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灯泡两端的电压$U$、通过灯泡的电流$I$
$P=UI$
断开
右端
滑动变阻器的滑片
小于
等于
略大于
亮度
0.5
0.5
0.616

灯泡越亮,温度越高,灯丝的电阻就越大
加在灯泡两端的电压比额定电压小时,灯泡比正常发光时暗;加在灯泡两端的电压比额定电压稍大时,灯泡比正常发光时亮

【分析】
本题是测量灯泡额定功率和实际功率的实验题,需结合电功率测量原理、电路连接规范、滑动变阻器使用规则及实验操作逻辑逐一分析:
1. 对于(1),根据电功率的定义式,要测算功率必须获取电压和电流两个物理量,实验核心原理为$P=UI$;
2. (2)实物连接需依据灯泡额定电压选择电表量程,滑动变阻器遵循“一上一下”接线原则,严格对照电路图依次连接各元件;
3. (3)连接电路时开关断开是为了防止短路故障,闭合开关前滑动变阻器滑片需移至最大阻值处,结合电路图可判断滑片具体位置;
4. (4)实验中通过移动滑动变阻器滑片改变灯泡两端电压,分别测量小于、等于、略大于额定电压三种情况,同步观察灯泡亮度变化;
5. (5)额定功率是灯泡在额定电压下的功率,利用$P=UI$代入额定电压和对应电流计算即可;
6. (6)通过计算不同电压下的灯丝电阻,结合亮度变化,可分析出灯丝电阻与温度的关联;
7. (7)根据不同电压下灯泡的亮度和实际功率的对应关系,总结出电压、实际功率与亮度的规律。
【解析】
(1) 要测量灯泡的额定功率和实际功率,根据电功率公式$P=UI$,需要测量的物理量是灯泡两端的电压$U$和通过灯泡的电流$I$,实验原理为$\boldsymbol{P=UI}$。
(2) 实物连接:灯泡额定电压为2.5V,电压表选择0~3V量程;灯泡正常发光时电流$I=\frac{U}{R}=\frac{2.5V}{6Ω}≈0.42A$,电流表选择0~0.6A量程。从电源正极出发,依次连接开关、滑动变阻器(采用“一上一下”接线,如接左下和右上接线柱)、灯泡、电流表,回到电源负极;将电压表并联在灯泡两端,正接线柱接灯泡左端,负接线柱接灯泡右端(连接图参考题目给出的参考答案插图)。
(3) 连接电路时,开关$S$应断开,避免电路短路损坏元件;闭合开关$S$前,滑动变阻器的滑片应移至最大阻值处,由电路图可知,滑片移至最右端时,滑动变阻器接入电路的电阻丝最长,阻值最大。
(4) 闭合开关,移动滑动变阻器的滑片,分别使电压表示数小于、等于和略大于灯泡的额定电压,观察灯泡的亮度,读出对应电压表、电流表的示数。
(5) 灯泡的额定功率是额定电压2.5V下的功率,根据实验数据,当电压为2.5V时,对应电流为0.2A,代入公式得:$P_{额}=U_{额}I_{额}=2.5V×0.2A=0.5W$。
(6) 分析实验数据可知,灯泡越亮,灯丝的电阻越大;导致灯丝电阻变化的原因是灯泡越亮,灯丝温度越高,金属灯丝的电阻随温度升高而增大。
(7) 实验结论:当灯泡两端电压等于额定电压时,实际功率等于额定功率,灯泡正常发光;当灯泡两端电压小于额定电压时,实际功率小于额定功率,灯泡发光较暗;当灯泡两端电压略大于额定电压时,实际功率大于额定功率,灯泡发光较亮。
【答案】
(1) 灯泡两端的电压$U$、通过灯泡的电流$I$;$P=UI$
(2) 实物连接图见参考答案插图
(3) 断开;右端
(4) 滑动变阻器的滑片;小于;等于;略大于;亮度
(5) $\boldsymbol{0.5}$
(6) 大;灯丝的温度越高,电阻越大
(7) 当灯泡两端电压等于额定电压时,灯泡正常发光,实际功率等于额定功率;当电压小于额定电压时,灯泡较暗,实际功率小于额定功率;当电压略大于额定电压时,灯泡较亮,实际功率大于额定功率
