Question

11．小辉和小组的同学完成了下面的实验：

（1）如图甲所示：
（a）在探究“电流与电压关系”的实验中，滑动变阻器除保护电路外，还有改变定值电阻电压的作用，小辉同学连接好电流闭合开关发现电流表电压表都有示数，移动滑片当电流表示数增大时电压表的示数减小，则他在实验中连接电路时的问题是电压表并联在变阻器两端了．
（b）在探究“电流和电阻的关系”的实验中，定值电阻R₁由5Ω换成10Ω时，接下来滑动变阻器的滑片应向右（选填“左”或“右”）调节；若电源电压为6V，R₁的可选最大电阻为20Ω，为保证电阻R₁两端的电压为2V，那么滑动变阻器R₂阻值应不小于40Ω．若滑动变阻器的最大电阻值为50Ω，则所选取R₁的最大阻值为25Ω．
（2）他做完实验后，把定值电阻换成小灯泡，又完成了“测量额定电压是2.5V的小灯泡电功率”的实验，实验原理是P=UI，如图乙所示，他连接电路，闭合开关，改变滑动变阻器的阻值，记下各组对应的电压表和电流表的示数，并绘制了如图丙所示图象，根据图象可知小灯泡的额定电流是0.25A；额定功率是0.625W；灯丝的电阻是变化的（填“变化”或“不变”）．同组的李煜同学完成上述实验后，向老师要了一个已知阻值为R₀的定值电阻和一个单刀双掷开关，借助部分现有的实验器材，设计如图丁所示的实验电路，测出了小灯泡的额定功率，请你帮她完成下列实验步骤：
①连接好实验电路，闭合开关S₁，将开关S₂拨到触点2（选填“1”或“2”），移动滑片，使电压表的示数为2.5V．
②保持滑片的位置不动，再将开关S₂拨到触点1（选填“1”或“2”），读出电压表的示数为U．
③小灯泡额定功率的表达式为P_额=2.5V×$\frac{U-2.5V}{{R}_{0}}$（用已知量和测量量表示）．

Answer 1

分析 （1）（a）在探究“电流与电压关系”的实验中，为得出普遍性的结论要多次测量，据此分析变阻器的作用；
根据欧姆定律结合分压原理确定变阻器的电压变化回答；
（b）在探究“电流和电阻的关系”的实验中，应控制电压不变，先根据分压原理确定换上大电阻电压表示数的变化，再结合分压原理确定滑片移动的方向；
根据串联电路电压的规律、分压原理确定变阻器连入电路中的电阻与定值电阻大小关系分析求解；
（2）测功率的实验原理：P=UI；
根据图丙找到额定电压下的电流，根据P=UI求额定功率；由图象根据欧姆定律分析电阻的变化；
由丁图可知，没有电流表的情况下，利用定值电阻和电压表代替电流表与灯泡串联，首先使灯泡两端的电压等于2.5V，
然后测出此时定值电阻两端的电压，根据串联电路的规律和欧姆定律便可求出电路中的电流，根据P=UI计算出灯泡的额定电功率．

解答 解：（1）（a）在探究“电流与电压关系”的实验中，滑动变阻器除保护电路外，还有改变定值电阻电压的作用；
小辉同学连接好电流闭合开关发现电流表电压表都有示数，说明电路为通路，移动滑片当电流表示数增大时说明变阻器连入电路中的电阻减小，由分压原理，变阻器的电压减小，灯的电压增大，因灯的电压表的示数减小，则他在实验中连接电路时的问题是电压表并联在变阻器两端了；
（b）在探究“电流和电阻的关系”的实验中，应控制电压不变，当定值电阻R₁由5Ω换成10Ω时，
根据分压原理可知，其分得的电压增大；
根据串联电路电压的规律可知应增大滑动变阻器分得的电压，由分压原理，应增大滑动变阻器连入电路中的电阻，所以滑片应向右端移动，使电压表的示数不变；
 若电源电压为6V，R₁的可选最大电阻为20Ω，为保证电阻R₁两端的电压为2V，根据串联电路电压的规律，变阻器分得的电压U_滑=6V-2V=4V，根据分压原理，
滑动变阻器R₂阻值应不小于：
$\frac{4V}{2V}$×20Ω=40Ω；
同理，若滑动变阻器的最大电阻值为50Ω，则所选取R₁的最大阻值为：
$\frac{1}{2}$×50Ω=25Ω；
（2）他做完实验后，把定值电阻换成小灯泡，又完成了“测量额定电压是2.5V的小灯泡电功率”的实验，实验原理是P=UI；
并绘制了如图丙所示图象，根据图象可知小灯泡的额定电流是0.25A，
额定功率是：
P=UI=2.5V×0.25A=0.625W；
因图丙中电流与电压的变化关系为一曲线，U=IR，即R不是定值，灯丝的电阻是变化的；
①闭合开关S₁，将S₂拨到触点2，移动滑片，使电压表的示数等于灯泡额定电压2.5V；
②再将开关S₂拨到触点1，并保持滑片的位置不变，读出电压表的示数U．
③开关转换过程中，各电阻的电压不变，电路中电流不变，灯仍正常工作，根据串联电路电压的规律和欧姆定律，电路电流即通过灯的额定电流：
I=$\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}}=\frac{U-2.5V}{{R}_{0}}$，
灯泡额定功率的表达式为：
P_额=U_额I=2.5V×$\frac{U-2.5V}{{R}_{0}}$．
故答案为：（1）（a）改变定值电阻电压；电压表并联在变阻器两端了；（b）右；40；25；
（2）P=UI；0.25A；0.625；变化；①2；2.5；②1；③2.5V×$\frac{U-2.5V}{{R}_{0}}$．

点评 本题探究“电流与电压关系”的实验，考查变阻器的作用、反常现象的判断、操作过程及对器材的要求和控制变量法的运用，同时还考查了测功率的原理、计算、数据的处理及设计实验方案的能力，综合性强，有难度．