深究“特殊方法”测灯泡的额定功率

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深究 特殊方法 测灯泡的额定功率
冷建军
(湖北省大冶市教研室㊀435100)
摘㊀要:由于器材的缺陷或缺少ꎬ改变测量方式或增加其他一些辅助器材来完成小灯泡的额定功率的测
量.实验原理是:P额=U额I额ꎬ根据灯泡的额定电压或额定电流ꎬ测量过程中必须先能够判断灯泡是否正常发光ꎬ再通过移动滑动变阻器或操作开关等方法来测量另外一个物理量.本文从改变电压表的测量对象㊁利用给出的已知阻值的定值电阻和其他器材来判断灯泡是否正常发光和测量灯泡的额定电压或额定电流ꎬ通过12种方法巧妙地测出灯泡的额定功率.对教材中«测量小灯泡的电功率»这个实验是一个很好的拓展.
关键词:额定功率ꎻ电压表ꎻ电流表ꎻ灯泡
中图分类号:G632㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1008-0333(2019)08-0068-03
收稿日期:2018-12-15
作者简介:冷建军(1972.7-)ꎬ男ꎬ湖北省大冶人ꎬ本科ꎬ中学高级教师ꎬ从事物理教学研究.
㊀㊀«测量小灯泡的电功率»是初中的一个重要实验之一ꎬ也是中考的一个重要考点之一ꎬ尤其是特殊方法测小灯泡的额定功率更是中考一个难点ꎬ现就这一问题深究一番
:
正常测量灯泡额定功率的电路图如右图1所示(已知灯泡的额定电压U额)ꎬ既有电压表ꎬ也有电流表.实验步骤一般为:闭合开关ꎬ调节滑动变阻器ꎬ观察电压表示数ꎬ使电压表示数等于灯泡的额定电压(灯
泡正常)ꎬ记录电流表示数ꎬ通过计算得出结果.
无论什么条件ꎬ本实验的原理一般是:P额=U额I额.步
聚一般是:由于灯泡的电阻受温度影响ꎬ所以第一步必须先通过移动滑动变阻器使灯泡正常发光ꎬ而判断灯泡正常发光有两项措施ꎬ即灯泡两端电压达到其额定电压(U额)或通过灯泡的电流达到灯泡的额定电流(I额)ꎻ第二步前提条件 保证灯泡继续正常发光ꎬ再通过移动滑动变阻器或操作开关ꎬ间接或直接测出另一物理量ꎻ第三步根据已知量(U额或I额)和题目给出的条件(如定值电阻的阻值R0)和测量的相关物理量推出灯泡额定功率的表达式.㊀㊀
一㊁测滑法
条件:既有电压表ꎬ也有电流表ꎬ但电压表无法直接测量灯泡两端电压(即电压表不能直接接在灯泡两端).
例1㊀一学生在测标有 3.8V 的小灯泡的额定功率时ꎬ电源由三节干电池串联组成.实验时发现电压表0
15V的量程坏了ꎬ但0 3V的量程完好无损ꎬ
在不换用其
他器材的情况下ꎬ你还能完成该实验吗?如果能ꎬ请你画出你设计的电路图ꎬ并写出简要的操作步骤.
解析㊀电源由三节干电池串联组成ꎬ所以电源电压为4.5Vꎬ灯泡正常时两端电压为3.8Vꎬ则灯泡正常
时ꎬ根据串联分压的道理ꎬ滑动变阻器两端电压应为0.
7Vꎬ电路设计如图2.闭合开关ꎬ调节滑动变阻器ꎬ观察电压表示数ꎬ使它等于0.7Vꎬ再记录此时电流表的示数为I额.值得注意的是:本操作过程ꎬ实验前滑动变阻器不能调到最大值ꎬ否则有可能超过0-3V的量程.
表达式:P额=U额I额或P额=3.8VˑI额
㊀㊀
二㊁伏阻法
条件:已知灯泡的额定电压ꎬ给两个电压表ꎬ没有电流表ꎬ增加一个已知阻值的定值电阻(即要想法子间接测出灯泡的额定电流).
例2㊀已知灯泡的额定电压(U额)ꎬ没有电流表ꎬ在正
常测量功率的基础上增加一个电压表和一个已知阻值为R0的定值电阻ꎬ根据提供的器材ꎬ测量灯泡的额定功率
.
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解析㊀已知灯泡的额定电压ꎬ可以直接把一电压表并联在灯泡两端ꎬ通过调节滑动变阻器就可以直接判断灯泡正常发光.已知阻值的电阻R0和另一个电压表ꎬ根据欧姆定律测出通过R0的电流ꎬ把灯泡与电阻R0串联起来ꎬ则通过灯泡和电阻R0的电流相等ꎬ这样ꎬ就间接测出了通过灯泡的额定电流.如图3所示.
操作步骤:闭合开关ꎬ调节滑动变阻器ꎬ观察电压表V1示数ꎬ使它等于灯泡的额定电压ꎬ再记录此时电压表V2
的示数为U2.
表达式:P
额=U额U2R0
拓展㊀在图3的设计方案基础上ꎬ改变电压V2的测量对象ꎬ也可以测量灯泡的额定功率ꎬ设计电路如图4所示.
操作步骤:闭合开关ꎬ调节滑动变阻器ꎬ观察电压表V1示数ꎬ使它等于灯泡的额定电压ꎬ再记录此时电压表V2
的示数为U2.
表达式:P
额=U额U2-U额R0
条件:已知灯泡的额定电压ꎬ给一个电压表ꎬ没有电流表ꎬ增加一个已知阻值的定值电阻和多个开关或单刀双掷开关.
例3㊀灯泡的额定电压为U
额ꎬ提供一个电压表㊁三个开关和一个已知阻值为R0的定值电阻.请设计一个电路测出灯泡的额定功率ꎬ要求写出实验步骤和灯泡额定功率的表达式.
解析㊀电压表并联在灯泡两端ꎬ来判断灯泡是否正常发光.再根据欧姆定律间接测出灯泡正常发光时通过的电流.设计电路如图5所示.
操作步骤:闭合开关S1和S3ꎬ断开S2ꎬ调节滑动变阻
器ꎬ观察电压表示数ꎬ使它等于灯泡的额定电压(U
额)ꎻ保持滑片位置不动ꎬ闭合开关S2和S3ꎬ断开S1ꎬ记录此时电
压表的示数为U2.
表达式:P
额=U额U2-U额R0
拓展㊀同理ꎬ也可以用单刀双掷开关来进行上面 例3 的操作ꎬ如图6所示ꎬ操作步骤和表达式在此就不谈了.
条件:已知灯泡的额定电流ꎬ给一个电压表ꎬ没有电流表ꎬ增加一个已知阻值的定值电阻和多个开关或单刀双掷开关.
例4㊀灯泡的额定电流为I
额ꎬ提供一个电压表㊁三个开关和一个已知阻值为R0的定值电阻.请设计一个电路测出灯泡的额定功率ꎬ并写出实验步骤和灯泡额定功率的表达式.
解析㊀利用欧姆定律测算出电阻的电流等于灯泡的额定电流ꎬ即灯泡应与电阻串联.设计电路如图7所示.
操作步骤:闭合开关S1和S3ꎬ断开S2ꎬ调节滑动变阻
器ꎬ观察电压表示数ꎬ使它等于I

