Question

1．小华测量小灯泡功率的实验，已知电源电压为4.5V，小灯泡的额定电压为3.8V．

（1）实验中所用电压表在未接入电路时表盘如图1，在使用它测量前应进行的操作是将电压表的指针调零．
（2）小华连接的电路如图2所示，其中有一根导线连接错误．请在这根导线上打“×”，并用笔画线代替导线，将其改正．
（3）正确连接电路后，当电压表示数达到额定电压时，电流表示数如图3所示，则小灯泡的额定功率为1.14W．
（4）继续实验时灯泡突然熄灭，经分析：可能是灯泡断路，也可能是滑动变阻器断路．下列操作不能判断出故障类型的是B．
A．直接观察电压表示数          B．直接观察电流表示数
C．将另一个完好的灯泡并联在灯泡两端，观察电流表是否有示数
D． 将一根导线并联在灯泡两端，观察电流表是否有示数
（5）小明同学思考后觉得：用阻值已知的定值电阻来替代某一电表也能测出小灯泡正常发光时的功率，并设计了如图5四个电路图．其中正确的是A、C．
（6）老师又拿来了一阻值恒定的电阻元件R_x，额定功率P_额=6W，但额定电压数据模糊．现提供如下器材有一个蓄电池（电压约为6V）、一个电流表、一个阻值已知的定值电阻R₀，两个单刀开关及导线．设计了如图4的电路测出该元件的额定电压．请补全以下实验步骤，写出测量的物理量及其对应的符号．
实验步骤：
①连接电路；
②闭合S₁、S₂，读出电流表的示数为I₁；
③闭合S₁，断开S₂，记下电流表示数I₂；
④断开开关，整理器材．
实验结论：U_额=$\sqrt{\frac{{P}_{额}{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}}$．（用测量的物理量和已知物理量的符号表示）

Answer 1

分析 （1）由图1，电压表指针未指在零刻度处，由此判断应先进行的操作；
（2）观察图2，根据电压表和电流表的连接情况由题意作出判断；
（3）由图3读出灯泡正常发光时电流表的示数，根据P=UI计算灯泡的额定功率；
（4）灯光突然熄灭，若灯泡断路，电压表串联入电路；也可能是灯泡短路，电压表也短路．由此可根据电压表示数情况判断故障的原因；
（5）由P=UI，小灯泡的额定电压U₀已知，关键是测出额定电流．可以不考虑S₁和滑动变电阻的作用，假设都是闭合状态，分别分析每个电路的开关及电流表和电压表的关系，看哪一个电路图能测量出灯泡的额定电流．
（6）要测量电阻的额定电压，知道额定功率，根据P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知只需要测量出电阻就可以，结合已有器材，设计测量电阻两端电压和电流．

解答 解：（1）由图1所示可知，电压表指针没有指在零刻度线上，在使用前应对电压表进行调零，使指针指在零刻度线上．
（2）由图2所示电路图可知，电压表与灯泡和滑动变阻器并联，则电压表连线错误，由于小灯泡的额定电压为3.8V，电压表测量灯泡两端的电压时量程为0～15V的，由图可知：电压表使用的量程是0～3V的，所以应将电压表与滑动变阻器并联，电路图如图所示：

（3）由图3所示电流表可知，其量程为0～0.6A，分度值为0.02A，示数为0.3A，灯泡额定功率P=UI=3.8V×0.3A=1.14W．
（4）若是接线柱接触不良，更换灯泡或移动滑动变阻器的滑片，都不会引起现象的变化，所以ACD不能判断故障原因；
灯光突然熄灭，若灯泡断路，电压表串联入电路，示数几乎等于电源电压；
若灯泡短路，电压表也短路，示数为零．由此可根据电压表示数情况判断故障的原因，故选B；
（5）A、灯泡与定值电阻并联，通过开关的断开或闭合能测出干路电流和灯泡的电流，当两次的示数之差为I_R=$\frac{3.8V}{R}$时，灯泡正常工作，则根据P=UI即可求出灯泡的额定功率，故A电路正确；
B、闭合左边的开关，电压表上端为正接线柱，下端为负接线柱；只闭合右边的开关，电压表上端为负接线柱，下端为正接线柱，又不能更改电路，所以其中有一次电压表接线柱一定接反，不能读出电压表示数，故不能测出灯泡的额定功率；
C、灯泡与定值电阻并联，通过开关的断开或闭合能测出干路电流和定值电阻的电流，当定值电阻的电流为I_R=$\frac{3.8V}{R}$时，灯泡正常工作，则根据P=UI即可求出灯泡的额定功率，故C电路正确；
D、闭合左边的开关，电流表把灯泡短路，灯泡不发光；只闭合右边的开关，电流表把电阻短路；两个都闭合或断开时，电流表均无示数．测不出灯泡的额定电流，该电路图不能选．
故选AC．
（6）要测量电阻的额定电压，知道额定功率，只需要测量出电阻就可以；只有一个电流表，没有电压表，需要测量电阻两端电压和电阻的电流，则电流表和R₀可以单独工作，电流表需要测量两个电流，应在干路，如图所示电路．

实验步骤
②闭合S₁和S₂，记下电流表示数I₁；（即为干路电流）
③闭合S₁，断开S₂，记下电流表示数I₂（则电源电压为U=I₂R₀）
通过R_x电流；I_x=I₁-I₂，
由欧姆定律得：R_x=$\frac{U}{{I}_{x}}$=$\frac{{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}$，
由P=$\frac{{U}^{2}}{R}$得R_x的额定电压：U_额=$\sqrt{{P}_{额}{R}_{x}}$=$\sqrt{{P}_{额}×\frac{{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}}$=$\sqrt{\frac{{P}_{额}{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}}$．
故答案为：（1）将电压表的指针调零；（2）如上图；（3）0.3；1.14；（4）B（5）AC；（6）$\sqrt{\frac{{P}_{额}{I}_{2}{R}_{0}}{{I}_{1}-{I}_{2}}}$．

点评 本题考查了连接实物电路图、电路故障分析、电流表读数、实验现象分析、实验电路分析等问题，连接电路图时注意电表量程的选择；测灯泡额定电压时分析电路图，由于不能判断能不能电阻是否正常工作，所以测出电阻是解题的关键，分析开关闭合与断开时电路的连接情况，综合性较强，很容易出错．