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电阻
无法使用控制变量法


$\mathrm{L}_{1}$断路
$\mathrm{L}_{1}$
电阻
时间
【分析】
1. 第(1)问:电流做功与电压、电流、通电时间有关,探究时需用到控制变量法。观察图甲,灯泡与滑动变阻器串联,移动滑片时,灯泡的电压和电流会同时改变,无法控制其中一个变量保持不变,不能单独探究电流做功与某一个因素的关系,因此不适合选甲电路。
2. 第(2)问:研究电流做功与电压的关系,要控制电流和通电时间相同,改变电压。串联电路中电流处处相等、通电时间相同,不同灯泡电阻不同则两端电压不同,丙图为串联电路,符合控制变量的要求;乙图是并联电路,电压相同、电流不同,适用于探究电流做功与电流的关系,因此选丙图。
3. 第(3)问:丙图中两灯都不亮,说明电路是断路故障(若为短路,至少有一个灯发光)。电压表$\mathrm{V}_{1}$有示数,说明$\mathrm{V}_{1}$与电源两极连通;电压表$\mathrm{V}_{2}$无示数,说明$\mathrm{V}_{2}$与电源两极不连通,结合电路可知,故障为$\mathrm{L}_{1}$断路(若$\mathrm{L}_{2}$断路,$\mathrm{V}_{2}$会显示电源电压,与现象不符)。
4. 第(4)问:测额定功率需让灯泡两端电压等于额定电压。先计算两灯的额定电流和电阻:$\mathrm{L}_{1}$的额定电流$I_{1}=\frac{P_{1}}{U_{1}}=0.5\mathrm{A}$,电阻$R_{1}=24\Omega$;$\mathrm{L}_{2}$的额定电流$I_{2}\approx0.67\mathrm{A}$,电阻$R_{2}=9\Omega$。串联电路电流处处相等,电路最大电流不能超过$0.5\mathrm{A}$(否则$\mathrm{L}_{1}$会损坏),此时$\mathrm{L}_{1}$电压为额定电压$12\mathrm{V}$,能正常发光;而$\mathrm{L}_{2}$的电压为$4.5\mathrm{V}$,达不到额定电压,因此只能测出$\mathrm{L}_{1}$的额定功率。
【解析】
(1) 探究电流做功的影响因素需用控制变量法,图甲中滑动变阻器滑片移动时,灯泡的电压和电流同时改变,无法控制单一变量,无法单独探究电流做功与某一因素的关系,因此不选择图甲电路。
(2) 研究电流做功与电压的关系,需控制电流和通电时间相同、改变电压。丙图中两灯泡串联,电流和通电时间相同,两灯电阻不同则两端电压不同,满足控制变量的要求,因此选丙图。
(3) 丙电路中两灯都不亮,说明电路断路:
电压表$\mathrm{V}_{1}$有示数,说明$\mathrm{V}_{1}$与电源两极连通;
电压表$\mathrm{V}_{2}$无示数,说明$\mathrm{V}_{2}$与电源两极不连通,因此故障为$\mathrm{L}_{1}$断路。
(4) 计算两灯的额定电流和电阻:
$\mathrm{L}_{1}$:$I_{1}=\frac{P_{1}}{U_{1}}=\frac{6\mathrm{W}}{12\mathrm{V}}=0.5\mathrm{A}$,$R_{1}=\frac{U_{1}^{2}}{P_{1}}=\frac{(12\mathrm{V})^{2}}{6\mathrm{W}}=24\Omega$;
$\mathrm{L}_{2}$:$I_{2}=\frac{P_{2}}{U_{2}}=\frac{4\mathrm{W}}{6\mathrm{V}}\approx0.67\mathrm{A}$,$R_{2}=\frac{U_{2}^{2}}{P_{2}}=\frac{(6\mathrm{V})^{2}}{4\mathrm{W}}=9\Omega$。
两灯串联,电路允许的最大电流为$0.5\mathrm{A}$:
当电流为$0.5\mathrm{A}$时,$\mathrm{L}_{1}$两端电压等于额定电压$12\mathrm{V}$,能正常发光,可测其额定功率;
此时$\mathrm{L}_{2}$两端电压$U_{2}'=I_{1}R_{2}=0.5\mathrm{A}×9\Omega=4.5\mathrm{V}<6\mathrm{V}$,无法达到额定电压,不能测其额定功率。
因此能测出$\mathrm{L}_{1}$的额定功率。
【答案】
(1) 无法使用控制变量法
(2) 丙
(3) $\mathrm{L}_{1}$断路
(4) $\mathrm{L}_{1}$
【知识点】
1. 电流做功的影响因素
2. 控制变量法的应用
3. 电路故障分析
【点评】
本题综合考查了电流做功影响因素的探究、电路故障分析、额定功率的测量,需熟练掌握控制变量法的应用、串联电路的特点以及电功率的相关计算,对电路分析能力和计算能力有一定要求。
【难度系数】
0.6
【分析】
首先利用控制变量法分析实验变量:
a. 实验①和②中,导体电阻均为$R_1=5\Omega$,通过的电流均为1A,仅通电时间不同(100s和200s),煤油升温不同说明产生热量不同,因此需控制电流和电阻相等,探究热量与通电时间的关系。
b. 探究热量与电流大小的关系时,需控制电阻和通电时间相同、改变电流。实验②中电阻5Ω、电流1A、时间200s,实验③中电阻$R_2=5Ω$、电流0.5A、时间200s,符合控制变量要求。计算$R_2$产生的热量时,代入焦耳定律公式即可求解。
【解析】
a. 实验①和②中,导体的电阻、通过的电流均相等,只有通电时间不同,且通电时间越长,煤油升高的温度越高,说明导体产生的热量越多。因此得出结论:当通过导体的电流和导体的电阻相等时,导体产生的热量与通电时间有关。
b. 要探究导体产生的热量与电流大小的关系,需控制电阻和通电时间相同,改变电流大小。实验②和实验③中,电阻均为5Ω、通电时间均为200s,电流分别为1A和0.5A,符合控制变量条件,故比较实验②和③可知导体产生的热量与电流大小有关。
根据焦耳定律$Q=I^2Rt$,将$I=0.5A$,$R=5\Omega$,$t=200s$代入得:
$Q=(0.5A)^2×5\Omega×200s=0.25×5×200J=250J$
【答案】
a. 电阻;时间
b. ③;250
【知识点】
电流的热效应;焦耳定律;控制变量法
【点评】
本题聚焦电流热效应的探究实验,核心考查控制变量法的应用及焦耳定律的计算,要求学生能准确识别实验中的变量与不变量,熟练运用公式进行定量计算。
【难度系数】
0.6