Question

16．育才中学课外实验小组的同学想测出家用手电筒的灯泡正常工作时的电阻，实验器材有：电源（电压4.5V）、开关、电压表、电流表各一个，导线若干，额定电压为2.5V的待测手电筒灯泡（电阻约为7Ω），滑动变阻器两个（A：“5Ω  2A”；B：“20Ω  0.5A”）．

（1）该实验的实验原理是R=$\frac{U}{I}$；实验中，应选用的滑动变阻器是B（选填“A”或“B”）；
（2）如图甲所示是实验电路图，请用笔画线代替导线，将实验电路连接完整（要求：滑动变阻器的滑片向右移动时，小灯泡亮度变暗）．
（3）该组同学连接完电路后，闭合开关，发现灯泡不亮，电流表、电压表示数均很小，怎样移动滑片都不起作用，你认为导致该故障的原因是滑动变阻器都接下面两个接线柱．
（4）排除故障后，移动滑动变阻器的滑片，若某时刻电压表的示数如图乙所示，此时小灯泡两端电压为2V；为了测定小灯泡正常工作时的电阻，应将滑动变阻器的滑片向左（选填“左”或“右”）移动．
（5）如图丙所示是根据记录的实验数据画出的小灯泡两端的电压与通过其的电流的关系图象．从图象可知，小灯泡正常工作时小灯泡的电阻是10Ω．
（6）同组的小林同学对图丙中的图象进行了深入分析，发现了生活中手电筒灯泡总是在开灯的一瞬间容易烧坏的原因，结合小林的分析，你认为该原因是灯丝的电阻随温度的升高而增大．
（7）该组同学完成实验后，又想测量一个额定电压为3.8V的小灯泡正常发光时的电阻，在检查器材时发现电压表0～15V量程已经损坏，0～3V量程还可以正常使用，在不添加器材的情况下，请帮该组同学提供一个合理的解决方案：电压表并联在滑动变阻器两端．

Answer 1

分析 （1）测灯泡正常工作时电阻的实验原理是欧姆定律的变形式，根据串联电路的电压特点求出灯泡正常发光时变阻器两端的电压，根据串联电路的电流特点和欧姆定律求出电路中的电流，然后根据欧姆定律求出变阻器接入电路中的电阻，然后确定变阻器的规格；
（2）滑动变阻器按一上一下的原则串联在电路中，滑片向右移动时小灯泡亮度变暗说明接入电路中的电阻变大，即左下方接线柱必须接入电路中；
（3）移动滑动变阻器滑片，电压表和电流表示数都不变，滑动变阻器都接上面或下面两个接线柱，然后由灯泡的较暗或较亮判断具体情况；
（4）根据电压表的量程和分度值读出示数，然后与灯泡的额定电压相比较，根据串联电路的分压特点判断接入电路中的电阻变化，进一步判断滑片移动的方向；
（5）根据图象读出灯泡的额定电流，利用欧姆定律求出灯泡的电阻；
（6）灯丝的电阻与温度有关，且温度越高阻值越大；
（7）电源电压为4.5V，根据串联电路电压特点，当灯泡电压为3.8V，滑动变阻器的电压为0.7V＜3V，可以利用0～3V量程测量滑动变阻器的电压．

解答 解：（1）该实验的原理是R=$\frac{U}{I}$；
因串联电路中总电压等于各分电压之和，且灯泡正常发光，
所以，变阻器两端的电压：
U_滑=U-U_L=4.5V-2.5V=2V，
因串联电路中各处的电流相等，
所以，电路中的电流约为：
I=$\frac{{U}_{L}}{{R}_{L}}$=$\frac{2.5V}{7Ω}$≈0.36A，
滑动变阻器接入电路中的电阻：
R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{I}$=$\frac{2V}{0.36A}$≈5.6Ω，
所以，应选用的滑动变阻器是B；
（2）变阻器的左下方接线柱与开关连接时，滑片向右移动时，小灯泡亮度变暗，如下图所示：

（3）移动滑片，电压表和电流表示数都不变，滑动变阻器都接上面或都接下面两个接线柱，灯泡不亮说明，滑动变阻器都接下面两个接线柱；
（4）由图乙知，电压表量程是0～3V，分度值是0.1V，示数为2V，
电压表的示数小于灯泡的额定电压，要测小灯泡正常工作时的电阻，应减小变阻器接入电路中的电阻，即滑片向左移动，增大灯泡两端的电压，直到电压表示数等于灯泡额定电压2.5V为止；
（5）由图丙可知，灯泡两端的电压U_L=2.5V，通过灯泡的电流I_L′=0.25A，
则小灯泡正常工作时的电阻R_L′=$\frac{{U}_{L}}{{I}_{L}′}$=$\frac{2.5V}{0.25A}$=10Ω；
（6）手电筒灯泡在开灯的一瞬间，温度较低，电阻较小，根据P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知，灯泡的实际功率较大，灯泡容易烧坏；
（7）灯泡的额定电压为3.8V，电压表并联在灯泡的两端，电压表选择0～15V，但是0～15V量程坏了，当灯泡正常发光时，滑动变阻器两端电压为4.5V-3.8V=0.7V，把电压表并联在滑动变阻器的两端，移动滑动变阻器的滑片，示数为0.7V时，灯泡正常发光．
故答案为：
（1）R=$\frac{U}{I}$；B；
（2）如上图所示；
（3）滑动变阻器都接下面两个接线柱；
（4）2；左；
（5）10；
（6）灯丝的电阻随温度的升高而增大；
（7）电压表并联在滑动变阻器两端．

点评 本题考查了伏安法测电阻的原理、滑动变阻器规格的选取、电路故障的判断、电压表的读数、欧姆定律的应用和电路图的设计等，涉及到的知识点较多，综合性强，要注意灯丝电阻与温度的关系．