Question

17．小明和同学们做“测定小灯泡的功率”实验，器材有：“2.5V”和“3.8V”两种规格的灯泡、滑动变阻器（20Ω  1A），电流表（0-0.6A和0-3A）和电压表（0-3V和0-15V）、开关、导线若干、电源（电压相等且保持不变）．请回答下列问题．

（1）用画笔线代替导线完成图1甲的实物电路连接，要求滑动变阻器的滑片P向右滑动时电流表的示数减小．
（2）为测出额定电压为3.8V小灯泡的额定功率，小明正确连接电路后，闭合开关移动滑片，直至电压表示数为灯泡的额定电压3.8V时，灯泡正常发光，此时电流表的示数如图1乙所示，则小灯泡的额定功率为1.14W．
（3）实验时，小明发现自己无法准确判断电压表指针是否指向3.8V，于是他又做了2次实验，每次实验都认为电压表示数最接近3.8V．并将这三次功率的计算结果取平均值得出灯泡的额定功率．你认为小明这样处理数据的方法是合理．（选填“合理”或“不合理”）．
（4）实验中，甲乙两组同学分别选用上述不同规格的小灯泡进行实验，调节滑片过程中电表示数都发生变化，当两组电路的灯泡都正常发光时，恰好电压表示数均为2.5V，电流表示数均为0.3A，并且甲组的灯泡比乙组的亮．小明发现，其中一组的电路连接有问题，造成这种现象的原因是电压表与滑动变阻器并联，由此可得出电源电压是6.3V；调节滑动变阻器的滑片，使两组电路中小灯泡两端的电压均为2.5V时，乙组灯较亮．（选填“甲组”或“乙组”）．
（5）小明继续实验，利用上述器材和两个阻值已知且大小不等的定值电阻R₁、R₂，设计了测量未知电阻R_x的四种实验电路（如图2）．由于电源电压未知，其中无法测出未知电阻R_x的是甲．

Answer 1

分析 （1）滑动变阻器串联在电路中，且要接一上一下，滑片向右移动时，电流表的示数变大，则滑动变阻器的电阻应减小；
（2）当灯泡两端电压为额定电压时，灯泡正常发光；根据图1乙确定电流表的量程、分度值以及指针的位置读出电流表的示数，然后根据P=UI求出小灯泡的额定功率；
（3）为能准确地测出小灯泡的额定电功率，可使灯泡两端的电压为额定电压，分别测出三组电流值，计算出电功率求平均值．
（4）灯泡额定电压一个是2.5V，一个是3.8V，当灯泡正常发光时电压表示数都是2.5V，则测额定电压为3.8V的灯泡功率时，电压表与滑动变阻器并联；
由于灯泡正常发光时的电流都是0.3A，则根据P=UI可知额定电压为2.5V的灯泡实际功率小，灯泡较暗，由题意知，甲组灯泡比乙组灯泡亮，则甲组使用的是3.8V的灯泡；
根据甲灯额定电压是3.8V，灯泡正常发光时滑动变阻器电压是2.5V，由串联电路特点可以求出电源电压．
由于灯泡正常发光时的电流都是0.3A，根据欧姆定律可知，额定电压为3.8V的灯泡阻值较大；根据P=$\frac{{U}^{2}}{R}$判断灯泡两端电压都为2.5V灯泡的亮度；
（5）要测量R_x的阻值，根据R=$\frac{U}{I}$可知，需知道被测电阻两端电压和通过的电流，据此分析．

解答 解：（1）滑动变阻器与灯泡串联，滑动变阻器的滑片P向右移动时，电流表的示数变小，则滑动变阻器的阻值增大，下面应接左边的接线柱，如图所示：

（2）正确连线后，闭合开关，移动滑片，直至电压表示数为灯泡的额定电压3.8V时，灯泡正常发光；
根据图乙可知，电流表的量程为0～0.6A，分度值为0.02A，示数为0.3A；
小灯泡的额定功率：P=UI=3.8V×0.3A=1.14W．
（3）要正确测量小灯泡的额定功率，可使灯泡两端的电压为额定电压，分别测出三组电流值，计算出电功率求平均值；
因为电压表无法准确显示3.8V的刻度，所以可通过小明的方法求平均值，这样比较合理．
（4）由于灯泡额定电压一个是2.5V，一个是3.8V，当灯泡正常发光时电压表示数都是2.5V，则测额定电压为3.8V的灯泡功率时，电压表测量变阻器两端的电压，即电压表与滑动变阻器并联；
由于灯泡正常发光时的电流都是0.3A，则根据P=UI可知额定电压为2.5V的灯泡实际功率小，灯泡较暗，
由题意知，甲组灯泡比乙组灯泡亮，则甲组使用的是3.8V的灯泡；
由上分析可知：甲灯正常发光时灯泡两端电压为额定电压3.8V，滑动变阻器两端电压为2.5V，则电源电压为3.8V+2.5V=6.3V．
由于灯泡正常发光时的电流都是0.3A，则根据R=$\frac{U}{I}$可知额定电压3.8V灯泡的阻值大；
调节滑动变阻器的滑片，使两组电路中小灯泡两端的电压均为2.5V时，根据P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可知额定电压2.5V的灯泡实际功率大，灯泡的亮度大，所以乙组灯较亮．
（5）甲图、将滑动变阻器接入电路的阻值最大，读出电压表的示数U₁，并根据欧姆定律求出电路中的电流I，再利用串联电路电压的特点求出被测两端电压为U-U₁，由于变阻器的阻值很大，所以U-U₁接近零，所以该电路无法测量未知电阻的阻值；
乙图、使滑动变阻器接入电路的阻值为零，此时被测电阻两端电压等于电源电压U，并读出电流表的示数I，则R_x=$\frac{U}{I}$，因此该电路可以测量出未知电阻的阻值；
丙图、当开关S拨至1时，读出电流表的示数为I，然后根据U=IR求出R₁两端电压，再利用串联电路电压的特点和欧姆定律的变形公式即可求出R_x的阻值，即R_x=$\frac{U}{I}$-R₁，因此该电路可以测量出未知电阻的阻值；
丁图、闭合开关，读出电压表的示数为U₁，然后根据欧姆定律求出电路中的电流，再利用串联电路电压的特点和欧姆定律的变形公式即可求出R_x的阻值，即R_x=$\frac{U-{U}_{1}}{\frac{{U}_{1}}{{R}_{1}}}$=$\frac{U-{U}_{1}}{{U}_{1}}$R₁，因此该电路可以测量出未知电阻的阻值．
故答案为：（1）见上图；（2）电压表示数为灯泡的额定电压3.8V；1.14；（3）合理；（4）电压表与滑动变阻器并联；6.3；乙组；（5）甲．

点评 本题考查了测量功率实验的原理、仪表测量对象、电流表读数以及功率的计算等；关键是求电源电压、比较灯泡亮度关系、比较灯泡实际功率大小，只有认真分析题意、应用串联电路规律、电功率公式才可以正确解题．还考查了利用电压表或电流表测未知电阻的阻值，本题难度较大，是一道难题，