【分析】
这道题是伏安法测量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 连线时要遵循伏安法电路规则:电流表串联在电路、电压表并联在L1两端,滑动变阻器按“一上一下”接入电路,保证导线不交叉,补全缺失的连线即可。
② 故障判断:灯泡不亮、电流表几乎不动,说明电路大概率是断路;电压表指针明显偏转,说明电压表两端可以连通到电源正负极,因此断路位置就是和电压表并联的灯泡处。
③ 电流表读数:图乙电流表接的是0~0.6A量程,分度值0.02A,读出电流值后用R=U额/I计算正常发光的电阻,保留一位小数即可。
2. 第二部分特殊方法测L2正常发光电阻:
② 闭合S、S1断开S2时,L2被短路,滑动变阻器R和定值电阻R0串联,要让后续电路中L2正常发光,需要先把电路电流调整到L2的额定电流I0,此时R0两端电压为I0R0,总电源电压为U,因此R两端的电压就是U-I0R0,也就是电压表示数需要调到这个值。
③ 评价两个方案:小明的操作中,保持滑片不动,断开S1闭合S2后,L2、R、R0三者串联,电压表测R的电压,结合之前已知的R的阻值,可以算出此时电路的电流,再结合总电源电压就能推导出L2的电阻;小华的操作中,保持滑片不动闭合所有开关,L2被短路,R和R0串联,电压表测R的电压,结合已知的R0可以算出R的准确阻值,再结合额定电流I0的条件,也能算出L2正常发光的电阻,因此两个方案都可行。
【解析】
(1) ① 伏安法测电阻的完整电路要求:滑动变阻器“一上一下”串联接入电路,将滑动变阻器上方任意一个接线柱与灯泡L1的右侧接线柱相连,保证电路通路,电压表并联在L1两端,电流表串联在电路中,连线不交叉即可。
② 闭合开关后灯泡不亮,电流表几乎无示数,说明电路发生断路;电压表明显偏转,说明电压表的两个接线柱可以连通到电源两极,因此故障是灯泡断路。
③ 电流表选用0~0.6A量程,分度值为0.02A,图乙中电流表示数为0.3A,根据欧姆定律,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S、S1,断开S2时,L2被短路,R与R0串联,要让电路电流等于L2的额定电流I0,此时R0两端电压为$U_0=I_0R_0$,根据串联电路电压规律,滑动变阻器R两端的电压即电压表示数为$U - U_0 = U - I_0R_0$。
③ 小明的方案:保持滑片不动,R的阻值不变,断开S1,闭合S、S2,此时L2、R、R0串联,电压表测量R两端的电压$U_1$,电路电流$I=\frac{U_1}{R}$,根据串联电路总电压规律$U=I(R_{L2} + R + R_0)$,代入$R=\frac{U-I_0R_0}{I_0}$,即可解出L2正常发光的电阻。
小华的方案:保持滑片不动,闭合S、S1、S2,L2被短路,R与R0串联,电压表测量R两端的电压$U_2$,根据串联电路分压规律$\frac{U_2}{R}=\frac{U-U_2}{R_0}$,可以算出R的准确阻值,再代入L2正常发光时的电流条件$I_0$,即可算出L2正常发光的电阻。因此两人的方案都可行,选C。
【答案】
(1) ①

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】
本题前半部分是常规伏安法测电阻的基础考点,后半部分是特殊方法测电阻的创新设计,需要学生熟练掌握串联电路的电压电流规律,灵活分析不同开关状态下的电路结构,对学生的电路分析能力有一定要求。
【难度系数】
0.65