Question

16．某小组同学在探究电流与电阻的关系时，选用如下器材：电源，0～50Ω的滑动变阻器，电流表，电压表，开关，5Ω、10Ω、15Ω、20Ω的定值电阻各一个，导线若干，实验过程中控制定值电阻两端电压为2V不变．

（1）图甲是连接的部分实验电路，请将电路补充完整．
（2）开关闭合前需要将滑动变阻器的滑片调至B（填“A”或“B”）端；若闭合开关后，发现电流表有示数，电压表示数为零，则电路存在的故障可能是定值电阻短路（填“短路”或“断路”）．
（3）某次实验时，电流表的示数如图乙所示为0.2A，此时连入电路的定值电阻的阻值是10Ω．
（4）若将10Ω换成15Ω电阻时，需要将滑动变阻器滑片向B（填“A”或“B”）端调整，使电压表的示数为2V．
（5）完成上面实验后，小组同学又想测量额定电压为U_额的小灯泡的额定功率，但发现电流表已经损坏，于是他们又找来了两个开关，设计了如图丙所示的电路，已知电源电压为U，定值电阻的阻值为R₀，请你完成下面实验步骤．
①闭合S、S₁，断开S₂（填写S、S₁、S₂的通断情况），调节滑动变阻器的滑片使电压表示数为U-U_额；
②闭合S、S₂，断开S₁（填写S、S₁、S₂的通断情况），保持滑动变阻器的滑片不动，读出电出压表示数为U₁；
③灯泡的额定功率的表达式为P_额=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{0}}$U_额．

Answer 1

分析 （1）探究电流与电阻关系时，需控制电压不变，根据定值电阻两端电压和最小定值电阻确定电路中的最大电流，从而确定电流表的量程，并将电流表串联在电路中；
（2）为了安全起见，闭合开关前，需将滑片移到阻值最大处；
闭合开关后，电流表有示数，说明电路为通路；电压表示数为零，电压表可能被短路，根据电压表测量的元件确定电路短路的具体位置；
（3）根据电流表的量程、分度值以及指针的位置读出电流表的示数，根据欧姆定律的应用求出定值电阻的阻值；
（4）将10Ω的电阻换成了15Ω的电阻时，电路中的总电阻变大，它两端的电压也随之变化，为保证结论的准确性，要通过调节滑片，使滑动变阻器两端的电压增大，从而使电阻两端的电压变为原来的值，根据串联电路的分压关系去调节即可；
（5）由丙图可知：没有电流表的情况下，利用定值电阻和电压表代替电流表与灯泡串联，首先使灯泡两端的电压为U_额，然后测出此时定值电阻两端的电压，便可求出电路中的电流，根据P=UI计算出灯泡的额定电功率．

解答 解：（1）电路中的最大电流：I_最大=$\frac{U}{{R}_{最小}}$=$\frac{2V}{5Ω}$=0.4A，因此电流表选择0～0.6A量程；
将电流表0.6A接线柱与电源正极相连，如下图所示：

（2）为了安全起见，闭合开关前，需将滑片移到阻值最大处，即将滑片移到B端；
闭合开关后，电流表有示数，说明电路为通路；电压表示数为零，电压表可能被短路，而电压表测量定值电阻两端电压，因此可能为定值电阻短路；
（3）已知电流表的量程为0～0.6A，分度值为0.02A，示数为0.2A；
由I=$\frac{U}{R}$可知，定值电阻的阻值：R=$\frac{U}{I}$=$\frac{2V}{0.2A}$=10Ω；
（4）将10Ω的电阻换成了15Ω的电阻时，串联电路的总电阻变大，根据欧姆定律可知电路中电流变小，滑动变阻器分得的电压变小，电阻分得的电压增大，所以应调节滑片向B端移动，增大滑动变阻器接入电路的电阻，使电压表的示数为2V；
（5）①闭合S、S₁，断开S₂，调节滑动变阻器的滑片使电压表示数为U-U_额；
②闭合S、S₂，断开S₁，保持滑动变阻器的滑片不动，读出电出压表示数为U₁；
③通过灯泡的电流：I=I_R0=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{0}}$，
灯泡额定功率：P=U_额I=U_额×$\frac{{U}_{1}}{{R}_{0}}$=$\frac{{U}_{1}}{{R}_{0}}$U_额．
故答案为：（2）B；短路；（3）0.2；10；（4）B；2；（5）①闭合S、S₁，断开S₂；②闭合S、S₂，断开S₁；③$\frac{{U}_{1}}{{R}_{0}}$U_额．

点评 本题考查了电流表的连接、实验注意事项、实验故障分析、实验操作、电表读数、欧姆定律的应用、求灯泡功率、实验设计等；对电表读数时要先确定其量程与分度值，然后再读数，读数时视线要与电表刻度线垂直；最后一问：实验设计是本题的难点，知道实验原理、应用串联电路特点与欧姆定律即可正确解题．