例1:小華正在做“測量小燈泡的電功率”的實驗。 實驗室有以下設備:電源(電流恒定6V)、小燈泡(額定電流2.5V,鎢絲內阻約10Ω)、電流表和電流表開關,規格為R1:“10Ω1A”和R2“30Ω0.5A”滑動變阻器及數根導線。
(1)小花設計了如圖A所示的電路,她應選擇的滑動變量的大小為()(R1/R2)。 (2)連接好電路后,合上開關,發現小燈泡不亮。 此時,小花( )(can/)確定電路一定有故障。
(3)如果電壓表有指示,電流表無指示,故障原因可能是小燈泡( )(漏電/斷路)。
(4)確認電路正確后。 中國聯通滑動變阻器的滑動片處于不同位置測小燈泡的電功率的原理,小燈泡正常發光時的UI圖像如圖B所示。 燈泡的額定功率為( )W。
(5)在某次調節過程中,小花的滑動變阻器與電路相連的阻值減小了△R1,小燈泡的阻值變化了△R2,則△R1()(小于/大于/等于) △R2。
(6)同組小敏測量燈泡額定功率時,電流表損壞。 肖敏借助身邊的設備設計了如圖C所示的電路。 其中,電源電流始終為U,R的電阻值已知。
①合上開關S和滑動變阻器的()、()(調節/不調節)滑片,使電壓表讀數為2.5VR;
②閉合開關S和滑動變阻器的()、()(調節/不調節)滑塊,記錄電壓表讀數為I;
③小燈泡的額定功率表達式為:P量=()(用已知量符號表示)。
分析:(1)通過歐姆定理計算出燈的額定電壓,并根據串并聯電路定律和歐姆定理計算出燈正常點亮時連接電路的變阻器的最小電阻值,然后確定變阻器的尺寸;
(2)合上開關前將滑動變阻器的阻值調至最大。 如果燈泡不亮,首先檢查滑動變阻器的阻值是否太大,導致電壓太小,從而燈泡不亮;
(3)如果電壓表有指示,則可能是電壓為通路; 若電流表無指示,可能是小燈泡或電流表漏電;
(4)根據圖B找出額定電流對應的電壓,進而找出小燈泡的額定功率P=U和I; (5)連接到電路中的滑動變阻器的電阻減小測小燈泡的電功率的原理,電路中的電流減小,總內阻減小,結合圖B分析,此時燈泡的電阻減小,因此電阻滑動變阻器減少的電阻小于燈泡減少的電阻;
(6)測量燈泡的額定功率,應先使燈泡正常發光。 在沒有電流表的情況下,電壓表和定值內阻R起到電流表檢測的作用,所以先將R與電壓表串聯,然后將電壓表與燈并聯。 通過調節滑動變阻器的滑動片,當電壓表讀數為2.5V/R時,根據并聯電路的電流規律,燈的電流為2.5V,燈正常; 保持滑塊位置不變。 通過開關的轉換,電壓表測量出燈泡與R并聯的總電壓。由于電路的連接關系沒有改變,所以各內阻的大小和通過電壓保持不變,燈泡仍能正常發光。 根據并聯電路電壓定律,求得燈的額定電壓,然后根據P=UI寫出額定功率的表達式。
答:(1)小燈泡的額定電流約為2.5V,鎢絲內阻約為10Ω。 根據歐姆定律,燈泡的額定電壓約為I=U/R=2.5V1/0Ω=0.25A; 當燈正常點亮時,根據串聯電路定律和歐姆定理,連接到電路的變阻器的內阻約為:R滑=(U總U)/I=(6V2.5V)/0.25A = 14Ω > 10Ω,因此,選擇R2“30Ω0.5A”滑動變阻器;
(2)合上開關前,將滑動變阻器的阻值調到最大。 如果燈泡不亮,首先檢查滑動變阻器的電阻是否太大,導致電壓太小,從而燈泡不亮。 因此,小華不能確定電路一定有故障;
(3)如果電壓表有指示,則可能是電壓為通路; 若電流表無指示,可能是小燈泡或電流表漏電;
(4)由圖B可知,當小燈泡兩端電流為2.5V時,對應電壓為0.25A,則小燈泡的額定功率P=U=I=2.5V ×0.25A=0.625W;
(5)連接電路的滑動變阻器的電阻值減小,電路中的總電壓減小,總內阻減小。 結合圖B分析,當電壓降低時,燈泡的內阻也隨之降低。 根據R=R滑動+R發光,所以滑動變阻器減少的電阻小于燈泡減少的電阻,即△R1小于R2;
(6)①測量燈泡的額定功率,應先使燈泡正常發光,所以先合上開關S、S2,調節滑動變阻器的滑塊,使電壓表的讀數為0.25視/R。 根據定律和歐姆定理,此時燈的電流為2.5V,正常發光;
②閉合開關S、S1,保持滑塊位置不變。 通過開關的轉換,電壓表測量出燈泡與R并聯的總電壓。由于電路的連接關系沒有改變,所以各內阻的大小和通過電壓保持不變,燈泡仍能正常發光;
③根據并聯電路電壓定律,燈的額定電壓為I2.5V/R,小燈泡的額定功率表達式為:P=U=I=2.5V×(I2.5V/R )。
所以答案是:(1)R2; (2) 否; (3)泄漏; (4)0.625W; (5) 小于; (6)①S2、調整; ②S1,不調整; ③2.5V×(I2.5V/R)。