Question

14．在进行电学实验的探究中：

（1）在“探究电流与电压的关系”过程中，三（2）班同学经过相互讨论，完成了实验方案的三次设计．
由图甲到图乙，改进的理由是保持电阻值一定；
由图乙到图丙，改进的理由是改变电阻两端电压．
（2）小华同学到实验室做“测定小灯泡额定功率”的实验中．被测小灯泡的额定电压为3.8V，电阻约为10Ω，实验室有如下器材：电源（电压为6V）、电流表（0～0.6A　0～3A）、电压表（0～3V　0～15V）、开关各一只，导线若干，滑动变阻器三只：R₁（5Ω 0.5A）、R₂（50Ω　0.5A）、R₃（500Ω　1A）．
同学们设计的电路如图所示：
?电压表应选用0～15V挡，滑动变阻器应选用R₂（选填“R₁”、“R₂”、“R₃”）；?实验电路接好后，合上开关时，部分同学发现电路出现故障，主要有下表所列的两种情况，请根据现象和检测结果指出故障的可能原因：

故障现象	检测	故障原因
灯泡较暗、两表的示数均较小	移动滑动变阻器滑片，现象不变
灯泡不亮、电压表示数较大、 电流表无示数	取下灯泡，两表的示数不变

?下表为某小组的实验记录分析表：

实验序号	电压表示数/V	电流表示数/A	功率/W	额定功率/W
1	3.0	0.36	1.08	P额=$\frac{1.08+1.52+1.89}{3}$=1.50
2	3.8	0.4	1.52
3	4.5	0.42	1.89

老师认为该小组数据处理过程有误，你认为错误之处是把功率的三个测量值的平均值当做额定功率，正确测量结果P_额=1.52W．

Answer 1

分析 （1）“探究电流与电压”实验，采用的研究方法是控制变量法．需要控制的物理量是电阻，变化的物理量是电压．
（2）①根据灯泡额定电压确定电压表量程；由灯泡的额定电压确定电压表的量程．灯泡与滑动变阻器串联在约为6V的电源上，灯泡正常工作时，求得滑动变阻器电压，求得灯泡正常工作时的电流，即滑动变阻器电流，根据R=UI计算需要的滑动变阻器的最小电阻．滑动变阻器最大电阻稍大于电路中需要的电阻．滑动变阻器允许通过的最大电流大于电路中的最大电流．
②灯泡不亮，灯泡断路、或灯泡短路，或灯泡之外电路断路；电流表无示数，说明电路存在断路；电压表示数较大，说明电压表与电源两端连接，电压表并联电路之外不存在断路，综合分析可知电路故障原因．
灯泡较暗、两表的示数均较小，说明电路电阻太大；移动滑动变阻器滑片，现象不变说明滑动变阻器不能改变电路电阻，即滑动变阻器全部接入电路．
③不同电压下灯泡的功率不同，灯泡在额定电压下的功率是灯泡的额定功率，不能把不同电压下的功率的平均值作为额定功率．

解答 解：（1）“研究电流与电压的关系，必须保持电阻值一定．小灯泡灯丝电阻受温度影响较大，如果两端电压发生改变，不仅电流发生变化，灯丝阻值也会改变，要保持电阻不变，应该使用定值电阻；
只进行一次实验，无法得出物理规律，所以应该在电阻一定时，改变电阻两端电压，因此需要在电路中串联一个滑动变阻器．
（2）①灯泡额定电压是3.8V，因此电压表应选0～15V量程；
灯泡正常发光时，电路电流约为I=$\frac{{U}_{额}}{{R}_{L}}$=$\frac{3.8V}{10Ω}$=0.38A，
滑动变阻器两端电压为：U′=U-U_L=6V-3.8V=2.2V．
所以滑动变阻器电阻为：R′=$\frac{U′}{I}$=$\frac{2.2V}{0.38A}$≈5.8Ω，所以滑动变阻器应选R₂（10Ω  0.5A）．
②灯泡不亮、电压表示数较大、电流表无示数，取下灯泡，两表的示数不变，故障原因是：灯泡断路．
灯泡较暗、两表的示数均较小，移动滑动变阻器滑片，现象不变，故障原因是：滑动变阻器同时接到下面两个接线柱．
③不同电压下灯泡的功率不同，灯泡在额定电压下的功率是灯泡的额定功率，取灯泡在不同电压下功率的平均值作为灯泡的额定功率是错误的．由表知，电压为额定电压3.8V时的功率是1.52W，即：额定功率是1.52W．
故答案为：
（1）保持电阻值一定；改变电阻两端电压；
（2）0～15V；R₂；灯泡断路；滑动变阻器同时接到下面两个接线柱；把功率的三个测量值的平均值当做额定功率；1.52．

点评 本题考查了滑动变阻器作用、电路故障分析、求灯泡的额定功率、连接电路图等问题，是实验的常考内容，要掌握；连接实物图时应注意：①电压表、电流表的正负极不要接反．②注意电压表、电流表的量程不要接错．③滑动变阻器的分压与限流接法，滑片移动时阻值的变化应符合题意要求．