Question

7．一只小灯泡的额定电压为2.0V，正常发光时的电阻约为8Ω．小明想测量这个小灯泡的额定功率，实验室中有如下器材：一个电压表、一个电流表、一个开关，电压为6V的电源，滑动变阻器有A规格：“10Ω 2A”、B规格：“30Ω 1A”可选．导线若干．

（1）本实验应该选择B（选填“A”或“B”）规格的滑动变阻器．
（2）请用笔画线代替导线，将图甲所示电路连接完整（要求滑片向左滑动时变阻器阻值变小）．
（3）小明在连接好电路的最后一根导线时，发现电压表指针立刻偏到最大刻度处，小灯泡却不亮，且电流表也没有示数，上述现象反映他在操作中存在的不规范之处是连接电路时，没有断开开关，出现上述故障的原因可能是灯泡断路．
（4）排除故障后，小明发现他很幸运，电压表并没有因此而损坏．小明便开始进行测量，调节滑动变阻器滑片位置直到电压表读数为2.0V，小灯泡正常发光，此时电流表示数如图乙所示，则该小灯泡的额定功率为0.52W．
（5）小东也做了同样的实验，闭合开关，移动滑动变阻器滑片P，发现当电压表示数变大时，电流表示数随之减小，原因可能是电压表并联在滑动变阻器的两端了；
（6）完成上述实验后，小明进行了反思，如果刚才电压表被损坏了，能不能换成其他的实验器材来完成实验呢，经过思考，他用了一个已知阻值为R₀的电阻和一个单刀双掷开关，借助部分现有的实验器材，设计了如图丙所示的电路，也测出了灯泡的额定功率，请完成下列实验步骤：
①闭合开关S₁，将S₂拨到触点“1”，移动滑片，使电流表的示数为$\frac{2V}{{R}_{0}}$；
②再将开关S₂拨到触点“2”，保持滑片的位置不动，读出电流表的示数I；
③灯泡额定功率的表达式为P_额=2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．（用已知量和测量量表示）

Answer 1

分析 （1）根据串联电路电压的规律，求出灯泡正常发光时滑动变阻器接入电路的阻值，确定变阻器的规格；
（2）根据滑片向左滑动时变阻器阻值变小确定变阻器的连接，由灯的额定电压确电压表量程与灯并联；
（3）连接电路时，开关要断开；若电流表示数为0，灯不亮，说明电路可能断路；电压表有示数，说明电压表与电源连通，则与电压表并联的支路以外的电路是完好的，则与电压表并联的灯泡断路了；
（4）由图示电流表确定其量程与分度值，读出其示数，然后由P=UI 求出灯泡额定功率；
（5）根据欧姆定律，结合串联电路的规律和分压原理确定电压表连接的位置；
（6）在没有电压表的情况下，测灯泡的额定功率，电流表和定值电阻应起到电压表的作用；当通定值电阻的电流为I=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{2V}{{R}_{0}}$时，定值电阻的电压为灯的额定电压；根据并联电路电压的规律，灯一定正常发光，在滑片位置不动的情况下，通过开关的转换使电流表测通过灯与定值电阻的总电流，根据各用电器的电阻和电压均不发生改变，通过定值电阻的电流不变，根据并联电路电流的规律可求出灯的额定电流，根据P_额=U_额I_额，写出灯的额定功率表达式．

解答 解：
（1）当灯泡正常发光时，滑动变阻器的电压：U_滑=U-U_L=6V-2V=4V，
根据分压原理可得：$\frac{{U}_{滑}}{{U}_{L}}$=$\frac{{R}_{滑}}{{R}_{L}}$，即$\frac{4V}{2V}$=$\frac{{R}_{滑}}{8Ω}$，
所以，变阻器连入电路中的阻值大小：R_滑=16Ω＞10Ω，
故选用B规格的变阻器；
（2）题中要求滑片向左滑动时变阻器阻值变小，则导线接变阻器的左下接线柱，把滑动变阻器与电流表串联接入电路，灯的额定电压为2V，电压表选用小量程并联在灯泡两端，实物电路图如下图所示：

（3）小明在连接好电路的最后一根导线时，发现电压表指针立刻偏到最大刻度处，小灯泡却不亮，且电流表也没有示数，上述现象反映他在操作中存在的不规范之处是连接电路时开关没有断开；
电流表示数为0，灯不亮，说明电路可能断路；电压表有示数，说明电压表与电源连通，则与电压表并联的支路以外的电路是完好的，说明与电压表并联的灯泡断路了；
（4）由图乙电流表可知，其量程为0～0.6A，分度值为0.02A，示数为0.26A，
则灯泡的额定功率：P=UI=2V×0.26A=0.52W；
（5）当电流表示数变小时，说明电路中的总电阻变大了，滑动变阻器接入电路的阻值增大，滑动变阻器的分压增大，而电压表的示数增大，这说明电压表并联在滑动变阻器的两端了；
（6）①闭合开关S₁，将S₂拨到触点“1”，移动滑片，当灯泡正常发光时，灯泡和R₀的电压均为2V，所以，应使电流表的示数为：I=$\frac{U}{{R}_{0}}$=$\frac{2V}{{R}_{0}}$；
②再将开关S₂拨到触点“2”，保持滑片的位置不动，读出电流表的示数I；
③在②中，电流表测灯与定值电阻的总电流，由于电路的连接关系没有改变，根据各用电器的电阻和电压均不发生改变可知，通过定值电阻的电流不变，
由并联电路电流的规律可得，通过灯的额定电流：I_L=I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$，
则灯泡额定功率的表达式为：P_额=U_额I_额=2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．
故答案为：（1）B；（2）如上图所示；（3）连接电路时，没有断开开关；灯泡断路；（4）0.52；（5）电压表并联在滑动变阻器的两端了；（6）①$\frac{2V}{{R}_{0}}$； ③2V×（I-$\frac{2V}{{R}_{0}}$）．

点评 本题测量这个小灯泡的额定功率，考查器材的选择、电路的连接、实验注意事项、故障和反常现象的分析、电功率的计算及设计实验方案的能力，综合性较强．