【知识点】
电功率的测量;滑动变阻器的使用;影响电阻的因素
【点评】
本题全面覆盖了测量灯泡电功率实验的核心考点,包括实验原理、电路连接、实验操作规范、数据分析及结论总结,重点考查了滑动变阻器的作用、电功率公式的应用以及灯丝电阻与温度的特殊关系,是电学实验中的典型基础题型。
【难度系数】
0.6
【分析】
本题是“测量小灯泡电功率”的实验综合题,需结合电路连接、故障分析、实验操作、特殊方法测功率等知识点逐一突破,解题思路如下:
1. 第(1)问:根据实物电路连接规则,电流表要串联在电路中,且电流从正接线柱流入、负接线柱流出,补全未连接的导线。
2. 第(2)问:闭合开关前,滑动变阻器需调到最大阻值以保护电路,根据滑动变阻器的接线柱接入情况,判断最大阻值对应的滑片位置。
3. 第(3)问:结合故障现象(灯泡不发光、电压表示数为0),逐一分析猜想:若灯泡灯丝断了,电压表会串联测电源电压,示数不为0;若电流表有示数,说明电路是通路,故障为短路类。
4. 第(4)问:先读取电压表示数,与额定电压比较,根据串联分压原理,判断滑动变阻器滑片的移动方向,使灯泡两端电压达到额定电压。
5. 第(5)问:分析两个方案能否让小灯泡两端电压稳定在额定电压2.5V,结合串并联电路的电压、电流规律,判断是否能测量额定功率。
【解析】
(1) 实物电路连接:电流表需串联在电路中,将电流表的“0.6”接线柱与开关的右接线柱用导线连接,使电流路径为:电源正极→开关→电流表→滑动变阻器→灯泡→电压表→电源负极,形成完整通路,连接图参考参考答案中的示意图。
(2) 闭合开关前,滑动变阻器要调到最大阻值处。由图(a)可知,滑动变阻器接左下端A接线柱,滑片向右端移动时,接入电路的电阻丝最长,阻值最大,故滑片应移到右端。
(3) 故障分析:
若猜想②(灯泡灯丝断了)成立,电压表会串联在电路中测量电源电压,示数应接近电源电压,但题目中电压表示数为0,因此猜想②错误;
若电流表有示数,说明电路是通路,此时故障为①灯泡短路(灯泡短路后,电压表被短路,示数为0,电路通路,电流表有示数);若为③滑动变阻器断路,电路会断路,电流表无示数,因此电流表有示数时猜想①正确。
(4) 电压表使用0~3V量程,分度值0.1V,图(b)中示数为1.5V,小于灯泡额定电压2.5V。根据串联分压规律,要增大灯泡两端电压,需减小滑动变阻器的分压,即减小滑动变阻器接入的电阻,因此滑片向A端移动(滑片向A端移动,接入的电阻丝变短,电阻减小),直到电压表示数为2.5V。
(5) 方案分析:
图(c):开关接a时,R₀与滑动变阻器串联,调节滑片使R₀两端电压为2.5V时,灯泡两端电压也为2.5V,但保持滑片不动,开关接b时,电路变为灯泡与滑动变阻器串联,总电阻变化,滑动变阻器分压改变,灯泡两端电压不再是2.5V,无法保证灯泡正常发光,不能测量额定功率;
图(d):开关接a时测R₀两端电压,接b时测R₀与灯泡的总电压,无法通过调节滑片准确控制灯泡两端电压为2.5V,也不能测量额定功率。
因此两种方案都不能,选B。
【答案】
(1) 如图所示,连接电流表“0.6”接线柱与开关右接线柱;
(2) 右;
(3) ②;①;
(4) A;
(5) B。
【知识点】
1. 测量小灯泡的电功率
2. 电路故障分析
3. 串并联电路的电压、电流规律
【点评】
本题综合考查了“测量小灯泡电功率”实验的核心考点,涵盖电路连接、实验操作规范、故障排查、特殊方法测功率等内容,对学生的实验操作能力、电路分析能力要求较高,需要学生熟练掌握串并联电路规律及实验原理。
【难度系数】
0.35