Question

5．小张利用如图甲所示电路测定小灯泡的功率．被测小灯泡的额定电压为2.5V，电阻约为10Ω左右．实验室有如下器材：电源（电压为6V不变）、电流表（0～0.6A，0～3A）、电压表（0～3V，0～15V）、开关各一个、导线若干、滑动变阻器两只：R₁（20Ω，0.5A）、R₂（50Ω，0.5A）．
（1）在小张所连接的电路中，有两根导线还没有连接好，请你帮他完成电路的连接（要求：滑动变阻器滑片向右移动，灯泡亮度变亮；其他的导线不要变动，导线不能交叉）．
（2）实验前在检查仪器时，发现电流表指针如图乙所示，则接下来的操作是对电流表进行调零．正确连接电路闭合开关后，发现无论怎样移动滑动变阻器滑片，灯泡都不亮，电压表示数接近6V，电流表示数几乎为0，电路的故障可能是小灯泡断路．
（3）排除电路故障后，闭合开关，改变滑动变阻器的阻值，多次测量，小张画出了小灯泡中电流随其两端电压变化的关系图象（如图丙），则小灯泡的额定功率为0.625W．在多次测量中，小张还发现：当电压表的示数增大时，电压表与电流表的示数之比变大（选填“变大”、“变小”或“不变”）．
（4）小张又取了一个规格、型号完全相同的旧灯泡进行实验，发现在额定电压下工作时，灯泡亮度明显偏暗，小张仔细观察，发现这只灯泡的玻璃内壁变黑．灯泡亮度偏暗的原因是灯丝发光时发生升华而变细，消耗的实际功率变小的缘故（选填“大”或“小”）．
（5）灯泡的功率测量完毕，小张用5Ω、10Ω、15Ω、20Ω、25Ω的定值电阻更换电路中的灯泡，探究电流跟电阻的关系，得到如图丁所示的电流I随电阻R变化的图象，则小张应选用滑动变阻器R₂（选填“R₁”或“R₂”）．若某次实验中滑动变阻器连入的阻值为14Ω，则所选定值电阻的阻值为10Ω．

Answer 1

分析 （1）根据欧姆定律求出灯泡额定电流的大约值，然后确定电流表的量程，并将电流表、滑动变阻器以及开关串联在电路中；滑动变阻器滑片向右移动，灯泡亮度变亮，说明电路电流变小，即滑动变阻器接入电路的阻值变小，故将滑动变阻器的右下接线柱接入电路；
（2）①由图知，电流表指针没有指在零刻度线上，使用电流表前应对电流表进行机械调零，使指针指在零刻度线上；
②闭合开关灯泡不亮，可能是灯泡断路或短路或灯泡之外的电路断路；电流表无示数可能是电路断路；电压表示数接近6V，等于电源电压，说明电压表与电源两端相连，电压表并联电路之外，不存在断路；综合分析知电路故障原因是：灯泡断路．
（3）已知灯泡的额定电压，通过图象得到额定电压下的电流，利用公式P=UI得到灯泡的额定功率；灯丝电阻受温度的影响，变化较明显，并且温度越高，电阻越大．
（4）①物质由固态直接变为气态的过程叫升华；②在两端电压一定时，用电器消耗的功率的变化用公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$
（5）①在探究电流与电阻的关系时，要改变接入电路的电阻阻值大小，但不同阻值的电阻两端电压不变；
②串联电路中用电器两端电压与其阻值成正比，由图象可得电阻两端电压，已知电源电压和电阻两端电压，可以得到滑动变阻器两端电压，根据串联电路用电器两端电压与电阻的对应关系，得到定值电阻的阻值．

解答 解：（1）灯正常发光时的电流约为I=$\frac{U}{R}=\frac{2.5V}{10Ω}$=0.25A，因此电流表的量程为0～0.6A；
滑动变阻器滑片向右移动，灯泡亮度变亮，说明电路电流变小，即滑动变阻器接入电路的阻值变小，故将滑动变阻器的右下接线柱接入电路；如下图所示：

（2）①电流表指针没有指在零刻度线上，应先对电流表调零；
②电路正确连接后，闭合开关，移动滑片P，发观灯泡总不亮，且电流表无示数，说明电路中有断路故障；但电压表示数接近6V，说明电压表与电源两端相连，电压表与电源两极间的电路不存在断路；则故障原因可能是灯泡断路；
（3）①由图象知，在额定电压下，通过灯泡的电流为0.25A；
则灯泡的额定功率：P_额=U_额I=2.5V×0.25A=0.625W；
②灯泡亮度随电压的升高而增大，电阻随之增大，所以电压与电流的比值（即灯泡的电阻）是变大的；
（4）灯泡亮度偏暗的原因是灯丝发光时温度很高，钨丝由固态直接变为气态发生升华现象而变细；灯丝变细，电阻增大，在两端电压一定时，由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知，灯泡消耗的功率变小，即实际功率减小；
（5）①由图象知，不同阻值的电阻两端电压等于0.5A×5Ω=0.25A×10Ω=…=2.5V，
当选择25Ω的定值电阻与滑动变阻器串联时，由要保持定值电阻两端电压为2.5V不变，
根据串联分压原理有：$\frac{{U}_{R}}{{U}_{滑}}=\frac{R}{{R}_{滑}}$，变阻器接入电路的电阻R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{{U}_{R}}$×R=$\frac{6-2.5}{2.5}$×25Ω=35Ω，
所以滑动变阻器应选择R₂（50Ω，0.5A）．
②滑动变阻器两端电压为U_滑=3.5V，根据分压原理，定值电阻的大小R′=$\frac{{U}_{R}}{{U}_{滑}}$×R′_滑=$\frac{2.5}{3.5}$×14Ω=10Ω，即选择的定值电阻阻值为10Ω．
故答案为：（1）如上图所示；
（2）对电流表进行调零；灯泡断路；
（3）0.625；变大；
（4）小；
（5）R₂；10．

点评 本题考查了电流表的调节及读数、电路故障分析、求灯泡额定功率、灯泡电阻与温度的关系、升华现象、电功率的变化以及滑动变阻器规格的选择，设计的知识点多，综合性较强，具有一定的代表性．