Question

13．在“探究導體的電流跟電阻的關系”實驗中，老師提供的器材有：電源（電壓恒為3V），電流表、電壓表和開關各一個，五個定值電阻（5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、30Ω，50Ω），滑動變阻器（規(guī)格是“20Ω，2A”），導線若干．
（1）圖甲是小明連接的實物電路，圖中有一根導線連接錯誤，請你在連接錯誤的導線上打“×”并補畫出正確的連線．
（2）在開關閉合前，應將滑動變阻器的滑片滑至最右（選填“左”或“右”）端．
（3）電路連接無誤后，閉合開關，小明先后將5Ω和10Ω的電阻分別接入電路，移動滑片P進行了二次實驗，數(shù)據(jù)如圖乙表格所示．小明緊接著再將20Ω的定值電阻替換10Ω的電阻后，直接讀出電流表示數(shù)示為0.12A．

物理量 實驗次數(shù)	電阻R（Ω）	電流I （A）
1	5	0.4
2	10	0.2
3	20

（4）小明為了使實驗能繼續(xù)順利進行，還可以使用的定值電阻有15Ω、30Ω．（寫出具體的電阻值，多寫少寫都不給分）
（5）小明將電阻換成標有“2.5V”字樣的小燈泡，測量其不同電壓下的電功率．
①正確連接電路，閉合開關，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，電壓表有示數(shù)，電流表指針幾乎不動，產生這種現(xiàn)象的原因是燈泡斷路；
②排除故障，繼續(xù)實驗，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出I-U圖象（如圖丙）．由此可求出小燈泡正常發(fā)光時的功率為0.625W；
（6）完成上述實驗后，小明又利用上述器材重新設計了電路（增加了一個滑動變阻器）如圖丁，測量另一個小燈泡的額定功率，這個小燈泡正常工作的電流為I₁．請完成實驗步驟．
①只閉合開關S₁，移動滑動變阻器R₂的滑片，使電流表示數(shù)為I₁；
②只閉合開關S₂，保持滑動變阻器R₂的滑片位置不變，移動滑動變阻器R₁的滑片，使電流表示數(shù)為I₁；再將滑動變阻器R₂的滑片調到最左端，讀出電流表的示數(shù)為I₂；
③則小燈泡的額定功率表達式為P_額=$\frac{{{UI}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．

Answer 1

分析 （1）分析電路的錯誤之處改正；
（2）開關閉合前，應將滑動變阻器的滑片滑至阻值最大處；
（3）研究電流與電阻的關系時，要控制電壓表示數(shù)不變，根據(jù)歐姆定律，由表中數(shù)據(jù)得出不變的電壓，根據(jù)串聯(lián)電路的規(guī)律和歐姆定律求出變阻器連入電路的阻值，再根據(jù)電阻的串聯(lián)和歐姆定律求出電流大��；
（4）根據(jù)分壓原理，當變阻器連入電路中的電阻最大時，可得定值電阻的最大值，據(jù)此分析；
（5）①若電流表指針幾乎不動，燈不亮，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，則與電壓表并聯(lián)的支路以外的電路是完好的，則與電壓表并聯(lián)的燈泡斷路了；
（6）根據(jù)P=I²R，要測燈的額定功率，測燈正常工作時的電阻是關鍵，
先使燈正常發(fā)光，再利用等效替代法，將燈的電阻轉化為測量R₁的電阻，根據(jù)歐姆定律，據(jù)此確定操作步驟．

解答 解：（1）原電路中，電壓表被短路了，應并聯(lián)在電阻的兩端，如下所示：

（2）在開關閉合前，應將滑動變阻器的滑片滑至阻值最大處，即最右端；
（3）研究電流與電阻的關系時，要控制電壓表示數(shù)不變，電路連接無誤后，閉合開關，小明先后將5Ω和10Ω的電阻分別接入電路，移動滑片P進行了二次實驗，數(shù)據(jù)如圖乙表格所示．因研究電流與電阻的關系時，要控制電壓表示數(shù)不變，由歐姆定律，電壓表示數(shù)U_表=I₁R₁=0.4A×5Ω=2V；
由表中數(shù)據(jù)知，當電阻為R₂=10Ω時，電流為I₂=0.2A，
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=3V-2V=1V．
變阻器連入電路中的電阻R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{{I}_{2}}=\frac{1V}{0.2A}$=5Ω，
小明緊接著再將20Ω的定值電阻替換10Ω的電阻后，電路的總電阻R=R₃+R_滑=20Ω+5Ω=25Ω，故直接讀出電流表示數(shù)示即為此時的電流大小I=$\frac{U}{R}=\frac{3V}{25Ω}$=0.12A；
（4）由（3）知，定值電阻的電壓是變阻器電壓的$\frac{2V}{1V}$=2倍，根據(jù)分壓原理，定值電阻的大小是變阻器阻值的2倍，當變阻器連入電路中的電阻為20Ω時，定值電阻最大值為2×20Ω=40Ω，故除已用的電阻外，小明為了使實驗能繼續(xù)順利進行，還可以使用的定值電阻有15Ω、30Ω的電阻；
（5）①經分析，閉合開關，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，電壓表有示數(shù)，電流表指針幾乎不動，產生這種現(xiàn)象的原因是：燈泡斷路；
②根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出I-U圖象，由圖乙可知，當燈的電壓為2.5V時，通過的電流為0.25A，由此可求出小燈泡正常發(fā)光時的功率為P=UI=2.5V×0.25A=0.625W；
（6）分析實驗的原理可以得出其具體的步驟為：
①只閉合開關S₁，移動滑動變阻器R₂的滑片，使電流表示數(shù)為I₁；
②只閉合開關S₂，保持滑動變阻器R₂的滑片位置不變，調節(jié)滑動變阻器R₁的滑片使電流表示數(shù)為I₁；
根據(jù)等效替代法，則小燈泡正常發(fā)光的電阻與變阻器R₁此時的電阻相同，為測量出此時變阻器R₁的電阻，故應將滑動變阻器R₂的滑片調到最左端，讀出電流表的示數(shù)為I₂；根據(jù)歐姆定律，變阻器R₁的電阻即為燈正常發(fā)光時的電阻，即R_L=$\frac{U}{{I}_{2}}$，
小燈泡的額定功率P_額=I₁²R_燈=I₁²•$\frac{U}{{I}_{2}}$=$\frac{{{UI}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．
故答案為：（1）如上所示；
（2）右；
（3）0.12；
（4）15Ω；30Ω；
（5）①燈泡斷路；②0.625；
（6）②將滑動變阻器R₂的滑片調到最左端；③$\frac{{{UI}_{1}}^{2}}{{I}_{2}}$．

點評 本題探究導體的電流跟電阻的關系，考查電路的連接、注意事項、串聯(lián)電路的規(guī)律及歐姆定律的運用、對器材的選擇，同時也考查了測功率的實驗故障的分析、額定功率的計算及設計實驗方案測額定功率的能力及等效替代法的運用，綜合性強，難度較大．