Question

18．在“测量小灯泡的额定功率”实验中，已连接的部分电路如图a所示．图中电流、电压恒定，小灯泡上只能看到“3.8V”字样．
（1）请你用笔画线代替导线，将图中的实物电路连接完整．

（2）正确连接实验电路后，开关试触时，发现灯泡不亮，电流表无示数，电压表有示数．其故障原因可能是：小灯泡短路．
（3）故障排除后开始实验，当变阻器滑片滑到图示位置时，电压表的示数为3.0V．接着应将滑片向右滑动，直至灯泡两端电压为额定电压，此时电流表的示数如图b所示．则灯泡的额定功率为1.52W．
（4）实验时某小组学生发现电流表损坏，他们想设计一个不用电流表测定该小灯泡额定功率的实验．于是向老师要了一个阻值为凡的定值电阻（阻值适当）和一个单刀双掷开关（符号为：），借助原有的实验器材，顺利完成了实验．假如由你来做该实验，要求电路只连接一次，请设计实验方案．
①在图c虚线框内画出实验电路图．
②简述实验步骤：a．根据电路图连接实物电路，将滑动变阻器的滑片P调至最大；
b．闭合开关S₁、S₂接1，调节滑动变阻器的滑片P，直至电压表的示数达到3.8V为止；
c．滑动变阻器的滑片不动，开关S与b相连，读出电压表的示数U．（用相应的字母表示测出的物理量）
③写出灯泡额定功率的表达式P_额=$\frac{3.8V×（U-3.8V）}{{R}_{0}}$（用已知量和测量量表示）．

Answer 1

分析 （1）滑动变阻器串联在电路中，且按“一上一下”的方式接入电路，
根据小灯泡的额定电压选择电压表的量程，并将其与小灯泡并联，注意正负接线柱；
（2）电流表没有示数，说明电路是断路，电压表有示数，说明与电压表串联的电路是通路．
（3）根据电路图判断滑片的移动方向；由图示电流表读出其示数，然后由P=UI求出灯泡功率；
（4）实验器材中没有电流表，只有电压表和定值电阻，可根据串联电路的电流特点设计电路，即灯泡与定值电阻、滑动变阻器串联组成电路，
利用电压表分别测出灯泡和定值电阻两端电压以及灯泡两端的电压，调节滑动变阻器使灯泡两端的电压达到额定电压，然后测出定值电阻和灯泡两端的电压，
根据串联电路的电流的特点和欧姆定律求出电路中的电流即为灯泡的额定电流，利用P=UI表示出灯泡的额定功率．

解答 解：（1）滑动变阻器要按“一上一下”的方式串联接入电路，由于滑动变阻器的右下接线柱已接入电路，故只需将滑动变阻器上面任一接线柱与小灯泡的右接线柱连接，
小灯泡的额定电压为3.8V＞3V，所以电压表选择0～15V的量程，故将电压表的“15”接线柱与小灯泡的右接线柱连接，如图所示：

（2）小灯泡不亮，电流表无示数，说明电路存在断路；电压表有示数，说明与电压表并联的电路出现断路，即小灯泡断路．
（3）电压表示数为3.0V小于灯泡额定电压，为测灯泡额定电压，由图a可知，应向右移动滑片，减小变阻器连入阻值，
以减小变阻器分得电压，从而使使电压表示数等于灯泡额定电压3.8V；
由图a可知，电流表选择的量程为0～0.6A，其分度值为0.02A，示数为0.4A，
则小灯泡额定功率：P=UI=3.8V×0.4A=1.52W．
（4））①实验需要测出灯泡两端电压与通过灯泡的电流，可以把灯泡与定值电阻串联，测出定值电阻两端电压，
由欧姆定律求出通过定值电阻的电流，由于灯泡与定值电阻串联，可以求出通过灯泡的电流，然后由P=UI求出灯泡额定功率，实验电路图如图所示：

②实验步骤：a、根据电路图连接实物电路，将滑动变阻器的滑片P调至最大；
b、闭合开关S₁，S₂接1，调节滑动变阻器，使电压表示数为3.8V；
c、保持滑动变阻器滑片位置不变，S₂接2，读出电压表示数U．
③根据串联电路电压特点可知，定值电阻R₀两端的电压：
U₀=U-U_额=U-3.8V，
根据串联电路电流特点可知，通过小灯泡的电流：
I=I₀=$\frac{{U}_{0}}{{R}_{0}}$=$\frac{U-3.8V}{{R}_{0}}$，
则小灯泡额定功率：P=U_额I=3.8V×$\frac{U-3.8V}{{R}_{0}}$=$\frac{3.8V×（U-3.8V）}{{R}_{0}}$．
故答案为：（1）见上图；
（2）小灯泡断路；
（3）右；1.52；
（4）①见上图；
②a．根据电路图，连接实物，将滑动变阻器的滑片P调至最大；
b．闭合开关S₁、S₂接1，调节滑动变阻器的滑片P，直至电压表的示数达到3.8V为止；
c．滑动变阻器的滑片不动，开关S与b相连，读出电压表的示数U；
④$\frac{3.8V×（U-3.8V）}{{R}_{0}}$．

点评 本题考查了连接实物电路图、实验电路故障分析、实验操作、电表读数、求灯泡功率及实验设计等知识，对电表读数时要先确定其量程与分度值，然后再读数，读数时视线要与电表刻度线垂直；
最后一问的实验设计是本题的难点，知道实验原理、应用串联电路特点与欧姆定律即可正确解题．