Question

15．运用如图（a）所示的实验器材做“测小灯泡电功率的实验”，其中小灯泡标有“3.8V”的字样、灯丝电阻约为10Ω左右．请完成或回答以下问题．

（1）补画导线，把图（a）中的器材连接成完整实验电路（要求导线不交叉）．
（2）实验电路接好后，合上开关时，部分同学发现电路出现故障，主要有如表所列的两种情况，请根据现象和检测结果指出故障的可能原因：

故 障 现 象	检    测	故 障 原 因
灯泡不亮、电压表示数较大、电流表无示数	取下灯泡，两表的示数不变
灯泡较暗、两表的示数均较小	移动滑动变阻器滑片，现象不变

（3）灯泡正常发光时，若电流表的示数如图（b）所示，则灯泡额定功率为1.216W．
（4）若实验器材中电压表0～15V的量程不灵，而0～3V的量程正常，电源电压为6V，在这种情况下，请你重新设计出能测定小灯泡额定功率的电路图．（将图画在图C的虚线框内）
（5）小红还想利用上述实验装置测量一段电炉丝的电阻R_x，可是连接电路时发现电流表已烧坏，原电路不能使用．请你利用现有器材（电压未知的电源、量程合适的电压表、最大阻值已知为R₀的滑动变阻器、开关各一个，导线若干），帮助设计一个不用改变电压表位置就能测出这段电炉丝电阻的电路．把你设计的实验电路图画在图D的虚线框内（电炉丝的符号用电阻的符号表示），你的主要实验过程及测量的物理量是将滑片滑至a端，记下电压表的示数U_a；再将滑片滑至b端，闭合开关，记下电压表示数U_b；计算电炉丝电阻的表达式是：R_x=$\frac{{U}_{a}{R}_{0}}{{U}_{b}-{U}_{a}}$．

Answer 1

分析 （1）根据灯泡的额定电压确定电压表的量程且与灯泡并联，根据欧姆定律求出灯泡额定电流的大约值确定电流表的量程且与灯泡串联，滑动变阻器与灯泡串联连入；
（2）当把滑动变阻器的两个下接线柱接入了电路时，滑片移动时，灯的亮度不变，且较暗，灯的电压较小，电流也较小；当灯丝断了时，把灯从灯座上取下来，电压表的示数是不变的，电流表也不会有示数的，是发生了断路的；
（3）根据电流表的量程和分度值读出电流表的示数，利用P=UI求出其大小；
（4）灯泡正常发光时，滑动变阻器两端电压为6V-3.8V=2.2V＜3V，电压表0～15V的量程损坏，0～3V的量程正常，可以把电压表与滑动变阻器并联，进行实验．
（5）电源、滑动变阻器、电炉丝的电阻Rx串联，电压表并联在电炉丝的电阻R两端；测量过程：将滑片滑至b端，闭合开关，记下电压表示数U_b；再将滑片滑至a端，记下电压表的示数U_a，由串联电路特点及欧姆定律可求出电炉丝的电阻R．

解答 解：（1）灯泡的额定电压为3.8V，所以电压表的量程为0～15V，且与灯泡并联；
灯泡的额定电流约为I=$\frac{U}{R}$=$\frac{3.8V}{10Ω}$=0.38A，所以电流表的量程为0～0.6A，且与灯泡串联；
滑动变阻器与灯泡串联，如下图所示：

（2）①电流表无示数，电路断路；灯泡不亮，灯泡断路或灯泡短路或灯泡之外的电路断路；
电压表示数较大，说明电压表与电源两极相连，电压表并联电路之外不存在断路；取下灯泡，
两表的示数不变，灯泡所在位置断路；综合分析知，故障原因是：灯泡断路．
②移动滑动变阻器滑片，现象不变，说明滑动变阻器不能改变电路电路电阻，
滑动变阻器接上面两个接线柱或同时接下面两个接线柱；灯泡较暗、两表的示数均较小，
说明电路电流较小，电路阻值较大；综合分析知，原因是：滑动变阻器采用了“两下”接法．
（3）由b图可知：电流表的量程为0～0.6A，分度值为0.02A，通过灯泡的电流I=0.32A，
灯泡的额定功率P=UI=3.8V×0.32A=1.216W；
（4）电压表0～15V的量程损坏，0～3V的量程正常滑动变阻器，可以把电压表与滑动变阻器并联，测滑动变阻器两端电压，当电压表示数为6V-3.8V=2.2V时，灯泡两端电压等于其额定电压，灯泡正常发光，电路如图所示：

（5）电源、滑动变阻器、电炉丝的电阻R_x串联，电压表并联在电炉丝的电阻R_x两端，电路图如图所示：

测量过程：将滑片滑至a端，记下电压表的示数U_a；
再将滑片滑至b端，闭合开关，记下电压表示数U_b；
则根据串联电路的电压特点可知滑动变阻器两端的电压：U_滑=U_b-U_a，
则电路电流I=$\frac{{U}_{滑}}{{R}_{0}}$=$\frac{{U}_{b}-{U}_{a}}{{R}_{0}}$，
根据I=$\frac{U}{R}$可得，电炉丝的电阻R_x=$\frac{{U}_{a}}{I}$=$\frac{{U}_{a}}{\frac{{U}_{b}-{U}_{a}}{{R}_{0}}}$=$\frac{{U}_{a}{R}_{0}}{{U}_{b}-{U}_{a}}$．
故答案为：（1）如上图所示；（2）灯泡断路；滑动变阻器采用了“两下”接法；（3）1.216；（4）如上图所示；（5）将滑片滑至a端，记下电压表的示数U_a；再将滑片滑至b端，闭合开关，记下电压表示数U_b；$\frac{{U}_{a}{R}_{0}}{{U}_{b}-{U}_{a}}$．

点评 本题考查了实物电路图的连接、电表量程的选择、电流表的读数、欧姆定律和电功率的计算、滑动变阻器的正确使用、电路故障的判断等，涉及的知识点较多，综合性强，但这些知识都是学生必须掌握的内容，也是实验经常考查的内容，注意掌握．