Question

8．在“测量小灯泡的额定功率”实验中，所用灯泡上标有“3.8V”，且功率不大于2W字样，电源电压恒定．

（1）①如图甲所示电路连接有错，如果闭合开关，电压表的读数约为4.5V，电流表的读数约为0A；
②请在错误的那根导线上画“×”，并同时完成正确连接．
（2）开始实验，在移动变阻器滑片的过程中，眼睛应注视的电压表示数，直至灯泡正常发光，此时电流表的示数如图乙所示，则灯泡的额定功率为1.14W．
（3）实验的同学根据记录的数据，绘制了图丙所示的I-U关系的图象，从图象我们可以得出，在灯泡功率变大的同时，灯泡的电阻也同时变大（选填“变大”或“变小”）．
（4）完成上述实验后，小聪向老师要了一个已知阻值为R₀的电阻和一个单刀双掷开关，借助部分现有的实验器材，设计了如图丁所示的电路，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2（选填“1”或“2”），移动滑片，使电压表的示数为3.8V，记为U₁．
②再将开关S₂拨到触点1（选填“1”或“2”），并保持滑片的位置不变，读出电压表的示数U₂．
③灯泡额定功率的表达式为P_额=U₁×$\frac{{U}_{2}{-U}_{1}}{{R}_{0}}$．

Answer 1

分析 （1）①电压表串联在电路中，电流表并联在灯和变阻的两端，根据欧姆定律和分压原理作答；
②电压表应并联在灯的两端，电流表串联在电路中；
（2）灯在额定电压下的功率为额定功率，根据电流表小量程读出电流表的示数，由P=UI求灯的额定功率；
（3）运用作图法，比较电压和电流增加的快慢，根据欧姆定律求出电阻变化的特点；
（4）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U₁=3.8V，然后通过开关的转换，在电路的连接关系没有改变，各用电器的电压没有改变的前提下，用电压表测出正常工作的灯和定值电阻两端的电压U₂，根据串联电路电压的特点，求出便可求出定值电阻的电压，由欧姆定律求出电路中的电流，根据P=UI计算出灯泡的额定电功率．

解答 （1）①电压表串联在电路中，因其内阻很大，根据欧姆定律，电路中的电流几乎为0；根据分压原理，电压表分得了绝大部分电源电压，示数接近电源电压3×1.5V=4.5V；
②原电路中，电压表串联在电路中，电流表并联在灯和变阻的两端是错误的，电压表应并联在灯的两端，电流表串联在电路中，如下图所示；

（2）灯在额定电压下的功率为额定功率，所以，在移动变阻器滑片的过程中，眼睛应注视的电压表示数，直至电压表示数为3.8V灯泡正常发光；
在图乙中电流表小量程的分度值为0.02A，示数大小为0.3A，灯的额定功率P=UI=3.8V×0.3A=1.14W；
（3）在图丙的所示的I-U关系的图象上作出a、b两点电压U_a、U_b所对应的电流I_a、I_b，根据欧姆定律，a点对应的电阻大小Ra=$\frac{{U}_{a}}{{I}_{a}}$，由图可看出，电压U_b-U_a量大于电流I_b-I_a的量，即电压增加的要比电流增加的快，所以，R_b=$\frac{{U}_{b}}{{I}_{b}}$＞Ra=$\frac{{U}_{a}}{{I}_{a}}$，即从图象我们可以得出，在灯泡功率变大的同时，灯泡的电阻也同时变大；

（4）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3.8V（灯正常发光），记为U₁；
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U₂．
③因滑片的位置不变，电路的连接关系没有改变，各用电器的电压没有改变，所以在②中灯仍正常发光，根据串联电路电压的特点，定值电阻R0的电压U₀=U₂-U₁，通过其的电流大小I=$\frac{{U}_{2}{-U}_{1}}{{R}_{0}}$，根据串联电路电流的特点，即为灯正常发光的时的电流大小，所以灯的额定功率P=UI=U₁×$\frac{{U}_{2}{-U}_{1}}{{R}_{0}}$．
故答案为：（1）①4.5；0；②如上图1所示；
（2）电压；1.14；
（3）变大；
（4）①2；3.8；②1；③U₁×$\frac{{U}_{2}{-U}_{1}}{{R}_{0}}$．

点评 本题测量小灯泡的额定功率，考查故障的分析与判断、电路的连接、操作过程、额定功率的计算及设计实验方案的能力，最后一问难度较大，对能力要求较高．