Question

5．市場上有一種用兩節(jié)干電池供電的小型電風扇．某物理研究小組想粗測電風扇正常運轉(zhuǎn)時電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率．于是找到了一臺該種電風扇并從銘牌上讀出了額定電壓U，但是其它字跡看不清楚．該研究小組成員打開電風扇底座上的電源蓋并取出了兩節(jié)電池，并從電風扇裝電池處兩端各接出一條引線，手邊提供的器材有電流表，電壓表，滑動變阻器，備用電池若干節(jié)，電鍵，若干導線，固定電池的電池盒． 
（a）該小組進行了如下的部分實驗步驟，請寫出第三步實驗過程
①按事先設(shè)計的電路連接各元件，并使滑片處于使電路電阻最大處
②合上開關(guān)，使滑片從最左端開始緩慢移動，使電壓表和電流表都有明顯的讀數(shù)，但電風扇并未轉(zhuǎn)動，讀出此時的電壓表和電流表讀數(shù)U₀、Ⅰ₀．
③繼續(xù)向右調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電壓表讀數(shù)為U，讀出電流表讀數(shù)為I，
④用測的量表示出電動機正常運轉(zhuǎn)時的效率的表達式$\frac{{{I_0}U-I{U_0}}}{{{I_0}U}}$．
（b）按上述實驗過程，本實驗的電路圖應(yīng)選擇甲（填“甲”或“乙”）

Answer 1

分析 由題意可知實驗的目的是測量電風扇正常運轉(zhuǎn)時電能轉(zhuǎn)化為機械能的效率；則可分析出實驗中的實驗方法及實驗步驟；由測量得出的數(shù)據(jù)可知有關(guān)效率的表達式；由實驗過程并分析不同接法中的誤差可選擇電路圖．

解答 解：（a）電動機輸出的功等于電動機消耗的電能與電阻上產(chǎn)生熱量的差值；由題意可知，要測量能量轉(zhuǎn)化的效率應(yīng)先測出電機不轉(zhuǎn)時電動機的電阻，則可求得電動機中產(chǎn)生的內(nèi)能；再調(diào)節(jié)滑動變阻器使電風扇正常工作，即電動機兩端的電壓應(yīng)為U，故應(yīng)使電壓表讀數(shù)為U，讀出電流表的示數(shù)，則可求得電動機消耗的電能及電動機內(nèi)阻上消耗的內(nèi)能，即可求出效率；
故③應(yīng)為：調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電壓表讀數(shù)為U，讀出電流表讀致為I；
④由歐姆定律可得，電動機內(nèi)阻r=$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$； 電動機正常工作時，消耗的電功率為U₀I₀；電動機內(nèi)阻上產(chǎn)生的熱功率為I²r=I²$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$；故產(chǎn)生的風能為UI-I²$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$；
故工作效率表達式應(yīng)為：UI-I$\frac{UI-{I}_{\;}^{2}\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}}{UI}$=$\frac{{I}_{0}U-I{U}_{0}}{{I}_{0}U}$；
（b）由題意可知，實驗中應(yīng)使電動機兩端的電壓應(yīng)達到額定電壓，而實驗中的風扇是采用兩節(jié)干電池供電，故采用兩節(jié)干電池供電時，電壓稍大于額定電壓，故采用限流接法無法保證達到額定電壓，故應(yīng)采用分壓接法，故應(yīng)選用甲圖接法；
故答案為：（a）③電壓表讀數(shù)為U，讀出電流表讀數(shù)為I；④$\frac{{{I_0}U-I{U_0}}}{{{I_0}U}}$；（b）甲．

點評 對于實驗的考查轉(zhuǎn)向為考查設(shè)計性實驗，要求我們在解題時要注意認真分析實驗的目的、原理及題目中給出的實驗步驟，從中找出解決題目的關(guān)鍵．