Question

3．按如图1所示电路图做“测量小灯泡的功率”的实验．所用器材有：标有“3.8V”字样的待测小灯泡、电压恒为6V的电源、标有“20Ω 1A”的滑动变阻器、电流表（量程为0～0.6A、0～3A）、电压表（量程为0～3V、0～15V）、开关及导线若干．

（1）某学生在实验时，把电流表与电压表的位置交换连接了，闭合开关后会造成D．（填选项前的字母）
A．电流表烧坏　　B．电压表烧坏   C．小灯泡烧坏　　D．小电灯不亮
（2）另一学生按图连接电路后，闭合开关，将滑动变阻器的滑片移到最左端时，灯不亮，电压表有较大的示数，经检查，导线连接完好，则电路故障是：小灯泡断路，排除该故障换用新元件后，闭合开关时，观察到灯闪亮一下后立即熄灭，该学生在操作过程中的不当之处是：闭合开关前滑动变阻器滑片没有移到最大阻值处．
（3）小明同学按电路图正确连接电路后，闭合开关，从大到小调节滑动变阻器的阻值，并将正确操作下的电压表和电流表的示数填入下表：

电压表的示数U/V	电流表的示数I/A	小电灯的功率P/W
2.0	0.20	0.4
2.5	0.22	0.55
3.0	0.25	0.75
3.8	0.30	1.14
4.5	0.32	1.14

①通过上表数据，可算得小电灯的额定功率为1.14W，还可得出关于灯丝电阻的结论是：灯丝电阻随温度的升高而增大；
②当小电灯正常工作时，连入电路的滑动变阻器的阻值为7.33Ω．
③将两个这样的相同规格的小电灯串联后直接接在6V 电源的两端，两灯消耗的总功率为1.5W．
（4）若电压表的0～15V量程已损坏，只能使用0～3V量程，其它器材不变，如何测出小电灯的额定功率？
①在如图2的虚线框中画出测量电路图；
②若小电灯两端最大可加4.5V电压，为保证实验时你所设计的测量电路中各元件的安全，参照小明的实验数据，估算滑动变阻器接入电路的阻值范围应为4.7Ω～12Ω．

Answer 1

分析 （1）电压表的电阻很大，故把电流表与电压表的位置交换连接后，电路中的电流很小；
（2）根据电路图可知，闭合开关，将滑动变阻器的滑片移到最左端时，电路为灯泡的基本电路，根据灯泡的是否发光和电压表的示数确定电路故障；
开关闭合后，灯闪亮一下后立即熄灭，说明电路电流太大，电路电阻太小造成的，原因可能是闭合开关前滑动变阻器滑片没有放到最大阻值处；
（3）①根据P=UI分别求出灯泡在不同电压下的功率；
当灯泡两端电压为额定电压时，灯泡的实际功率等于灯泡的额定功率；灯丝的电阻随温度的升高而增大；
②灯泡正常发光时，与灯泡串联的滑动变阻器电压为6V-3.8V=2.2V，则根据欧姆定律即可求出滑动变阻器连入电路的阻值；
③将两个这样的相同规格的小电灯串联后直接接在6V电源的两端，则每个灯泡两端的电压为3V，由表格数据找出灯泡两端的电压为3V时的电流，即可根据P=UI求出总功率．
（4）①0～15V量程已损坏，而灯泡额定电压为3.8V，超过电压表的另一量程0～3V；电源电压是6V，灯泡正常发光时，与灯泡串联的滑动变阻器电压为6V-3.8V=2.2V，小于电压表量程0～3V，因此可以用电压表测滑动变阻器电压，以便间接测量灯泡电压，据此作出电路图；
②根据题意确定滑动变阻器两端的最大电压与最小电压值，由串联电路特点求出相应的灯泡电压，由表中数据找出电压所对应的电流，然后由欧姆定律求出滑动变阻器接入电路的最大与最小阻值，然后确定其范围．

解答 解：（1）把电流表与电压表的位置交换连接后，电压表串联在电路中，电路中电阻较大，电流较小，故灯泡不亮，选D；
（2）闭合开关，将滑动变阻器的滑片移到最左端时，电路为灯泡的基本电路，灯不亮，电压表有较大的示数，说明电路故障为断路，并且电压表与电源两极相连，故小电灯断路；
开关时，观察到灯闪亮一下后立即熄灭，该学生在操作过程中的不当之处是：闭合开关前滑动变阻器滑片没有移到最大阻值处；
 （3）①根据表中数据可：P₁=U₁I₁=2V×0.2A=0.4W，
P₂=U₂I₂=2.5V×0.22A=0.55W，
P₃=U₃I₃=3V×0.25A=0.75W，
P₄=U₄I₄=3.8V×0.3A=1.14W，
P₅=U₅I₅=4.5V×0.32A=1.44W；
当灯泡两端电压为3.8V时，灯泡的实际功率等于额定功率，即1.14W；
由表中数据及R=$\frac{U}{I}$可知，随小电灯电压的增大，小电灯电阻变大，这是因为：随电压增大、电流随之增大，小电灯的实际功率P=UI也增大，灯的温度升高，由此可见：灯丝电阻随温度的升高而增大；
②根据表中数据可知，当小电灯正常工作时，电流为I=0.3A，
滑动变阻器两端电压为U₂=U-U_额=6V-3.8V=2.2V，则根据欧姆定律得连入电路的阻值R₂=$\frac{{U}_{2}}{I}$=$\frac{2.2V}{0.3A}$≈7.33Ω．
③将两个这样的相同规格的小电灯串联后直接接在6V电源的两端，则根据串联电路的电压特点可知，灯泡两端的电压为3V，由表中数据可知，当灯泡两端的电压为3V时，电流I′为0.25A，
则两灯消耗的总功率P=UI′=6V×0.25A=1.5W．   
（4）①电源、开关、滑动变阻器、灯泡、电流表组成串联电路，电压表并联在滑动变阻器两端，电路图如图所示；

②a、当电压表示数为最大值3V时，小电灯两端的电压为6V-3V=3V，由表中数据知，电流为0.25A，此时滑动变阻器接入电路的阻值R_滑1=$\frac{3V}{0.25A}$=12Ω；
b、当小电灯电压为4.5V时，由表中数据知，电路电流为0.32A，此时滑动变阻器两端电压为6V-4.5V=1.5V，此时滑动变阻器接入电路的阻值R_滑2=$\frac{1.5V}{0.32A}$≈4.7Ω；
则滑动变阻器接入电路的阻值范围是4.7Ω～12Ω；
故答案为：（1）D；
（2）小电灯断路；闭合开关前滑动变阻器的滑片没有移到最大阻值处；
（3）①0.4；0.55；0.75；1.14；1.44；1.14；灯丝的电阻随温度的升高而增大；②7.33；③1.5；
（4）①如下图所示；  ②4.7；  12．

点评 本题考查了故障分析、求功率、求电阻阻值、数据处理、设计实验电路图等问题，最后一问求滑动变阻器接入电路的阻值范围有一定难度；解题时要认真、细心答题．