检测小灯泡电功率的实验是热学最重要的实验之一,这个热学实验既涉及到电压表、电压表和滑动变阻器的使用,也涉及到欧姆定理、电功率、实验数据的处理等,知识的密度大、综合性强,是历年高考的热点。
例题某班朋友借助图1的电路图做“测定小灯泡额定功率”的实验。被测小灯泡的额定电流为3.8V,内阻约为10Ω。实验室有如下器材:电源(电流恒为6V)、电流表(0~0.6A0~3A)、电压表(0~3V0~15V)、开关各一只,导线若干,滑动变阻器三只:R1(5Ω0.5A)、R2(10Ω0.5A)、R3(500Ω1A)。
考点1:依照电路原理图联接导线,主要是将电压表、电压表、滑动变阻器等联接到电路中。
(1)a.用笔划线取代导线,将电路图2联接完整。
解析水表连入电路中时要注意选择合适的阻值,电压要“+”进“-”出。被测小灯泡的额定电流为3.8V,内阻约为10Ω,灯泡的额定电压约0.38A,电流表要选用15V的阻值;电压表要选用0.6A的阻值;滑动变阻器联接到电路中时要“一上一下”。这是联接导线的最重要考点。答案如图3所示。
b.滑动变阻器应选用(选填“R1”、“R2”、“R3”);在闭合开关前,滑动变阻器的滑片P应移至(选填“A”或“B”)端。这个实验滑动变阻器有两个作用,其二是,其一是。
c.某同事在测小灯泡额定电功率的实验中联接了如下左图所示的实物电路,其中有一根导线联接错误,请你在联接错误的导线上画“×”,并联接出正确的导线。
解析当灯泡正常发光时,滑动变阻器上分得的电流是:6V-3.8V=2.2V,通过变阻器的电压越为0.38A,滑动变阻器接入电路中的内阻约为2.2V/0.38A=5.8Ω。其实R1的内阻太小,R3的内阻太大,应选用R2。在闭合开关前,滑动变阻器的滑片应置于电阻最大的位置。
答案R2B保护电路改变电路中的电压(或灯泡两端电流)
考点2:判定电路故障。
(2)常见的故障及故障缘由剖析如下表。
故障
缘由
①闭合开关,电压表、电压表没有示数,小灯泡不发光
电路出现断路(或接触不良)
②闭合开关,电压表没有示数,电流表有示数,但小灯泡不发光
钨丝断了或灯泡接触不良
③移动滑动变阻器,电压表的示数减小,而电流表的示数减少
电流表并连接在滑动变阻器两端,而不是灯泡的两端
④闭合开关,电压表有示数,电流表没有示数,小灯泡不发光
灯泡漏电
⑤闭合开关,电压表示数很小,或几乎为0。灯泡不发光(或发光较暗),调节滑动变阻器小灯泡色温不变
滑动变阻器接线错误,接线时接到滑动变阻器下边两个接线柱,不能改变电路中的阻值
⑥闭合开关,电压表,电流表有示数,灯泡较亮,调节滑动变阻器小灯泡色温不变
滑动变阻器接线错误,接线时接到滑动变阻器前面两个接线柱电功率p等于什么,不能改变电路中的阻值
考点3:联通滑动变阻器,当灯泡两端的电流等于额定电流时,读出电压表的示数,估算额定功率。
(3)排除电路故障后,为了测出小灯泡的额定功率,应联通滑动变阻器,直到电流表的示数等于,此时电压表的示数如图4所示,则小灯泡的额定功率是。假如某次在做检测小灯泡的额定功率实验时,电流表示数为3V,应当向(选填“A”或“B”)联通滑片。
解析电流表的示数是额定电流3.8V时,通过灯泡的电压就是额定电压0.4A,则灯泡的额定功率P=UI=3.8V×0.4A=1.52W。按照串联分压规律可知,要使灯泡两端电流减小,滑变接入电路中的内阻须要减少,即滑片应当向电阻小的方向联通。
答案3.81.52A
考点4:处理实验数据
(4)某同事所在的小组对小灯泡进行了三次检测,实验数据如下表所示,她们取三次功率的平均值作为额定功率,这样做对吗?。倘若不对,这么进行三次检测的目的是哪些?。
实验序号
电流表示数/V
电压表示数/A
功率/W
额定功率/W
3.0
0.36
1.08
P额=
3.8
0.4
1.52
4.5
0.42
1.89
解析不对。用家电的功率反映用家电在特定电流下的工作状态,一个电流值对应一个工作状态,即一个功率,取功率的平均值无意义。在检测小灯泡的额定功率实验中,一般检测三次不同电流下的电功率,进行三次检测的目的不是为了减少偏差,而是通过多组实验数据归纳出灯泡两端的实际电压与实际功率(或照度)的关系。假如实验现象中有对灯泡照度的描述,还可以得出“灯泡的实际功率越大,灯泡的色温越大”的推论。
考点5:电流表的阻值太小不能直接检测灯泡的额定电流时,提出解决的办法。
