Question

11．物理兴趣小组的同学们想探究通过导体的电流与电压的关系．实验室有：电源、电压表、电流表、滑动变阻器、规格不同的定值电阻、开关和导线等器材各若干供同学们选择，实验用电路如图a所示．

（1）图b是某组同学尚未完成连接的实物电路，请你用笔画线代替两根导线完成连接（连线不交叉）．要求：滑动变阻器的滑片P向A端移动，电压表示数变大．
（2）连好电路闭合开关，发现电流表示数较大、电压表示数为零，则电路故障原因可能是B
A．电压表的量程选大了B．电阻R₀发生了短路
C．滑动变阻器发生了断路D．滑动变阻器发生了短路
（3）他们排除故障后继续实验，测得多组数据记录在下表中，在给定的坐标纸上作出图象，分析得出了结论．请你利用表中数据在图c中作出U-I图象，分析图象得出的结论是；在与其他组交流时发现虽然各小组作出的图象都是正确的，但是在相同的坐标纸上有些小组的图象却明显不同，并回答造成这种不同的原因：选用定值电阻的阻值明显不同．

实验次数	1	2	3	4	5
电压表 示数/V	1.0	1.5	2.0	2.5	3.0
电流表 示数/A	0.10	0.15	0.2	0.25	0.3

（4）该组同学为了进一步探究电路的性质，他们选择了一个电压可调的电源进行实验．实验所用电路如图d，但电压表位置不详，电阻R₁的阻值为3Ω，所用滑动变阻器R₂是“10Ω  2A”和“20Ω  2A”中的一个．若某次实验时两表刻度盘上的指针位置如图e所示，此时滑动变阻器接入电路的阻值恰为最大值的一半．请发挥你的聪明才智，通过计算推测他们实验时所用变阻器R₂的规格和R₂的电压．

Answer 1

分析 （1）由电路图知，电压表测R两端电压，根据滑动变阻器的滑片P向A端移动，电压表示数变大确定接线柱的接法；
（2）电流表有示数，说明整个电路是通路，电压表无示数，说明电压表被短路；
（3）根据表格数据描点连线作出图象；可以从各组使用电阻不同分析造成实验作出的图象产生差异的原因；
（4）穷举电流和电压表的示数，分别根据电流的可能大小，由欧姆定律求出两电阻可能的电压值并与电压表可能读数比较，确定电压表的连接位置；根据串联电路电压的规律，求出符合电压表读数的变阻器的阻值大小，最终确定R₂的电压大小．

解答 解：
（1）根据实验电路图应将定值电阻与变阻器串联，电压表测定值电阻两端电压，滑片P向A端移动，电压表示数变大，根据U=IR，说明通过R电流应变大，故变阻器阻值变小，应将A接线柱接入电路中，如下图所示：
；
（2）根据电路图电压表测量灯泡两端电压，电流表测量电路电流；
A、如果是电压表的量程选大了，电压表指针摆较小，不会为0，不符合题意；
B、如果电阻R₀发生了短路，电流表有示数，电压表示数为零，符合题意；
C、如果是滑动变阻器断路，即电路为断路，电流表、电压表都无示数，不符合题意；
D、如果滑动变阻器短路，电路中电流将会很大，电流表、电压表都有示数，不符合题意．
故选B；
（3）由表格数据描点连线作出I-U图象，如下图所示：

实验中各小组所使用的定值电阻的阻值可能各不相同，探究电流与电压的关系时应控制电阻的阻值不变，采用不同的定值电阻进行探究时，相同电压下的电流不同，做出的I-U图象不同；
（4）由图e，电流表和电压表因不知道量程的使用情况，讨论：
若电流表和电压表都使用小量程时，读出分别为I_A=0.2A，U_V=2.6V；
若电流表和电压表使用大量程，读出分别为I′_A=1A，U′_V=13V，
①若电流为0.2A，则R₁两端电压：U₁=I_AR₁=0.2A×3Ω=0.6V，
滑动变阻器接入电路的阻值恰为最大值的一半，
若使用的是规格是“10Ω 2A”，则U_变=I_AR_变=0.2A×5Ω=1V，
若使用的是规格是“20Ω 2A”，则U_变=I_AR_变=0.2A×1Ω=2V，根据电压表可能的读数，
可判断，电压表不是测R₁也不是测R₂两端电压，所以电压表只能测量电源的电压；
根据串联电路的电压特点：U=U₁+U_变=0.6V+U_变，根据电压表可能的读数，则使用“20Ω 2A”恰好符合电压表示数为2.6V，R₂两端的电压为2V；
②若电流为1A，则R₁两端电压：U′₁=I_AR₁=1A×3Ω=3V，
若使用的是规格是“10Ω 2A”，则U′_变=I′_AR_变=1A×5Ω=5V，
若使用的是规格是“20Ω 2A”，则U_′变=I_′AR_变=1A×10Ω=10V，根据电压表可能的读数，
可判断，电压表不是测R₁也不是测R₂两端电压，所以电压表只能测量电源的电压；
根据串联电路的电压特点：
U=U′₁+U′_变=3V+U′_变，根据电压表可能的读数，则使用“20Ω 2A”恰好符合电压表示数为13V，R₂两端的电压为10V．
故无论哪种情况，实验时所用变阻器R₂的规格为“20Ω 2A”，R₂的电压为2V或10V．
故答案为：（1）见上图；
（2）B；
（3）见上图；定值电阻的阻值明显不同；
（4）实验时所用变阻器R₂的规格为“20Ω 2A”，R₂的电压为2V或10V．

点评 本题探究通过导体的电流与电压的关系的实验考查了电流连接、故障判断、数据分析和图象等，第（4）问是本题的难点，考查分类讨论、推理的能力及灵活运用电路特点和欧姆定律解决实际问题的能力，难度较大．