滑到電阻最大位置，即右端；
閉合開關(guān)，電流表無示數(shù)，說明電路是斷路，小燈泡不發(fā)光，電壓表有示數(shù)，說明與電壓表并聯(lián)的這部分電路斷路了，即小燈泡斷路；
（3）電壓表量程是0～15V，由圖乙可知，電壓表分度值是0.5V，電壓表示數(shù)是4V，此時燈泡正常發(fā)光，所以燈泡額定功率P=UI=4V×0.3A=1.2W；
（4）電源電壓為6V，電阻兩端電壓為2V，滑動變阻器分壓為4V，是定值電阻兩端電壓的兩倍，根據(jù)分壓原理可知，滑動變阻器接入電路的阻值為定值電阻阻值的兩倍，滑動變阻器最大阻值為50歐姆，因此定值電阻最大阻值為25歐姆．
（5）實驗步驟：
①按圖連接電路，然后只閉合開關(guān)S₁，移動滑片P，使燈泡正常發(fā)光，電流表的示數(shù)為I₁．
②再閉合開關(guān)S₂，讀出電流表示數(shù)I₂；
再閉合開關(guān)S₂時燈泡短路，滑動變阻器的電阻R_滑=$\frac{U}{{I}_{2}}$，
只閉合開關(guān)S₁，滑動變阻器和燈泡串聯(lián)，總電阻R=$\frac{U}{{I}_{1}}$，
燈泡的電阻R_L=R-R_滑=$\frac{U}{{I}_{1}}$-$\frac{U}{{I}_{2}}$，
燈泡的額定功率P=I₁²R_L=I₁²（$\frac{U}{{I}_{1}}$-$\frac{U}{{I}_{2}}$）．
故答案為：（1）如上圖；（2）右；小燈泡斷路；（3）4；1.2；（4）25；（5）讀出電流表的示數(shù)I₂；I₁²（$\frac{U}{{I}_{1}}$-$\frac{U}{{I}_{2}}$）．

點評 本題考查了連接電路圖、電路故障的判斷、電壓表讀數(shù)、求燈泡功率、實驗設(shè)計，串聯(lián)電路特點和歐姆定律的應(yīng)用等，考查知識點多，綜合性強，第（5）問設(shè)計實驗電路、實驗步驟難度較大，是本題的難點．