Question

9．小明按如圖所示電路圖做“測量燈泡的電功率”的實驗，實驗室可提供下列器材：
A．電流表
B．電壓表
C．滑動變阻器R_s（阻值0～20Ω）
D．電阻為5Ω的待測燈泡L（燈絲電阻不變）
E．電源（電壓4.5V）
F．開關(guān)S及導(dǎo)線若干
（1）小明按電路圖連接好電路后，閉合開關(guān)進行實驗，由于電路中某一處有故障，當(dāng)閉合開關(guān)時電壓表無示數(shù)，為查出電路故障，小明進一步觀察并檢查電路：
如果小明觀察到電流表無示數(shù)，則故障是滑動變阻器斷路；
如果小明觀察到電流表有示數(shù)，則故障是燈泡短路．
（2）排除以上電路故障，閉合開關(guān)后，電路工作，調(diào)節(jié)過程中，通過燈泡的最小電流為0.17A．
（3）小明所選電壓表的量程為0～15V、電流表的量程為0～0.6A、則閉合開關(guān)后，電路工作、調(diào)節(jié)過程中，燈泡的實際功率范圍為0.24W～1.5W．
（4）小明繼續(xù)進行實驗，為測量燈泡的額定功率（燈泡額定電壓為3V），他設(shè)計了如下表格．這張表格的設(shè)計是錯誤（正確/錯誤）的，理由是功率不能設(shè)計平均值．

次序	U/V	I/A	燈泡L亮度	P/W	平均值P平/W
1	1
2	2
3	3

Answer 1

分析 （1）由題意知，電源、開關(guān)、電壓表、電流表、導(dǎo)線及其連接都完好，不存在電路故障，電路只有一處故障，電路故障只能出現(xiàn)在燈泡或滑動變阻器處；如果電流表無示數(shù)，電壓表無示數(shù)，則可能是滑動變阻器斷路造成的，如果電流表有示數(shù)，電壓表無示數(shù)，可能是燈泡短路造成的；
（2）由電路圖可知，燈泡與滑動變阻器串聯(lián)，電壓表測燈泡兩端電壓，當(dāng)滑動變阻器阻值全部接入電路時，電路電流最小，由歐姆定律可以求出最小電流；
（3）電路電流最小時，燈泡電功率最小，由電功率公式P=I²R可以求出燈泡最小功率；當(dāng)燈泡電壓最大，等于電壓表最大示數(shù)時，燈泡功率最大，由電功率公式P=$\frac{{U}^{2}}{R}$可以求出燈泡的最大功率；
（4）燈泡兩端電壓增大，電流增大，功率增大，設(shè)計功率的平均值是錯誤的．

解答 解：（1）如果電流表無示數(shù)，則電路存在斷路，電路只有一處故障，故斷路位置可能是燈泡斷路或滑動變阻器斷路，如果燈泡斷路，電壓表與電源兩極相連，電壓表示數(shù)不為零，如果滑動變阻器斷路，電路中無電流，電壓表與電源兩極不能相連，則電壓表示數(shù)為零，由此可見：電路故障是滑動變阻器斷路；如果電流表有示數(shù)，電路不存在斷路，如果燈泡短路，則與燈泡并聯(lián)的電壓表示數(shù)為零，所以電路故障是燈泡短路；
（2）滑動變阻器接入電路的阻值為滑動變阻器最大阻值時，電路電流最小，
為I_最小=$\frac{U}{{R}_{L}+{R}_{最大}}$=$\frac{4.5V}{6Ω+20Ω}$≈0.17A；
（3）由題意知，流過電路的最小電流等于電流表量程的三分之一，為I_最小=$\frac{1}{3}$×0.6A=0.2A，
燈泡的最小功率P_最小=I_最小²R_L=（0.2A）²×6Ω=0.24W，當(dāng)燈泡兩端電壓等于電壓表最大值3V時，
燈泡功率最大，燈泡最大功率P_最大=$\frac{{{U}^{2}}_{最大}}{{R}_{L}}$=$\frac{（3V）^{2}}{6Ω}$=1.5W；則燈泡的功率范圍是0.24W～1.5W；
（4）燈泡電壓增大，電流增大，功率增大，設(shè)計功率的平均值一欄是錯誤的．
故答案為：（1）滑動變阻器斷路；燈泡短路；（2）0.17；（3）0.24；1.5；（4）錯誤；功率不能設(shè)計平均值．

點評 本題考查了求電路電流、燈泡電阻、電路故障分析等問題，電路故障有兩種：斷路或短路，分析電路故障時，要根據(jù)電路故障現(xiàn)象，綜合分析從而得出結(jié)論．