【分析】
这是一道伏安法测小灯泡电阻的综合实验题,解题思路可以分模块梳理:
1. 第一部分常规伏安法测L₁电阻:
① 连线时首先明确小灯泡额定电压为2.5V,所以电压表选0~3V量程并联在灯泡两端,滑动变阻器按“一上一下”串联接入电路,保证导线不交叉即可。
② 故障判断:电流表几乎不动说明电路大概率断路,电压表明显偏转说明电压表两端到电源两极通路,由此推导故障类型。
③ 读数计算:电流表选0~0.6A量程,读出对应电流值,用欧姆定律R=U/I代入额定电压计算正常发光电阻。
2. 第二部分特殊方法测L₂电阻:
② 要让额定电流为I₀的灯泡正常发光,首先闭合S、S₁断开S₂时,灯泡、滑变、R₀三者串联,利用串联电路电压规律,总电压减去R₀在电流为I₀时的分压,就是电压表需要显示的示数,此时电路电流恰好为I₀,灯泡正常发光。
③ 分别推导小明和小华后续操作的物理量关系:小明的操作可以直接得到滑动变阻器的分压,用之前灯泡和滑变的总电压减去滑变电压就能得到灯泡额定电压;小华的操作可以算出此时滑动变阻器的接入阻值,再结合灯泡正常发光时灯泡和滑变的总电阻,减去滑变电阻就能得到灯泡正常发光的电阻,由此判断两个方案是否都可行。
【解析】
(1) ① 电压表选择0~3V量程并联在小灯泡两端,滑动变阻器采用一上一下的方式串联接入电路,保证导线无交叉,连接结果见参考答案配图。
② 闭合开关后小灯泡不亮、电流表几乎无示数,说明电路发生断路;电压表指针明显偏转,说明电压表两端与电源正负极连通,因此故障为小灯泡断路。
③ 电流表选用0~0.6A量程,分度值为0.02A,示数为0.3A,根据欧姆定律可得小灯泡正常发光的电阻:$R=\frac{U_{额}}{I}=\frac{2.5\ \mathrm{V}}{0.3\ \mathrm{A}}\approx8.3\ \Omega$。
(2) ② 闭合$\mathrm{S}$、$\mathrm{S}_{1}$,断开$\mathrm{S}_{2}$时,$\mathrm{L}_{2}$、滑动变阻器、定值电阻$R_0$串联,电压表测$\mathrm{L}_{2}$和滑动变阻器的总电压;要让$\mathrm{L}_{2}$正常发光,电路电流需等于额定电流$I_0$,此时$R_0$两端的电压为$U_0=I_0R_0$,根据串联电路总电压等于各部分电压之和,电压表示数应为$U-U_0=U-I_0R_0$。
③ 小明方案:保持滑片不动,断开$\mathrm{S}_{1}$,闭合$\mathrm{S}$、$\mathrm{S}_{2}$,电压表测量滑动变阻器两端电压$U_2$,则$\mathrm{L}_{2}$的额定电压为$U_{额}=U-I_0R_0-U_2$,正常发光电阻$R_\mathrm{L}=\frac{U_{额}}{I_0}$,可求出结果,方案可行。
小华方案:保持滑片不动,闭合$\mathrm{S}$、$\mathrm{S}_{1}$、$\mathrm{S}_{2}$,$\mathrm{L}_{2}$被短路,滑动变阻器和$R_0$串联,电压表测量滑动变阻器两端电压$U_3$,$R_0$两端电压为$U-U_3$,由串联分压可得滑动变阻器接入阻值$R_P=\frac{U_3R_0}{U-U_3}$;$\mathrm{L}_{2}$正常发光时,$\mathrm{L}_{2}$和滑动变阻器的总电阻为$\frac{U-I_0R_0}{I_0}$,减去$R_P$即可得到$\mathrm{L}_{2}$正常发光的电阻,方案可行。因此两人方案都可行,选C。
【答案】
6. (1) ① 如图所示

② 断路 ③ 8.3
(2) ② $U-I_0R_0$ ③ C
【知识点】
伏安法测电阻,串联电路规律,电路故障分析
【点评】
本题从基础的伏安法测电阻切入,依次考察了电路连接、故障判断、欧姆定律计算,进一步延伸到缺电流表的特殊方法测电阻,需要学生灵活运用串联分压规律推导未知量,对逻辑推导能力有一定要求,区分度适中,能很好检验学生对测电阻类实验的掌握程度。
【难度系数】
0.5