Question

11．在“测定小灯泡电阻”的实验中，提供如下实验器材：待测小灯泡1只（2.5V 0.7W），电源1个（电压恒为3V），电流表1个（量程0-0.6A或0-3A），电压表1个（量程0-3V或0-15V），滑动变阻器R₀（20Ω 1A）1个，开关、导线若干．
（1）小明同学连接线路后闭合开关，将变阻器滑片向右滑动时灯泡变暗，而电压表的示数增大．请你用笔画线代替导线，把图甲中的实物电路按小明的连接方式连接完整．
（2）电路连接好后，当电压表的示数为0.5V时，小灯泡将正常发光．
（3）小灯泡正常发光时，电流表和电压表均有示数．突然，电路发生故障，小灯泡熄灭，而电流表和电压表的示数均变大，则故障的原因是灯泡短路．
（4）实验时闭合开关，两表均有读数，若将小灯泡从灯座中取走，电压表无示数，电流表无示数（两空均选填“有”或“无”）．
（5）利用上述实验器材，不能完成下述实验中的B．（选填选项前的字母）
A．测量小灯泡的额定功率　　　　 B．探究电流与电压的关系
C．探究小灯泡的亮度与消耗功率的关系　　　 D．探究串联电路电压的特点
（6）小红同学想利用上述器材测量一未知电阻R_x（定值）阻值，但实验过程中不慎将电流表损坏，在不另外添加器材的情况下：
①为了测出R_x阻值，请你在图乙的虚线框中画出你所设计的实验电路图．
②闭合开关后，测得你所设计的电路图中电压表的示数为U，则R_x=$\frac{U×20Ω}{3V-U}$．

Answer 1

分析 （1）滑动变阻器滑片向右滑动时灯泡变暗，说明灯泡实际功率变小，灯泡电压变小，电路电流变小，滑动变阻器接入电路阻值变大，滑动变阻器两端电压变大，此时电压表示数变大，说明电压表与滑动变阻器并联，根据以上分析完成电路图的连接；
（2）灯泡在额定电压下正常发光，电压表测滑动变阻器电压，由串联电路电压规律可以测出电压表的示数；
（3）灯泡熄灭，可能是灯泡断路或断路或灯泡之外电路断路造成的；电流表示数变大，说明电路不存在断路，电路电阻变小，则电路故障是电路某处发生短路；电压表测滑动变阻器两端电压，电压表示数变大，说明滑动变阻器不可能短路，则电路故障为：灯泡短路；
（4）根据实验电路分析答题；
（5）根据各实验的原理与实验要求，逐一分析各实验，判断能进行哪个实验；
（6）电流表损坏，滑动变阻器最大阻值已知，可让电阻R与滑动变阻器串联，滑动变阻器阻值全部接入电路，用电压表测电阻R或滑动变阻器的电压，由串联电路特点、欧姆定律求出电阻阻值．

解答 解：（1）滑动变阻器串联接入电路，由题意及分析可知，电压表与滑动变阻器并联，滑动变阻器用左半部分电阻丝，滑动变阻器应接左下接线柱，电路图如图甲所示：

（2）灯泡电压等于其额定电压2.5V时，灯泡正常发光，此时滑动变阻器两端的电压为3V-2.5V=0.5V，电压表测滑动变阻器两端电压，电压表示数是0.5V；
（3）小灯泡熄灭，而电流表和电压表的示数均变大，则故障的原因是灯泡短路；
（4）实验时闭合开关，两表均有读数，若将小灯泡从灯座中取走，电路断路，电压表不能与电源两极相连，电压表无示数，电路断路，电路电流为零，电流表无示数．
（5）A、该电路能测出流过灯泡的电流，求出灯泡两端的电压，可以测量小灯泡的额定功率，不符合题意；
B、要探究电流与电压的关系，需要保持灯泡电阻阻值不变，但灯泡电阻随温度变化而变化，不是一个定值，该实验器材不能探究电流与电压的关系，符合题意；
C、移动滑动变阻器滑片，电路电阻发生变化，电路电流变化，灯泡电压发生变化，灯泡实际功率及亮度发生变化，该器材可以探究小灯泡的亮度与消耗功率的关系，不符合题意；
D、移动滑片，灯泡与滑动变阻器两端电压均发生变化，利用该器材可以探究串联电路电压的特点，不符合题意；故选B．
（6）电阻R与滑动变阻器串联接入电路，移动滑片使滑动变阻器阻值全部接入电路R_滑=20Ω，电压表与电阻R或滑动变阻器串联，闭合开关，读出电压表示数U，电路图如图乙所示；

则滑动变阻器两端电压U_滑=3V-U，电路电流I=$\frac{{U}_{滑}}{{R}_{滑}}$=$\frac{3V-U}{20Ω}$，电阻阻值R_X=$\frac{U}{I}$=$\frac{U}{\frac{3V-U}{20Ω}}$=$\frac{U×20Ω}{3V-U}$；
故答案为：（1）如图所示；（2）0.5；（3）灯泡短路；（4）无；无；（5）B；（6）如图所示；$\frac{U×20Ω}{3V-U}$．

点评 本题考查了设计实验电路、连接电路图、求电压表示数、求电阻等问题，（1）（6）设计、连接电路难度较大，知道实验原理、明确实验要求是正确解题的前提与基础．