Question

11．圖甲是測(cè)量標(biāo)有“2.5V”字樣的小燈泡電功率的電路圖．

（1）連接電路時(shí)，開關(guān)應(yīng)處于斷開狀態(tài)，滑動(dòng)變阻器的滑片應(yīng)移到最左（左/右）端；
（2）在實(shí)驗(yàn)中，靜菲同學(xué)正確連接電路并規(guī)范操作實(shí)驗(yàn)，閉合開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)燈泡不亮但兩電表均有示數(shù)，為了找出燈泡不亮的原因，接下來她應(yīng)該進(jìn)行的操作是移動(dòng)滑片，觀察燈泡是否發(fā)光；
（3）在排除問題后，當(dāng)電壓表示數(shù)為2.5V時(shí)，電流表的示數(shù)如圖乙所示，是0.3A，由此可得，該小燈泡的額定電功率為0.75W；
（4）實(shí)驗(yàn)中志乾同學(xué)的電壓表損壞了，老師告訴他已經(jīng)沒有電壓表可換，而給了他一個(gè)已知阻值為R₀的定值電阻和若干個(gè)開關(guān)，志乾重新設(shè)計(jì)了如圖丙所示的電路，測(cè)量小燈泡的額定功率．請(qǐng)你幫他補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)步驟和表達(dá)式：①按照電路圖正確連接電路；②斷開開關(guān)S₂，閉合開關(guān)S、S₁，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，使得電流表讀數(shù)為$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，即燈泡正常發(fā)光；③保持滑片位置不動(dòng)，斷開開關(guān)S₁，閉合開關(guān)S、S₂，記下電流表的讀數(shù)為I；則測(cè)得小燈泡額定功率的表達(dá)式為P=2.5V×（I-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）（電源電壓未知）；
（5）志乾同學(xué)測(cè)得該燈泡的電流隨電壓變化關(guān)系如圖丁所示，他還想比較以下兩種情況下燈泡實(shí)際電功率的大小關(guān)系：①燈泡實(shí)際電流為額定電流一半時(shí)的實(shí)際電功率P₁；②燈泡實(shí)際電壓為額定電壓一半時(shí)的實(shí)際電功率P₂；利用所學(xué)物理知識(shí)請(qǐng)你幫他比較出P₁與P₂之間正確關(guān)系應(yīng)該為：P₁小于P₂（填“大于”“小于”或“等于”）．
（6）若用阻值分別為5Ω、10Ω、20Ω的定值電阻分別代替圖甲中的小燈泡，還可以完成“探究電流與電阻關(guān)系”實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中始終保持電壓表示數(shù)為2V，為能完成探究，則滑動(dòng)變阻器最大阻值至少為40Ω（設(shè)此時(shí)電源電壓為6V且恒定不變）．

Answer 1

分析 （1）為防止電流過大，連接電路時(shí)開關(guān)應(yīng)斷開，滑動(dòng)變阻器的滑片應(yīng)移到最大阻值處；
（2）閉合開關(guān)后，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，電路故障可能是斷路、燈泡短路或電路中電流太��；因此不用更換燈泡，根據(jù)可能是連入電阻太大，電路中電流太小所致，分析電阻過大的原因，然后進(jìn)行下一步操作；
（3）確定電流表的量程和分度值，讀出電流表的示數(shù)，根據(jù)P=UI計(jì)算出小燈泡的額定功率；
（4）要測(cè)量小燈泡的功率，需測(cè)量出小燈泡的電壓和電流，應(yīng)用并聯(lián)電路特點(diǎn)與歐姆定律求出通過燈泡的電流，然后應(yīng)用P=UI求出燈泡的額定功率表達(dá)式；
（5）如果燈泡電阻不隨溫度變化，則燈泡電壓為其額定電壓一半時(shí)的電流等于額定電流的一半，其實(shí)際功率等于額定功率的四分之一；實(shí)際上燈泡電阻隨溫度升高而增大，所以燈泡實(shí)際電壓為額定電壓一半時(shí)的電流大于額定電流的一半，此時(shí)燈泡實(shí)際功率大于額定功率的四分之一；如果燈泡電阻不隨溫度變化而變化，電流等于額定電流一半時(shí)，燈泡實(shí)際功率等于額定功率的四分之一，實(shí)際上燈泡溫度越低，燈泡電阻越小，通過燈泡電流為其額定電流一半時(shí)，燈泡電阻小于燈泡正常發(fā)光時(shí)的電阻，則燈泡實(shí)際功率小于額定功率的四分之一；
（6）先根據(jù)電壓表的示數(shù)和電阻求出電路中最小電流，然后利用串聯(lián)電路電壓的特點(diǎn)和歐姆定律的變形公式求出滑動(dòng)變阻器最大阻值至少為多少．

