Question

4．小明利用如图甲所示的电路，实验探究“保持电阻不变时，电流跟电压的关系”．实验器材：电源（电压恒为4.5V）、电流表、电压表各一只，一个开关，一个定值电阻，一只滑动变阻器，导线若干．

（1）请根据图甲所示的电路图，用笔画线代替导线把图乙所示的实物电路连接完整．
（2）小明在闭合开关S后，发现电压表指针反向偏转，出现这种现象的原因是：电压表正负接线柱接反了．
（3）小明通过实验得到多组实验数据，由这些数据画出如图丙所示的图象，由图象可得结论：保持电阻不变时，电流与电压成正比．
（4）若电流表损坏，请你利用余下实验器材，测量一个额定电压为2.5V的小灯泡的额定功率（灯丝的电阻会随温度变化），并把如下的实验步骤补充完整．
①在原实验电路中，断开开关S，拆去电流表，用小灯泡替换定值电阻，重新连接好电路，并移动滑片P至B（选填“A”或“B”）端；
②闭合开关S，移动滑片P，直至电压表的示数为2.5V时，小灯泡正常发光；
③保持滑片P的位置不变，断开开关，用定值电阻替换小灯泡，闭合开关，读出电压表的示数U；（补全实验步骤）；
④小灯泡的额定功率的表达式P_额=$\frac{U}{（4.5V-U）}×1W$．（用数据和测量的物理量符号表示）．

Answer 1

分析 （1）根据电路图连接实物电路图；
（2）电表正负接线柱不要接反，否则指针将反向偏转；
（3）分析图示图象，然后得出结论；
（4）首先通过移动滑片使灯正常发光，为测量此时变阻器连入电路中的电阻大小R_滑，保持滑片的位置不动，断开开关，用定值电阻替换小灯泡，读出电压表的示数U（在没有电流表的情况下，电压表与定值电阻应起到电流表的作用），可求出电路中的电流，根据串联电路电压的特点和欧姆定律求出R_滑，因变阻器连入电路中的阻值大小不变，在②操作的电路中，根据串联电路电压的特点和欧姆定律可求出电路中的电流大小，即灯正常工作时的电流大小，根据P_额=U_额I_额，写出额定功率的表达式．

解答 解：（1）把电流表串联接入电路，根据电路图连接实物电路图，如下图所示：

（2）闭合开关S后，电压表指针反向偏转，这是由于电压表正负接线柱接反了造成的；
（3）由图丙所示图象可知，U-I图象是一条倾斜的直线，R=$\frac{U}{I}$，由此可得：电阻保持不变时，电流与电压成正比；
（4）①断开开关S，拆去电流表，用小灯泡替换定值电阻，重新连接好电路，并移动滑片P至B端；
②闭合开关S，移动滑片P，直至电压表的示数为灯泡额定电压2.5V时，小灯泡正常发光；
③保持滑片P的位置不变，断开开关，用定值电阻替换小灯泡，闭合开关，读出电压表的示数U；
④由图丙所示图象可知，定值定值阻值R=$\frac{U}{I}=\frac{2V}{0.4A}$=5Ω，在第③操作中，通过定值电阻的电流大小
I′=$\frac{U}{{R}_{定}}=\frac{U}{5Ω}$，即为通过变阻器的电流大小，根据串联电路电压的特点，此时变阻器的电压U_滑=4.5V-U，
所以变阻器连入电路中的阻值大小R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{I′}=\frac{4.5V-U}{I′}$=$\frac{4.5V-U}{U}×5Ω$；
在②操作的过程中，因灯正常发光，所以，变阻器的电压U′_滑=4.5V-2.5V=2V，此时通过变阻器的电流即灯正常发光时的电流I_额=$\frac{{U′}_{滑}}{{R}_{滑}}=\frac{2V}{（4.5V-U）×\frac{5Ω}{U}}=\frac{2VU}{（4.5V-U）×5Ω}$，所以灯的额定功率：
P_额=U_额I_额=2.5V×$\frac{2VU}{（4.5V-U）×5Ω}$=$\frac{U}{（4.5V-U）}×1W$．
故答案为：
（1）连接如上图所示；
（2）电压表正负接线柱接反了；
（3）电流跟电压成正比；
（4）①B；②2.5；③保持滑片P的位置不变，断开开关，用定值电阻替换小灯泡，闭合开关，读出电压表的示数U；④$\frac{U}{（4.5V-U）}×1W$．

点评 探究“保持电阻不变时，电流跟电压的关系和测量灯的额定功率两个实验，考查电路的连接、反常现象的分析处理、分析数据归纳结论的能力及在没有电流表设计测量灯的额定功率的实验方案的能力，（4）难度大，综合性强，求变阻器连入电路中的电阻大小是关键．