Question

19．以下是某班開展“制作模擬調光燈”綜合實踐活動的片段，根據題意回答或者解決有關問題．實驗器材：學生電源（電壓限取6V擋）、規(guī)格為“2.5V 0.25A”的小燈泡、規(guī)格為“20Ω 2A”的滑動變阻器、開關和若干導線，另有各種規(guī)格的定值電阻可供任意選用（均標注電阻值和允許通過的最大電流值）．制作要求：亮度可連續(xù)調節(jié)；在調光的整個過程中，燈兩端的電壓不超過2.5V．
活動過程：
（1）計算出小燈泡正常發(fā)光時的電阻為10Ω．
（2）小強連接的電路圖如圖1所示．但不少同學認為該調光燈不符合制作要求．請你指出不符合要求之處：滑動變阻器滑片不能隨意向右移，否則燈泡兩端的電壓會超過2.5V（或在調節(jié)的過程中，燈泡兩端的電壓可能會超過2.5V）．
（3）小玲同學認為：可在小強的電路中再串聯一只規(guī)格合適的定值電阻R₀（如圖2）就能符合要求．請你根據題意和有關計算，確定R₀的規(guī)格是：阻值為14，允許通過的最大電流0.25A．
（4）還有同學提出另一種改進方案：如果不串聯定值電阻，可以增加一個電學器材，在滑動變阻器的適當位置上做標記（或加一個限位裝置）限制它的調節(jié)范圍．請回答你選用何種器材，如何找出滑動變阻器上的標記．需要電壓表，將電壓表并聯在燈泡兩端，在調光過程中，觀察到電壓表的示數為2.5V時，在變阻器上做標記．

Answer 1

分析 （1）已知燈泡的額定電壓及額定電流，則由歐姆定律可求得燈泡正常發(fā)光時的電阻；
（2）由圖可知電路的構成及滑動變阻器的接法，分析燈泡兩端的電壓范圍可知電路能否正常工作，則可得出不符合要求之處；
（3）要使滑動變阻器能隨意調節(jié)，則應讓滑動變阻器短路時，燈泡仍不會超額定電壓，則由串聯電路的電壓規(guī)律可求得此時R₀的分壓，而限制電流不能超過燈泡的額定電流，由歐姆定律可求得阻值；
（4）要使不超過燈泡的額定電壓，故在實驗中需要明確燈泡兩端的電壓，故應需要在燈泡兩端并聯電壓表．

解答 解：（1）由歐姆定律可得：
燈泡的電阻：R=$\frac{U}{I}$=$\frac{2.5V}{0.25A}$=10Ω；
（2）由圖可知，滑動變阻器與燈泡串聯，要使燈泡正常工作，燈泡兩端的電壓最大不得超過2.5V，
根據串聯電路的電壓特點可知：滑動變阻器應分壓至少為U_滑=U-U_L=6V-2.5V=3.5V；
則由歐姆定律可知滑動變阻器接入電阻至少為 R=$\frac{{U}_{滑}}{I}$=$\frac{3.5V}{0.25A}$=14Ω；
即滑動變阻器接入電阻只能在14Ω～20Ω范圍內調節(jié)，即滑動變阻器滑片不能隨意向右移，否則燈泡兩端的電壓會超過2.5V．
（3）R₀中允許通過的電流為：I₀=I_L=0.25A，
U₀=U-U_L=6V-2.5V=3.5V，R₀=$\frac{{U}_{0}}{{I}_{0}}$=$\frac{3.5V}{0.25A}$=14Ω；
故R₀的阻值為14Ω，允許通過的最大電流為0.25A；
（4）為了保證燈泡不超過2.5V，則隨時觀察燈泡兩端的電壓，故需要電壓表；
在實驗過程中，將電壓表并聯在燈泡兩端，在調光過程中，觀察到電壓表的示數為2.5V時，在變阻器上做標記或安裝限位裝置，以限定滑動變阻器的移動范圍．
故答案為：（1）10；
（2）滑動變阻器滑片不能隨意向右移，否則燈泡兩端的電壓會超過2.5V；
（3）14；0.25；
（4）需要電壓表，將電壓表并聯在燈泡兩端，在調光過程中，觀察到電壓表的示數為2.5V時，在變阻器上做標記或安裝限位裝置，以限定滑動變阻器的移動范圍．

點評 本題考查滑動變阻器的連接，要求學生能認直審題，并能靈活應用所學物理知識進行分析判斷，對學生要求較高，題目難度較大．