Question

5．紅紅在實驗室做“燈泡亮度與電功率的關系”實驗中．如圖，電源電壓恒為4.5V，小燈泡標有“2.5V”字樣，電流表，電壓表各一個，若干定值電阻（10Ω、15Ω、25Ω、30Ω），一個滑動變阻器（20Ω  3A），開關，導線若干．

（1）如圖，紅紅所接的實驗電路存在連接錯誤，但只需改動一根導線，即可使電路連接正確．請你在應改動的導線上打“×”，并用筆畫線代替導線畫出正確的接法．
（2）正確連接導線過后，閉合開關，燈泡立即發(fā)出明亮耀眼的光并很快熄滅．紅紅的操作不當之處是：滑片沒有移到阻值最大位置．燈泡熄滅的同時，可觀察到電壓表示數(shù)變大．（選填“變大”、“變小”）
（3）紅紅更換燈泡后，逐步移動滑片，看到如圖乙的電壓表示數(shù)，其讀數(shù)是2.2V，為使燈泡正常發(fā)光，應向右（選填“左”、“右”）端移動滑片P，圖丙為燈泡的U-I圖象．可知燈泡的額定功率為0.5W．
（4）不改變電路的情況下，無法探究電流與電壓的關系，原因是：燈泡的電阻是變化的．
（5）為進一步探究電流與電阻的關系，紅紅將燈泡依次換成已有的定值電阻，并設定其兩端電壓恒為2.5V，要順利完成4次測量，應在電路中在串聯(lián)一個阻值為4Ω的定值電阻．

Answer 1

分析 （1）本實驗中，電壓表應與燈泡并聯(lián)；
（2）閉合開關，燈泡發(fā)出明亮耀眼的光，很快熄滅，說明電路電流太大，電路中總電阻太小，由此分析不當之處；燈泡燒壞后電壓表串聯(lián)在電路中，由此可知電壓表示數(shù)；
（3）根據(jù)圖示電壓表讀數(shù)，然后根據(jù)電表示數(shù)與燈泡額定電壓的關系確定滑片的移動方向；
燈泡在額定電壓下的功率是額定功率，由圖中數(shù)據(jù)求出額定電壓對應的電流，然后由P=UI求出燈泡額定功率；
（4）燈泡電阻是變化的，根據(jù)控制變量法分析原因；
（5）根據(jù)串聯(lián)電路特點和歐姆定律計算串聯(lián)電阻的范圍．

解答 解：
（1）要測小燈泡功率，電壓表應與燈泡并聯(lián)，由圖甲知，電壓表測總電壓，修改后電路如圖所示：
；
（2）燈泡發(fā)出明亮耀眼的光很快熄滅，說明電路中電流過大，原因是：閉合開關前，滑動變阻器的滑片沒有移到阻值最大位置；
燈泡發(fā)出明亮耀眼的光很快熄滅，說明燈泡被燒壞，所以電壓表與電流表串聯(lián)在電路中，此時電壓表測電源兩端電壓，所以示數(shù)變大；
（3）由圖乙所示電壓表可知，其量程為0～3V，分度值為0.1V，所以示數(shù)為2.2V，小于燈泡額定電壓2.5V，為使燈泡正常發(fā)光，應增大電路中電流，減小電路中電阻，所以應把滑片向右端移動；
由圖象可知，燈泡額定電壓2.5V對應的電流為0.2A，燈泡額定功率P=UI=2.5V×0.2A=0.5W；
（4）由圖象知，通過燈泡的電流與電壓不成正比，即燈泡電阻是變化的．
電流與電壓和電阻有關，在探究電流與電壓關系時應保持電阻不變，但燈泡在不同電壓下電阻是不同的，所以不改變電路的情況下，無法探究電流與電壓的關系；
（5）由題知，探究電流與電阻的關系，定值電阻兩端電壓恒為2.5V，
由串聯(lián)電路特點和歐姆定律有：I_R=I，則：$\frac{{U}_{R}}{R}$=$\frac{U}{{R}_{總}}$，更換的電阻R越大，電路總電阻越大，
若將5Ω電阻連入電阻中，即：$\frac{2.5V}{5Ω}$=$\frac{4.5V}{{R}_{總}}$，解得R_總=9Ω，變阻器連入阻值和串聯(lián)入電阻之和：R₁=R_總-R=9Ω-5Ω=4Ω，
若將15Ω電阻連入電阻中，即：$\frac{2.5V}{15Ω}$=$\frac{4.5V}{{R}_{總}}$，解得R_總=27Ω，變阻器連入阻值和串聯(lián)入電阻之和：R₂=R_總-R=27Ω-15Ω=12Ω，
若將25Ω電阻連入電阻中，即：$\frac{2.5V}{25Ω}$=$\frac{4.5V}{{R}_{總}}$，解得R_總=45Ω，變阻器連入阻值和串聯(lián)入電阻之和：R₃=R_總-R=45Ω-25Ω=20Ω，
若將30Ω電阻連入電阻中，即：$\frac{2.5V}{30Ω}$=$\frac{4.5V}{{R}_{總}}$，解得R_總=54Ω，變阻器連入阻值和串聯(lián)入電阻之和：R₄=R_總-R=54Ω-30Ω=24Ω，
需要再串聯(lián)入電阻的阻值最大為R₁=4Ω，
最小為R₄-R=24Ω-20Ω=4Ω．
所以要順利完成4次測量，應在電路中在串聯(lián)一個阻值為4Ω的定值電阻．
故答案為：（1）見上圖；（2）滑片沒有移到阻值最大位置；（3）2..2；右；0.5；（4）燈泡的電阻是變化的；（5）4Ω．

點評 本題考查了實物電路連接問題、電路故障、電表讀數(shù)、實驗的操作、電功率的計算，還考查了對探究電流與電壓和電阻關系的實驗，考查知識點多，綜合性強．