Question

4．小明利用如圖甲所示的電路，實驗探究“保持電阻不變時，電流跟電壓的關系”．實驗器材：電源（電壓恒為4.5V）、電流表、電壓表各一只，一個開關，一個定值電阻，一只滑動變阻器，導線若干．

（1）請根據(jù)圖甲所示的電路圖，用筆畫線代替導線把圖乙所示的實物電路連接完整．
（2）小明在閉合開關S后，發(fā)現(xiàn)電壓表指針反向偏轉，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：電壓表正負接線柱接反了．
（3）小明通過實驗得到多組實驗數(shù)據(jù)，由這些數(shù)據(jù)畫出如圖丙所示的圖象，由圖象可得結論：保持電阻不變時，電流與電壓成正比．
（4）若電流表損壞，請你利用余下實驗器材，測量一個額定電壓為2.5V的小燈泡的額定功率（燈絲的電阻會隨溫度變化），并把如下的實驗步驟補充完整．
①在原實驗電路中，斷開開關S，拆去電流表，用小燈泡替換定值電阻，重新連接好電路，并移動滑片P至B（選填“A”或“B”）端；
②閉合開關S，移動滑片P，直至電壓表的示數(shù)為2.5V時，小燈泡正常發(fā)光；
③保持滑片P的位置不變，斷開開關，用定值電阻替換小燈泡，閉合開關，讀出電壓表的示數(shù)U；（補全實驗步驟）；
④小燈泡的額定功率的表達式P_額=$\frac{U}{（4.5V-U）}×1W$．（用數(shù)據(jù)和測量的物理量符號表示）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)電路圖連接實物電路圖；
（2）電表正負接線柱不要接反，否則指針將反向偏轉；
（3）分析圖示圖象，然后得出結論；
（4）首先通過移動滑片使燈正常發(fā)光，為測量此時變阻器連入電路中的電阻大小R_滑，保持滑片的位置不動，斷開開關，用定值電阻替換小燈泡，讀出電壓表的示數(shù)U（在沒有電流表的情況下，電壓表與定值電阻應起到電流表的作用），可求出電路中的電流，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的特點和歐姆定律求出R_滑，因變阻器連入電路中的阻值大小不變，在②操作的電路中，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的特點和歐姆定律可求出電路中的電流大小，即燈正常工作時的電流大小，根據(jù)P_額=U_額I_額，寫出額定功率的表達式．

解答 解：（1）把電流表串聯(lián)接入電路，根據(jù)電路圖連接實物電路圖，如下圖所示：

（2）閉合開關S后，電壓表指針反向偏轉，這是由于電壓表正負接線柱接反了造成的；
（3）由圖丙所示圖象可知，U-I圖象是一條傾斜的直線，R=$\frac{U}{I}$，由此可得：電阻保持不變時，電流與電壓成正比；
（4）①斷開開關S，拆去電流表，用小燈泡替換定值電阻，重新連接好電路，并移動滑片P至B端；
②閉合開關S，移動滑片P，直至電壓表的示數(shù)為燈泡額定電壓2.5V時，小燈泡正常發(fā)光；
③保持滑片P的位置不變，斷開開關，用定值電阻替換小燈泡，閉合開關，讀出電壓表的示數(shù)U；
④由圖丙所示圖象可知，定值定值阻值R=$\frac{U}{I}=\frac{2V}{0.4A}$=5Ω，在第③操作中，通過定值電阻的電流大小
I′=$\frac{U}{{R}_{定}}=\frac{U}{5Ω}$，即為通過變阻器的電流大小，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的特點，此時變阻器的電壓U_滑=4.5V-U，
所以變阻器連入電路中的阻值大小R_滑=$\frac{{U}_{滑}}{I′}=\frac{4.5V-U}{I′}$=$\frac{4.5V-U}{U}×5Ω$；
在②操作的過程中，因燈正常發(fā)光，所以，變阻器的電壓U′_滑=4.5V-2.5V=2V，此時通過變阻器的電流即燈正常發(fā)光時的電流I_額=$\frac{{U′}_{滑}}{{R}_{滑}}=\frac{2V}{（4.5V-U）×\frac{5Ω}{U}}=\frac{2VU}{（4.5V-U）×5Ω}$，所以燈的額定功率：
P_額=U_額I_額=2.5V×$\frac{2VU}{（4.5V-U）×5Ω}$=$\frac{U}{（4.5V-U）}×1W$．
故答案為：
（1）連接如上圖所示；
（2）電壓表正負接線柱接反了；
（3）電流跟電壓成正比；
（4）①B；②2.5；③保持滑片P的位置不變，斷開開關，用定值電阻替換小燈泡，閉合開關，讀出電壓表的示數(shù)U；④$\frac{U}{（4.5V-U）}×1W$．

點評 探究“保持電阻不變時，電流跟電壓的關系和測量燈的額定功率兩個實驗，考查電路的連接、反常現(xiàn)象的分析處理、分析數(shù)據(jù)歸納結論的能力及在沒有電流表設計測量燈的額定功率的實驗方案的能力，（4）難度大，綜合性強，求變阻器連入電路中的電阻大小是關鍵．