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$50\ \Omega\ \ 0.5\ \mathrm{A}$
0.32
0.8
由焦耳定律$Q=I^2Rt$可知,AP部分与PD部分通过的电流相同,通电时间相同,但AP部分的电阻比PD部分的电阻大,在AP部分所产生的电热多,故滑动变阻器AP部分比PD部分热
(1)12 Ω
(2)1 A
(3)0.98 W
【分析】
本题是测量灯泡额定功率的实验综合题,需结合电学规律逐步分析:
1. 第(1)题:先通过欧姆定律计算灯泡正常工作电流,再利用串联电路电压规律求出滑动变阻器两端电压,进而算出滑动变阻器所需最小阻值,对比器材规格选择合适的滑动变阻器;
2. 第(2)题:对照电路图分析实物连线,原实物图中导线连接导致电路不符合串联要求,需改正错误连线,使滑动变阻器与灯泡串联、电压表并联在灯泡两端;
3. 第(3)题:先确定电流表量程和分度值读取电流,再用额定电压与额定电流的乘积计算额定功率;
4. 第(4)题:结合焦耳定律,分析滑动变阻器不同部分的电流、电阻、通电时间的关系,解释发热差异的原因。
【解析】
(1) 选择滑动变阻器:
① 计算灯泡正常工作电流:由欧姆定律$I=\frac{U}{R}$得,$I_{额}=\frac{U_{额}}{R_{L}}=\frac{2.5\ \mathrm{V}}{8\ \Omega}\approx0.3125\ \mathrm{A}$;
② 串联电路中,滑动变阻器两端电压$U_{滑}=U-U_{额}=6\ \mathrm{V}-2.5\ \mathrm{V}=3.5\ \mathrm{V}$;
③ 计算滑动变阻器所需最小阻值:$R_{滑}=\frac{U_{滑}}{I_{额}}=\frac{3.5\ \mathrm{V}}{0.3125\ \mathrm{A}}=11.2\ \Omega>10\ \Omega$,因此选择规格为“$50\ \Omega\ \ 0.5\ \mathrm{A}$”的滑动变阻器。
(2) 实物电路纠错:
原实物图中,连接灯泡右端与滑动变阻器D接线柱的导线错误,在该导线上打“×”,将灯泡右端与滑动变阻器B接线柱相连,使滑动变阻器与灯泡串联,电压表并联在灯泡两端,正确连线参考参考答案图示。
(3) 计算灯泡额定功率:
① 电流表选用$0∼0.6\ \mathrm{A}$量程,分度值为$0.02\ \mathrm{A}$,由图(c)可知电流表示数为$0.32\ \mathrm{A}$;
② 额定功率:$P_{额}=U_{额}I_{额}=2.5\ \mathrm{V}×0.32\ \mathrm{A}=0.8\ \mathrm{W}$。
(4) 滑动变阻器发热差异的原因:
滑动变阻器AP部分(电阻丝)与PD部分(金属杆)串联,通过的电流$I$、通电时间$t$均相同,但AP部分电阻远大于PD部分电阻,根据焦耳定律$Q=I^2Rt$,电阻越大,相同时间内产生的热量越多,因此AP部分更热。
【答案】
(1) $\boldsymbol{50\ \Omega\ \ 0.5\ \mathrm{A}}$
(2) 如图所示(在连接灯泡与滑动变阻器D接线柱的导线上打“×”,将灯泡右端与滑动变阻器B接线柱相连)
(3) $\boldsymbol{0.32}$;$\boldsymbol{0.8}$
(4) $\boldsymbol{由焦耳定律Q=I^2Rt可知,AP部分与PD部分通过的电流相同,通电时间相同,但AP部分的电阻比PD部分的电阻大,产生的电热更多,故AP部分更热}$
【知识点】
1. 额定功率测量
2. 串联电路规律
3. 焦耳定律应用
【点评】
本题综合考查测量灯泡额定功率的实验操作与电学规律应用,涵盖器材选择、电路纠错、电表读数、功率计算等多个考点,对学生的实验能力和知识综合运用能力有一定要求,需熟练掌握串联电路特点、欧姆定律及焦耳定律的相关内容。
【难度系数】
0.6
【分析】
本题是电学综合题,需结合串并联电路规律、电功率公式和欧姆定律,分步骤分析每个问题:
1. 第(1)问:灯泡正常发光时,电压和功率为额定值,利用电功率推导公式$R=\frac{U^2}{P}$即可计算电阻,思路直接,只需代入额定参数。
2. 第(2)问:先明确初始连线的电路是R与滑动变阻器串联,图(c)是R的I-U图像;连接A、C后,R与L并联,滑片移到最左端时滑动变阻器阻值为0,电源电压直接加在并联电路两端。从图(c)读出R在6V时的电流,再结合灯泡额定电流,利用并联电路干路电流等于支路电流之和计算总电流。
3. 第(3)问:电路为R、L、滑动变阻器串联,先计算滑动变阻器的电压,再结合电源电压得到R与L的总电压;从图(c)找到电流为0.35A时R的电压,进而求出灯泡实际电压,最后用$P=UI$计算实际功率。
【解析】
(1) 灯泡正常发光时,额定电压$U_{额}=6V$,额定功率$P_{额}=3W$,根据电功率公式$P=\frac{U^2}{R}$,变形得灯泡正常发光时的电阻:
$R_L=\frac{U_{额}^2}{P_{额}}=\frac{(6V)^2}{3W}=12\Omega$
(2) 连接A、C后,滑片P移到最左端,滑动变阻器接入电阻为0,此时R与灯泡L并联在电源两端(电源电压为6V)。
由图(c)可知,当电压为6V时,通过R的电流$I_R=0.5A$;
灯泡正常发光,其额定电流$I_L=\frac{P_{额}}{U_{额}}=\frac{3W}{6V}=0.5A$;
根据并联电路电流规律,干路电流(电流表示数):
$I=I_R+I_L=0.5A+0.5A=1A$
(3) 当M、O、N分别与A、B、C相连时,R、L、滑动变阻器串联,电路电流$I'=0.35A$。
滑动变阻器两端的电压:$U_{滑}=I'R_{滑}=0.35A×2Ω=0.7V$;
R与L的总电压:$U_{总}=U-U_{滑}=6V-0.7V=5.3V$;
由图(c)可知,当电流为0.35A时,R两端的电压$U_R=2.5V$;
灯泡的实际电压:$U_L=U_{总}-U_R=5.3V-2.5V=2.8V$;
灯泡的实际功率:$P_L=U_LI'=2.8V×0.35A=0.98W$
【答案】
(1) $\boldsymbol{12\Omega}$
(2) $\boldsymbol{1A}$
(3) $\boldsymbol{0.98W}$
【知识点】
1. 电功率计算
2. 串并联电路规律
3. 欧姆定律应用
【点评】
本题属于电学综合题型,核心是准确分析电路结构,结合I-U图像获取关键数据,同时灵活运用电功率、欧姆定律公式。需注意金属电阻和灯泡的电阻随温度变化,其I-U图像为曲线,读取数据时要结合图像趋势准确对应。
【难度系数】
0.6