Question

2．小紅做“測量小燈泡電功率”實驗，實驗室有如下器材：3節(jié)新干電池（電源電壓恒為4.5V）、小燈泡（額定電壓為2.5V）、電流表、電壓表、開關各一個、規(guī)格為10Ω 0.6A的滑動變阻器各一個、導線若干．
（1）請你按照電路圖，用筆畫線代替導線，完成圖乙中實驗電路的連接．（要求P向左滑動時燈變暗）

（2）小紅實驗中閉合開關后，看到燈立即發(fā)出較亮的光，兩電表的指針立即偏轉到最右側，這一現象反映出小紅操作中存在的問題是閉合開關前，滑動變阻器滑片未至于最大阻值處；
（3）小紅認識到問題所在后，加以改正后重新開始實驗，閉合開關后，緩慢移動滑動變阻器滑片P到某處，使電壓表示數為2.5V，此時電流表指針位置如圖乙所示，則小燈泡的額定功率為1.25W．
（4）若此實驗中電流表壞了，為了測出小燈泡的額定功率，小紅在原有器材的基礎上增加了一個R₀=5Ω的定值電阻，設計了如圖丙所示的電路和如下實驗方案：
①調節(jié)滑片，使電壓表的示數為小燈泡的額定電壓；
②保持滑片位置不變，只將電壓表a點改接到c點，測出定值電阻R₀兩端的電壓U₀；
③通過計算，可先求出電路中的電流I，就可得到小燈泡的額定功率P．
請你指出該設計方案中存在的兩個問題：無論怎樣調節(jié)變阻器，都不能使燈泡正常發(fā)光；只將電壓表的a點接線改接到c點，電壓表的正負接線柱接反．

（5）小紅繼續(xù)進行實驗，她又跟老師要了一個單刀雙擲開關，一個阻值合適的定值電阻R₀′，她要求R₀′阻值要小于（小于/大于）R₀=5Ω，加上原有實驗器材，重新設計了如圖丁所示的電路，終于測出了燈泡的額定功率．請完成下列實驗步驟：
①閉合開關S₁，將S₂撥到觸點b，移動滑片，使電壓表的示數為2.5V；
②再將開關S₂撥到觸點a，保持滑片的位置不動，讀出電壓表的示數U；
③燈泡額定功率的表達式為P_額=$\frac{2.5（U-2.5）}{{R}_{0}′}$（用已知量和測量量表示）．

Answer 1

分析 （1）從電路圖可知，燈泡與滑動變阻器串聯(lián)，電壓表測量燈泡兩端的電壓，電流表測量電路總電流，滑動變阻器滑片向左移動時燈泡變暗，說明滑動變阻器接入電路電阻變大；
（2）發(fā)出明亮的光，說明電路中的電流較大，電阻是小的，據此可判斷所出現的問題；
（3）讀取電流表示數時，注意選擇的量程和對應的分度值；已知額定電壓和正常工作電流，利用P=UI計算燈泡的額定功率；
（4）根據串聯(lián)電路的特點分析燈泡是否能夠正常發(fā)光；電壓表并聯(lián)在電路中，電流應從正接線柱流入，負接線柱流出；
（5）在沒有電流表的情況下，利用定值電阻R₀′和電壓表代替電流表與燈泡串聯(lián)，通過開關的轉換，移動滑動變阻器的滑片，使燈泡兩端的電壓等于2.5V，使燈正常發(fā)光；
保持滑片的位置不動，再通過開關的轉換使電壓表測出燈與定值電阻R₀′的電壓U；
在前后兩次開關轉換的過程中，電路的連接關系沒有改變，各用電器分得的電壓保持不變，此時燈仍正常發(fā)光，根據串聯(lián)電路電壓的規(guī)律可求出此時定值R₀′的電壓，由歐姆定律求出通過定值電阻R₀′的電流，根據串聯(lián)電路電流的規(guī)律，即燈正常發(fā)光時的電流大小，根據P=UI寫出小燈泡額定功率的表達式．

解答 解：（1）小燈泡的右接線柱與滑動變阻器的右側的下接線柱相連；已知小燈泡的額定電壓為2.5V，故選0～2.5V的量程，把電壓表并聯(lián)在燈泡兩端，如下圖：

（2）連接電路后，燈泡立即發(fā)出明亮的光，兩電表的指針立即偏轉到最右側，說明電路中電阻較小，故問題為：閉合開關前，滑動變阻器滑片未至于最大阻值處；
（3）電流表量程為0～0.6A，分度值為0.02A，由圖乙可得電流表的示數為0.5A，燈泡的額定功率為P=UI=2.5V×0.5A=1.25W；
（4）由題意知，電源電壓約為4.5V，燈泡正常發(fā)光時電阻為R_L=$\frac{{U}_{L}}{{I}_{L}}$=$\frac{2.5V}{0.5A}$=5Ω，
當變阻器電阻為零時，設燈泡兩端的電壓為U_L，根據串聯(lián)電路電流相等的特點有：
$\frac{{U}_{L}}{{R}_{L}}$=$\frac{U-{U}_{L}}{{R}_{0}}$，即：$\frac{{U}_{L}}{5Ω}$=$\frac{4.5V-{U}_{L}}{5Ω}$，
解得：U_L=2.25V，所以無論怎樣調節(jié)變阻器，都不能使燈泡正常發(fā)光；
保持滑片位置不變，只將電壓表的a點接線改接到c點，電壓表的正負接線柱接反，無法測出R₀兩端的電壓；
（5）由（4）可知，要使小燈泡兩端的電壓等于額定電壓，應使R₀′兩端的電壓小于小燈泡兩端電壓，故R₀′阻值要小于R₀=5Ω；
①閉合開關S₁，將S₂撥到觸點b，移動滑片，使電壓表的示數為2.5V；
②再將開關S₂撥到觸點a，保持滑片的位置不動，讀出電壓表的示數U；
③根據串聯(lián)電路電壓的規(guī)律，此時定值電阻R₀′兩端的電壓：U₀=U-U_額=U-2.5V，
通過燈泡的電流：I_額=I₀=$\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}′}$=$\frac{U-2.5V}{{R}_{0}′}$，
則小燈泡額定功率：P_額=U_額I_額=$\frac{2.5（U-2.5）}{{R}_{0}′}$．
故答案為：
（1）如上圖；
（2）閉合開關前，滑動變阻器滑片未至于最大阻值處；
（3）1.25；
（4）無論怎樣調節(jié)變阻器，都不能使燈泡正常發(fā)光；只將電壓表的a點接線改接到c點，電壓表的正負接線柱接反；
（5）小于；    2.5；$\frac{2.5（U-2.5）}{{R}_{0}′}$．

點評 本題是測量小燈泡的額定功率實驗，考查了電路的連接、電路故障的分析、電流表的讀數及電功率的計算，同時考查了對實驗設計的分析，關鍵掌握測量的原理及電表的使用方法．