解答 解：（1）為保護(hù)電路安全，連接電路時(shí)，開關(guān)應(yīng)斷開；
由圖甲知，滑動(dòng)變阻器的下面接了右邊一個(gè)接線柱，所以應(yīng)將滑片移至最左端；
（2）閉合開關(guān)后，燈泡不亮，可能是連入電阻太大，電路中電流太小所致，下一步操作：移動(dòng)滑動(dòng)變阻器滑片，觀察小燈泡是否發(fā)光；
（3）由乙圖知，電流表的量程為0～0.6A，分度值為0.02A，所以示數(shù)為0.3A；小燈泡的額定電功率：P=UI=2.5V×0.3A=0.75W；
（4）①按照電路圖正確連接電路；
②斷開開關(guān)S₂，閉合開關(guān)S、S₁，此時(shí)燈泡與電阻并聯(lián)，它們兩端電壓相等，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，當(dāng)燈泡兩端電壓等于其額定電壓2.5V時(shí)燈泡正常發(fā)光，此時(shí)通過電阻的電流，即電流表示數(shù)：I_R0=$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；此時(shí)燈泡正常發(fā)光；
③保持滑片位置不動(dòng)，斷開開關(guān)S₁，閉合開關(guān)S、S₂，此時(shí)燈泡與電阻并聯(lián)，電流表測(cè)干路電流，記下電流表的讀數(shù)為I，
通過燈泡的電流I_L=I-I_R0=I-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$，小燈泡額定功率的表達(dá)式為：P=U_L額I_L=2.5V×（I-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）；
（5）由圖示圖象可知，燈泡電阻隨溫度升高而增大；
由P=I²R可知，實(shí)際電流等于額定電流一半時(shí)，實(shí)際功率P₁＜$\frac{1}{4}$P_額，
由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知，燈泡實(shí)際電壓為其額定電壓一半時(shí)，它的實(shí)際功率P₂＞$\frac{1}{4}$P_額，故P₁小于P₂；
（6）電路中的最小電流：I=$\frac{{U}_{R}}{{R}_{最大}}$=$\frac{2V}{20Ω}$=0.1A，
串聯(lián)電路兩端電壓等于各部分電壓之和，滑動(dòng)變阻器兩端電壓為U′=6V-2V=4V，
由I=$\frac{U}{R}$可知，滑動(dòng)變阻器最大阻值至少為：R=$\frac{U′}{I}$=$\frac{4V}{0.1A}$=40Ω；
故答案為：（1）斷開；左；（2）移動(dòng)滑片，觀察燈泡是否發(fā)光；（3）0.3； 0.75；（4）$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$；2.5V×（I-$\frac{2.5V}{{R}_{0}}$）；（5）小于；（6）40．

點(diǎn)評(píng) 本此題是測(cè)量小燈泡的額定功率實(shí)驗(yàn)，考查了連接電路過程中需注意的問題，電流表的讀數(shù)及功率的計(jì)算，同時(shí)考查了在沒有電壓表時(shí)測(cè)量電功率的方法以及比較燈泡實(shí)際功率大小，有一定的難度．