Question

19．小軍用如圖所示的電路探究“通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端電壓的關(guān)系”．
（1）小軍連接的電路有一處錯(cuò)誤，請(qǐng)只改動(dòng)一根導(dǎo)線，使電路連接正確（在應(yīng)改動(dòng)的導(dǎo)線上打“×”，用筆畫線代替導(dǎo)線畫出正確的接法）．
（2）小軍改正錯(cuò)誤后，在開關(guān)閉合前，滑動(dòng)變阻器的滑片應(yīng)放在最左（選填“右”或“左”）端．開關(guān)閉合后，發(fā)現(xiàn)電壓表無示數(shù)，電流表有示數(shù)，電路可能的故障是電阻R短路．
（3）圖乙時(shí)他解決故障后某次實(shí)驗(yàn)的電流表和電壓表示數(shù)，則小軍選擇的定值電阻是10Ω．若使電壓表的示數(shù)變大，小軍應(yīng)將滑動(dòng)變阻器的滑片向右（選填“左”或“右”）移動(dòng)．
（4）小軍進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)后，繪制了定值電阻的電流隨電壓變化的圖象（如圖丙所示）．正確的圖象是A（選填“A”或“B”）．
（5）小軍看到實(shí)驗(yàn)桌上有一個(gè)額定電壓為U的小燈泡，他想挑戰(zhàn)只用一只電流表測(cè)量該小燈泡的額定功率．小軍又找來一個(gè)已知阻值的定值電阻R₀和兩個(gè)開關(guān)S₁，S₂，設(shè)計(jì)了如圖丁所示的電路圖，請(qǐng)補(bǔ)全小軍的實(shí)驗(yàn)步驟．
①只閉合開關(guān)S和S₂（選填“S₁”或“S₂”），調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的滑片，使電流表的示數(shù)為$\frac{U}{{R}_{0}}$；
②只閉合開關(guān)S和S₁（選填“S₁”或“S₂”），保持滑動(dòng)變阻器的滑片位置不變，讀出此時(shí)電流表的示數(shù)為I；
③則小燈泡的額定功率的表達(dá)式為：P_額=U×（I-$\frac{U}{{R}_{0}}$）（用字母表示）．
（6）小軍又想探究“通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體電阻的關(guān)系”．他利用如圖戍所示的電路圖，選擇三個(gè)阻值分別為5Ω、10Ω、20Ω的定值電阻．規(guī)格為“10Ω 1A”的滑動(dòng)變阻器．若他想三次實(shí)驗(yàn)中控制電壓表的示數(shù)為2V不變，則電源電壓的選取范圍是2V～3V．

Answer 1

分析 （1）實(shí)驗(yàn)中應(yīng)將電壓表與電阻并聯(lián)；
（2）開關(guān)閉合前，應(yīng)將滑片移至最大阻值處；電流表有示數(shù)，應(yīng)排除斷路，電壓表無示數(shù)，故障可能是與電壓表并聯(lián)的電路短路；
（3）讀出電表的示數(shù)，根據(jù)R=$\frac{U}{I}$計(jì)算出電阻值；要使電壓表的示數(shù)變大，應(yīng)減小滑動(dòng)變阻器的阻值；
（4）電阻不變，電流與電壓成正比．
（5）根據(jù)并聯(lián)電路電壓相等的特點(diǎn)判斷燈泡正常發(fā)光時(shí)電流表的示數(shù)，根據(jù)并聯(lián)電路的電流特點(diǎn)得出燈泡發(fā)光時(shí)的電流值，得出電功率的表達(dá)式；
（6）根據(jù)最大的定值電阻來計(jì)算最大電壓值．

解答 解：
（1）圖中電壓表并聯(lián)在燈泡與滑動(dòng)變阻器的兩端了，應(yīng)將電壓表并聯(lián)在燈泡的兩端，這樣才能完成探究實(shí)驗(yàn)，改正后的實(shí)物圖如圖所示；

（2）圖中滑動(dòng)變阻器滑片右邊的電阻絲連入電路，為保護(hù)電路元件的安全，應(yīng)將滑片移至最左端，使其接入電路的阻值最大；
開關(guān)閉合后，電流表有示數(shù)，說明電路中沒有斷路故障；電壓表無示數(shù)，則可能是與電壓表并聯(lián)的電阻R短路；
（3）由圖乙知，電流表的量程為0～0.6A，分度值為0.02A，示數(shù)為0.24A；
電壓表的量程為0～3V，分度值為0.1V，示數(shù)為2.4V；
所以定值電阻的阻值為：R=$\frac{U}{I}$=$\frac{2.4V}{0.24A}$=10Ω；
要使電壓表的示數(shù)變大，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的特點(diǎn)可知，應(yīng)減小滑動(dòng)變阻器的電壓；由分壓原理可知，應(yīng)減小滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值，故應(yīng)將滑片向右滑動(dòng)；
（4）由于電阻R是定值電阻，所以，其電流與電壓成正比，故選A；
（5）①首先只閉合S和S₂，定值電阻與燈泡并聯(lián)后與變阻器串聯(lián)，此時(shí)電流表測(cè)量通過定值電阻R₀的電流；
當(dāng)燈泡正常發(fā)光時(shí)，由于并聯(lián)電路各支路兩端電壓相等，則定值電阻兩端電壓也為U；
所以，此時(shí)通過定值電阻R₀的電流為I₀=$\frac{U}{{R}_{0}}$，即當(dāng)電流表示數(shù)為$\frac{U}{{R}_{0}}$時(shí)，燈泡一定正常發(fā)光；
②只閉合S和S₁，電路仍然是定值電阻與燈泡并聯(lián)后與變阻器串聯(lián)，此時(shí)電流表測(cè)量干路電流；由于滑動(dòng)變阻器的滑片位置不變，燈泡仍正常發(fā)光，通過定值電阻的電流不變；
所以，燈泡的額定電流：I_額=I-I₀=I-$\frac{U}{{R}_{0}}$，
則燈泡的額定功率：P_額=U_額I_額=U×（I-$\frac{U}{{R}_{0}}$）；
（6）定值電阻兩端的電壓始終為2V不變，當(dāng)用20Ω定值電阻做實(shí)驗(yàn)時(shí)，滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值最大為10Ω時(shí)，此時(shí)滑動(dòng)變阻器兩端的電壓最大，電源電壓即為最大值．
根據(jù)分壓原理有：$\frac{R}{{R}_{滑}}=\frac{{U}_{R}}{{U}_{滑}}$，
所以滑動(dòng)變阻器的電壓：U_滑=$\frac{{R}_{滑}}{R}$×U_R=$\frac{10Ω}{20Ω}$×2V=1V，
則電源電壓的最大值為：U_總大=1V+2V=3V．
由上分析知，電源電壓的范圍是2V～3V之間．
故答案為：
（1）見上圖；（2）左；電阻R短路；（3）10；右；（4）A；
（5）①S₂；$\frac{U}{{R}_{0}}$；②S₁；③U×（I-$\frac{U}{{R}_{0}}$）；（6）3．

點(diǎn)評(píng) 本題涉及測(cè)量小燈泡電功率和探究通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體電阻的關(guān)系，考查了電路的連接、故障的分析與判斷、電表的讀數(shù)、電功率的計(jì)算及其測(cè)量電功率的特殊方法等等，有一定難度．