Question

20．小華和小明在“測(cè)量小燈泡的額定功率”．器材如下：待測(cè)小燈泡（額定電壓為3.8V）、電源（電壓恒為6V）、滑動(dòng)變阻器（20Ω  1A）、開(kāi)關(guān)各一只，導(dǎo)線(xiàn)若干．

（1）他們將實(shí)驗(yàn)器材連接成了如圖1電路，閉合開(kāi)關(guān)后發(fā)現(xiàn)燈不亮，只有電壓（選填“電流”或“電壓”）表有示數(shù)．
（2）小明想重新連接電路旁邊的小華攔住他，認(rèn)為不用重新連接，只需改動(dòng)一根導(dǎo)線(xiàn)，即可使電路連接正確．請(qǐng)你在應(yīng)改動(dòng)的導(dǎo)線(xiàn)上打“×”，并用筆畫(huà)線(xiàn)代替導(dǎo)線(xiàn)在原圖上畫(huà)出正確的接法．
（3）電路連接正確后，小明開(kāi)始實(shí)驗(yàn)．閉合開(kāi)關(guān)電壓表示數(shù)為2.2V，則應(yīng)向B（選填“A”或“B”）調(diào)節(jié)滑片，直至燈泡正常發(fā)光，電流表示數(shù)如圖2，則小燈泡的額定功率為1.14W．
（4）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中小明和小華還發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器滑片時(shí)，電壓表的示數(shù)很難準(zhǔn)確達(dá)到3.8V．經(jīng)過(guò)討論他們發(fā)現(xiàn)只要再（2）小問(wèn)改接正確的電路上將電壓表改接到滑動(dòng)變阻器兩端，就能減小實(shí)驗(yàn)誤差．改接后能減小實(shí)驗(yàn)誤差的原因是燈泡正常發(fā)光時(shí)，滑動(dòng)變阻器兩端電壓為6V-3.8V=2.2V，把電壓表并聯(lián)到滑動(dòng)變阻器兩端，電壓表量程應(yīng)選擇0-3V，分度值為0.1V，故讀數(shù)更精確．
（5）小明和小華通過(guò)分析認(rèn)為，如果增加已知阻值的定值電阻R₀，只利用一只電流表，通過(guò)簡(jiǎn)單操作（開(kāi)關(guān)S接“a”“b”各一次）就能測(cè)量小燈泡的額定功率．圖3甲、乙是他們?cè)O(shè)計(jì)的兩個(gè)電路圖，其中能完成測(cè)量的是電路圖甲（選填“甲”“乙”或“都可以”）．
（6）小明和小華還想探究“在電壓一定的情況下，電流與電阻的關(guān)系”，于是將（2）小問(wèn)改接正確的電路中的小燈泡換成阻值分別為10Ω、8Ω、6Ω、4Ω的四個(gè)定值電阻，其余連接均不變．在實(shí)驗(yàn)中，將4個(gè)定值電阻依次接入電阻，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使定值電阻兩端的電壓保持某個(gè)值U₀不變，為了能夠順利得到4組I、R數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)，該電壓U₀的取值范圍是：2V-2.4V．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)電流表和電壓表的連接方式分析；
（2）電流表應(yīng)串聯(lián)接入電路中；電壓表應(yīng)與并聯(lián)接入電路中；
（3）燈在額定電壓下正常發(fā)光，根據(jù)圖中電壓表小量程讀數(shù)，比較電壓表示數(shù)與額定電壓的大小，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律及分壓原理確滑片移動(dòng)的方向；根據(jù)電流表的量程讀出電流值，運(yùn)用電功率公式計(jì)算額定功率．
（4）根據(jù)串聯(lián)電路的電壓規(guī)律分析；
（5）在沒(méi)有電壓表的情況下，定值電阻與電流表應(yīng)起到測(cè)量電壓的作用，故先將電流表與定值電阻串聯(lián)，根據(jù)歐姆定律和并聯(lián)電路電壓的規(guī)律，移動(dòng)滑片使燈正常工作，保持滑片位置不動(dòng)，再通過(guò)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換測(cè)燈與定值的總電流，根據(jù)并聯(lián)電路電流的規(guī)律求出燈的額定電流，根據(jù)P=UI求出燈泡的額定功率；
（6）根據(jù)電流表量程，確定電路中的最大電流，由歐姆定律和串聯(lián)電阻的規(guī)律求出變阻器連入電路的最小電阻；
根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律和分壓原理，對(duì)變阻器連入電路的最小電阻和最大電阻分類(lèi)討論，從而確定電壓表允許的取值范圍．

