Question

20．在“测量小灯泡的额定功率”实验中，已连接的部分电路如图甲所示．图中电源电压恒定，小灯泡上只能看到“2.5V 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，发现灯泡发光，电流表指示正常，电压表示数为0，产生这种现象的原因可能是电压表断路．
（3）故障排除后开始实验，调节滑动变阻器的滑片到某一位置时，电压表的示数如图乙所示，为了测量小灯泡的额定功率，应将滑片向右（填“左”或“右”）端移动，当小灯泡正常发光时，电流表的示数是0.28A，则小灯泡的额定功率为0.7W．
（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R₀的定值电阻（阻值适当）和两个开关，借助原有的实验器材，顺利完成了实验，要求电路只连接一次，请设计实验方案．
①在虚线框内画出实验电路图．
②简述实验步骤．（用相应的符号表示测出的物理量）
③写出灯泡额定功率的表达式P_额=2.5V×$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$（用已知量和测量量表示）．

Answer 1

分析 （1）根据灯的额定电压确定电压表量程，将电压表并联在灯的两端；
（2）在判断故障时，电压表的示数的变化很关键，若电压表有示数，说明电压表与电源是连通的，若无示数，说明电压表与电源之间有断路；
（3）根据电压表小量程读数，比较电压表示数大小与额定电压的大小，根据分压原理确定滑片移动的方向；根据P_额=U_额I求灯的额定功率；
（4）首先通过移动滑片使灯两端的电压为2.5V，使灯正常工作，所以应将电压表与灯并联；因没有电流表，所以电压表和定值电阻应起到电流表的作用，在保持滑片位置不变的情况下，通过开关的转换测算出定值电阻的电压，即可求出通过定值电阻的电流大小；将灯与定值电阻串联，灯正常工作时，通过定值电阻的电流大小就等于灯的电流；根据P_额=U_额I求出灯的额定功率．

解答 解：（1）灯的额定电压为2.5V，所以电压表选用小量程，将灯串联在电路中，电压表并联在灯的两端，如图所示；

（2）灯泡发光，电流表指示正常，说明电路是通路；电压表示数为0，则故障的原因可能是电压表断路了；
（3）电压表小量程分度值为0.1V，示数为2.2V，小于灯的额定电压，要使灯正常工作，需要增大灯的电压，减小变阻器的电压，根据分压原理，就要减小变阻器连入电路中的电阻大小，故滑片向右移动；
灯的额定电压为2.5V，当小灯泡正常发光时，电流表的示数是0.28A，灯的额定功率
P_额=U_额I_额=2.5V×0.28A=0.7W；
（4）①按上面的分析连接电路，如下图所示：


②只闭合S₁、S₃，移动变阻器的滑片使电压表示数为2.5V；
保持滑片的位置不动，断开S₃，闭合S₂，记下电压表的示数U_LR；
③在上面的操作中，当灯正常发光后，滑片的位置不动，开关的转换没有引起电路连接关系的改变，各用电器两端的电压不变，所以，定值电阻R0两端的电压为
U₀=U_IR-2.5V，通过其的电流大小I=$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$，根据串联电路电流的特点，通过灯的电流大小为I=$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$，所以，灯的额定功率P=UI=2.5V×$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$
故答案为：（1）如上图所示；
（2）电压表断路；
（3）右；0.7；
（4）①如上图所示；
②只闭合S₁、S₃，移动变阻器的滑片使电压表示数为2.5V；
保持滑片的位置不动，断开S₃，闭合S₂，记下电压表的示数U_LR；
③2.5V×$\frac{{U}_{LR}-2.5V}{{R}_{0}}$

点评 本题测量小灯泡的额定功率，考查电路的连接、故障的分析、操作的过程、功率的计算及设计实验方案的能力，综合性较强，有一定难度．