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甲、丙
成正比
匀速直线

0~15 V
$R_2$
滑动变阻器与导线连接的是下方两个接线柱
灯泡断路
【分析】
1. 第(1)问:小辉要探究摩擦力与接触面粗糙程度的关系,根据控制变量法,需控制压力大小不变,改变接触面粗糙程度。甲、丙两图中同一小车对接触面的压力相同,接触面粗糙程度不同,符合探究要求。
2. 第(2)问:根据表格中的数据,在坐标图中依次找出对应的压力和摩擦力的坐标点,再用平滑直线连接这些点即可得到关系图像。
3. 第(3)问:观察数据和绘制的图像,压力增大时摩擦力成比例增大,且图像过原点,可得出两者的定量关系。
4. 第(4)问:只有让小车做匀速直线运动,小车受到的拉力和摩擦力才是平衡力,大小相等,此时弹簧测力计的示数等于摩擦力大小,才能准确测量。
【解析】
(1) 小辉探究摩擦力与接触面粗糙程度的关系,需控制压力相同、改变接触面粗糙程度,甲、丙两图满足该条件,故应按甲、丙两图进行。
(2) 根据表格数据,在坐标图中描出点:(1.0, 0.4)、(1.5, 0.6)、(2.0, 0.8)、(2.5, 1.0)、(3.0, 1.2),用平滑直线连接各点(图像如参考答案所示)。
(3) 由图像可知,图像为过原点的倾斜直线,结合数据可得:在接触面粗糙程度一定时,摩擦力f与接触面受到的压力F成正比。
(4) 当小车做匀速直线运动时,拉力与摩擦力是一对平衡力,大小相等,能通过弹簧测力计示数得到摩擦力大小,故实验中应使小车做匀速直线运动。
【答案】
(1) 甲、丙
(2) (图像如参考答案所示)
(3) 在接触面粗糙程度一定时,摩擦力f与接触面受到的压力F成正比
(4) 匀速直线
【知识点】
1. 摩擦力的影响因素
2. 控制变量法
3. 二力平衡的应用
【点评】
本题是探究摩擦力影响因素的经典实验题,重点考查控制变量法的应用、二力平衡条件的运用以及数据分析与图像处理能力,帮助学生深入理解摩擦力的规律,提升实验探究素养。
【难度系数】
0.6
【分析】
(1) 电压表量程选择:被测灯泡额定电压为3.8V,大于电压表0~3V量程的最大值,因此需选用0~15V量程。滑动变阻器选择:先计算灯泡正常发光时的电流$I=\frac{U_{\mathrm{额}}}{R}\approx\frac{3.8\,\mathrm{V}}{10\,\Omega}=0.38\,\mathrm{A}$,此时滑动变阻器分担的电压$U_{\mathrm{滑}}=6\,\mathrm{V}-3.8\,\mathrm{V}=2.2\,\mathrm{V}$,所需滑动变阻器的电阻$R_{\mathrm{滑}}=\frac{U_{\mathrm{滑}}}{I}\approx\frac{2.2\,\mathrm{V}}{0.38\,\mathrm{A}}\approx5.79\,\Omega$。$R_1$最大阻值5Ω小于5.79Ω,无法满足分压需求;$R_3$阻值过大,调节不便;$R_2$最大阻值10Ω大于5.79Ω,且额定电流0.5A大于0.38A,符合要求,故选$R_2$。
(2) 故障分析:①灯泡不亮、电流表无示数、电压表示数为6V,说明电路断路,且电压表与电源连通,故故障为灯泡断路;②灯泡不亮、电流表有示数、电压表示数为0,说明电路通路但灯泡未正常工作,滑动变阻器接下方两个接线柱时,其阻值为0,灯泡两端电压过高(或电压表被短路),对应故障为滑动变阻器接下方两个接线柱。
(3) 额定功率是灯泡在额定电压下的功率,需用额定电压3.8V对应的电流计算,不能取不同电压下功率的平均值,根据$P=UI$可计算出额定功率为1.52W。
【解析】
(1) 灯泡额定电压为3.8V,超过电压表0~3V量程,因此电压表选用0~15V挡。
灯泡正常发光时电流:$ I = \frac{U_{\mathrm{额}}}{R} \approx \frac{3.8\,\mathrm{V}}{10\,\Omega} = 0.38\,\mathrm{A} $,滑动变阻器需分担电压:$ U_{\mathrm{滑}} = 6\,\mathrm{V} - 3.8\,\mathrm{V} = 2.2\,\mathrm{V} $,此时滑动变阻器阻值:$ R_{\mathrm{滑}} = \frac{U_{\mathrm{滑}}}{I} \approx \frac{2.2\,\mathrm{V}}{0.38\,\mathrm{A}} \approx 5.79\,\Omega $。
$ R_1 $最大阻值5Ω小于5.79Ω,无法满足分压要求;$ R_3 $阻值过大,调节不便;$ R_2 $最大阻值10Ω符合要求,且额定电流0.5A大于0.38A,故滑动变阻器选$ R_2 $。
(2) ①灯泡不亮、电流表无示数、电压表示数6V:电流表无示数说明电路断路,电压表有示数且等于电源电压,说明电压表与电源两极连通,故故障为灯泡断路;
②灯泡不亮、电流表有示数、电压表示数0:电流表有示数说明电路通路,电压表示数为0,说明滑动变阻器与导线连接的是下方两个接线柱,此时滑动变阻器阻值为0,灯泡两端电压过高(或电压表被短路)。
(3) 额定功率是灯泡在额定电压下的功率,应取额定电压3.8V时的功率,不能求平均值。由实验数据可知,额定电压下电流为0.4A,故$ P_{\mathrm{额}} = U_{\mathrm{额}}I = 3.8\,\mathrm{V} × 0.4\,\mathrm{A} = 1.52\,\mathrm{W} $。
【答案】
(1) 0~15 V;$ R_2 $
(2) 滑动变阻器与导线连接的是下方两个接线柱;灯泡断路
(3) 1.52
【知识点】
测定灯泡额定功率;电路故障分析;滑动变阻器的选择
【点评】
本题考查“测定灯泡额定功率”实验的器材选择、故障分析及数据处理,需结合欧姆定律分析器材规格,掌握电路故障的判断方法,明确额定功率的定义(仅为额定电压下的功率)。
【难度系数】
0.6