解答 解：（1）由圖可知，電壓表串聯(lián)接入了電路，電流表與燈泡并聯(lián)在電路中，故此時(shí)電流表示數(shù)為0，電壓表測(cè)量的是電源電壓，電壓表有示數(shù)；
（2）由圖可知，此時(shí)的電流表與燈泡并聯(lián)在了電路中，電壓表串聯(lián)在電路中了，是錯(cuò)誤的；電壓表應(yīng)并聯(lián)到燈的兩端；實(shí)物圖如下所示：
；
（3）燈在額定電壓下正常發(fā)光，電壓表示數(shù)為2.2V，小于燈的額定電壓2.5V，應(yīng)增大燈的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，應(yīng)減小變阻器的電壓，由分壓原理，應(yīng)減小變阻器連入電路中的電阻大小，故滑片向B移動(dòng)，直到電壓表示數(shù)為額定電壓；
圖2中，電流表使用的是0～0.6A量程，分度值是0.02A；故電流表示數(shù)I=0.3A；
小燈泡的額定功率：P=UI=3.8V×0.3A=1.14W；
（4）在串聯(lián)電路中，電源電壓等于各部分電壓之和；燈泡的額定電壓為3.8V，故電壓表量程為0-15V，分度值為0.5V，故讀數(shù)不精確；燈泡正常發(fā)光時(shí)，滑動(dòng)變阻器兩端電壓為6V-3.8V=2.2V，把電壓表并聯(lián)到滑動(dòng)變阻器兩端，當(dāng)電壓表示數(shù)為2.2V時(shí)，電壓表量程應(yīng)選擇0-3V，分度值為0.1V，故讀數(shù)更精確；
（5）燈泡與電阻R₀，并聯(lián)在電路中，電壓是相同的，當(dāng)通過(guò)R₀的電流與R₀的阻值的乘積等于3.8V時(shí)，燈會(huì)正常發(fā)光；
圖3甲中，當(dāng)s接b時(shí)，測(cè)的是R₀的電流，通過(guò)移動(dòng)滑片，使電流表示數(shù)為：
I=$\frac{{U}_{L}}{{R}_{0}}$=$\frac{3.8V}{{R}_{0}}$，根據(jù)歐姆定律，R₀的電壓為3.8V，根據(jù)并聯(lián)電路電壓的規(guī)律，燈的電壓為3.8V，燈正常工作；
保持滑片位置不動(dòng)，s接a時(shí)，電流表測(cè)量的是干路中的電流，因電路的連接沒(méi)有改變，各電阻大小和電壓大小都不變，通過(guò)燈與定值電阻的電流也不變，故根據(jù)并聯(lián)電路電流關(guān)系可以求出燈泡的電流，根據(jù)P=UI能求出燈泡的額定功率，故圖丙可以；
圖3乙中，s接a時(shí)，電流表不接入電路中，s接b時(shí)，測(cè)的是燈泡的電流，故無(wú)法測(cè)出R₀的電流，不能求出電壓，不能求出燈泡的額定功率，故圖3乙不可以．
故選甲；
（6）把四個(gè)電阻串聯(lián)接入電路中，為了保護(hù)電流表，電路中的電流不能超過(guò)0.6A，故電路的最小電阻為：
R_小=$\frac{U}{{I}_{最大}}=\frac{6V}{0.6A}$=10Ω，
電路中接入4Ω的電阻時(shí)，滑動(dòng)變阻器接入電路的最小電阻為：R'=R_小-4Ω=6Ω；
設(shè)電壓表示數(shù)為U_表，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，變阻器的電壓U_滑=U-U_表=6V-U_表，
根據(jù)分壓原理：
$\frac{6V{-U}_{表}}{{U}_{表}}$=$\frac{{R}_{滑}}{R}$，即$\frac{6V}{{U}_{表}}$-1=$\frac{{R}_{滑}}{R}$-----①，
因研究電流與電阻關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，要保持電壓表示數(shù)不變，由①式得，方程左邊為定值，當(dāng)變阻器接入電路中的電阻最小為R'=6Ω時(shí)，對(duì)應(yīng)的定值電阻最小為4Ω，代入①得，
$\frac{6V}{{U}_{表}}$-1=$\frac{6Ω}{4Ω}$，U_表=2.4V，
即定值電阻兩端的最大電壓為2.4V；
同理，當(dāng)滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻為20Ω時(shí)，對(duì)應(yīng)的電阻最大為10Ω，代入①式得：
$\frac{6V}{{U}_{表}}$-1=$\frac{20Ω}{10Ω}$，U_表=2V
即定值電阻兩端的最小電壓為2V；
故電壓表的取值范圍大小應(yīng)滿(mǎn)足2V≤U_表≤2.4V．
故答案為：
（1）電壓；
（2）如上圖；
（3）B；1.14；
（4）滑動(dòng)變阻器；燈泡正常發(fā)光時(shí)，滑動(dòng)變阻器兩端電壓為6V-3.8V=2.2V，把電壓表并聯(lián)到滑動(dòng)變阻器兩端，電壓表量程應(yīng)選擇0-3V，分度值為0.1V，故讀數(shù)更精確；
（5）甲；
（6）2V-4V

點(diǎn)評(píng) 本題測(cè)量小燈泡的額定功率，考查對(duì)錯(cuò)誤連接電路的分析、操作過(guò)程及對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的評(píng)估，同時(shí)也考查了研究電流與電阻的關(guān)系實(shí)驗(yàn)的要求和控制變量法的運(yùn)用，綜合性強(qiáng)，難度大．