(5)实验时若发觉电流表0~15V的阻值早已毁坏,但3V的阻值完好。为了使实验在不更换器材的情况下能继续完成,请你提出一个可行的办法及具体的操作细节:。
解析灯泡的额定电流为3.8V电功率p等于什么,而电流表0~15V的阻值早已损毁,只有0~3V的阻值可用,电源电流为6V,按照串联电路电流规律可知,灯泡两端的电流与滑动变阻器两端的电流之和等于电源电流6V,我们可以把电流表并联在滑动变阻器两端,用手联通滑片,双眼观察电流表,当电流表示数为6V-3.8V=2.2V时,说明灯泡两端的电流就是额定电流3.8V,此时灯泡正常发光,读出此时电压表的示数(假定为0.4A),按照P=UI=3.8V×0.4A=1.52W可求出灯泡的额定功率。
考点6:缺仪器变通测电功率,要求写出步骤和表达式。
(6)小宇朋友思索能不能只用一只水表测出小灯泡的电功率,他设计了下述四个电路图。图中的电源电流U保持不变,小灯泡的额定电流为U0,且U>U0,已知定值阻值的电阻为R。在不改变电路联接的情况下,下述四幅图中能测出小灯泡额定功率的是()
解析小灯泡的额定功率等于额定电流和额定电压的乘积,小灯泡的额定电流U0已知,可以通过调节滑动变阻器使灯泡两端电流达到额定电流,关键是看能够测出灯泡的额定电压。下边逐条解析:
A.S1、S2闭合,S3断掉时,电压表把灯泡漏电,灯泡不发光;S2断掉,S1、S3闭合时,电压表把内阻R漏电;S1、S2、S3都闭合或都断掉时,电压表均无示数,测不出灯泡的额定电压,不符合题意;
B.S1、S2闭合,S3断掉,灯泡和定值内阻R串联,电流表测电灯两端的电流,其下端为正接线柱、下端为负接线柱;S1、S3闭合,S2断掉,电流表测定值内阻R两端的电流,其下端为负接线柱,上端为正接线柱;电流表的两次接线方式相反,在不改变电路联接方法的情况下,电流表有一次表针会反偏,难以进行检测,故不合题意。
C.开关处于1的位置,电流表检测的是灯泡和内阻串联后的两端电流U;开关处于2的位置,电流表检测的是灯泡的两端电流,通过调节滑动变阻器的滑片使电流表示数为U0,灯泡正常发光,此时通过小灯泡的电压I=(U-U0)/R,小灯泡额定功率的表达式是P=U0I=U0(U-U0)/R,故符合题意。
D.开关处于1的位置,电压表把灯泡和内阻漏电,电压表检测滑动变阻器的电压;开关处于2的位置,电压表把小灯泡漏电,检测的是通过内阻R的电压.测不出灯泡的额定电压,故不符合题意。
答案C。
(7)在某次实验过程中,某小组在检测额定电流为3.8V的小灯泡的额定功率时,不慎破损电流表,而未能修备用电流表早已用完,老师给了她们她们一只10Ω的定值内阻和一只电压表,请你帮助她们设计电路,画出实验电路图,写出实验步骤和小灯泡额定电功率的表达式。
解析实验电路如图所示。
实验步骤:①闭合开关S,调节滑动变阻器滑片,使R0所在大道的电压表示数为0.38A;②读出灯泡所在大道电压表的示数I2;
小灯泡功率的表达式为P额=3.8V×I2(用字母表示)。
缺电流表或电压表的实验电路、步骤及表达式归纳如下:
一、缺电压表
已知U额
已知I额
实验步骤:
1.闭合S、S1,调节滑动变阻器滑片,使电流表示数为U额;
2.断掉S1,闭合S2,保持滑动变阻器滑片的位置不动,读出电流表示数为U1;
灯泡额定电功率表达式:P额=U额(U1-U额)/R0。
实验步骤:
1.闭合S、S1,调节滑动变阻器滑片,使电流表示数为U额;
2.断掉S1,闭合S2,保持滑动变阻器滑片的位置不动,读出电流表示数为U1;
灯泡额定电功率表达式:P额=U额(U1-U额)/R0。
二、缺电流表
已知U额
已知I额
实验步骤:
1.闭合S、S2,调节滑动变阻器滑片,使电压表示数为U额/R0;
2.断掉S2,闭合S1,保持滑动变阻器滑片的位置不动,读出电压表示数为I1;
灯泡额定电功率表达式:P额=U额(I1-U额/R0)。
实验步骤:
1.闭合S、S2,调节滑动变阻器滑片,使电压表示数为I额;
2.断掉S2,闭合S1,保持滑动变阻器滑片的位置不动,读出电压表示数为I1;
灯泡额定电功率表达式:P额=(I1-I额)R0I额。
检测小灯泡电功率、测量阻值是两个重要的热学实验,都有好多重要的考点。它们的电路图完全一样,但实验的原理与要求不同,我们要注意分辨。
该专题练习(略)。