与R0的乘积ꎬ即此时灯泡正常发光ꎻ保持滑片位置不动ꎬ闭合开关S2和S3ꎬ断开S1ꎬ记录此时电压表的示数为U2.
表达式:P
额=(U2-I额R0)I额
拓展㊀同理ꎬ也可以用单刀双掷开关来进行上面的操作ꎬ如图8所示ꎬ操作步骤和表达式在此就不谈了.㊀㊀三㊁安阻法
条件:已知灯泡的额定电压ꎬ给两个电流表ꎬ没有电压表ꎬ增加一个已知阻值的定值电阻
.
例5㊀已知灯泡的额定电压
为U
额ꎬ提供两个电流表ꎬ没有电
压表ꎬ增加一个已知阻值为R0的
定值电阻.请设计一个电路测出
灯泡的额定功率ꎬ并写出实验步
骤和灯泡额定功率的表达式.
解析㊀根据I0=U额R0ꎬ算出通过R0的电流I0ꎬ即R0两
端的电压为U

.如果定值电阻两端电压与灯泡两端电压相等ꎬ就把灯泡和电阻R0并联起来ꎬ此时灯泡就正常发光.再用另一只电流表测出灯泡正常时通过的电流ꎬ即I

.设计电路如图9所示.
操作步骤:闭合开关ꎬ调节滑动变阻器ꎬ观察电流表A1示数ꎬ使它等于U额R

ꎬ即此时灯泡正常发光ꎻ保持滑片位置不动ꎬ再记录此时电流表A2的示数为I额.
表达式:P
额=U额I额
条件:已知灯泡的额定电压ꎬ给一个电流表ꎬ三个开关ꎬ没有电压表ꎬ增加一个已知阻值的定值电阻.
例6㊀已知灯泡的额定电压为U
额ꎬ提供一个电流表ꎬ三个开关ꎬ没有电压表ꎬ增加一个已知阻值为R0的定值电阻.请设计一个电路测出灯泡的额定功率ꎬ并写出实验步骤和灯泡额定功率的表达式.
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解析㊀根据所给的条件和公式I0=
U额
R0
ꎬ即根据电流表判断出灯泡两端的电压也为U额ꎬ所以把灯泡和电阻并联起来ꎬ此时灯泡就正常发光.再通过电流表测出灯泡正常时通过的电流ꎬ即I额.设计电路如图10所示.
操作步骤:闭合开关S1和
S2ꎬ断开S3ꎬ调节滑动变阻器ꎬ观察电流表示数ꎬ使它等于U额
R0
ꎬ由于并联ꎬ灯泡此时两端的电压也为U额ꎬ即此时灯泡正常发光ꎻ保持滑片位置不动ꎬ闭合开关S1和S3ꎬ断开S2ꎬ记录此时电流表的示数为I2(即为:灯泡正常发时与电阻R0的总电流).
表达式:P额=U额(I2-U额
R0
)
条件:已知灯泡的额定电流ꎬ给一个电流表ꎬ三个开关ꎬ没有电压表ꎬ增加一个已知阻值的定值电阻.
例7㊀已知灯泡的额定电流为I额ꎬ提供一个电流表ꎬ三个开关ꎬ没有电压表ꎬ增加一个已知阻值为R0的定值电阻.请设计一个电路测出灯泡的额定功率ꎬ并写出实验步骤和灯泡额定功率的表达式
.
解析㊀电流表与灯泡串联起来很容易判断正确发光.根据定值电阻R0和电流表来测算灯泡的额定电压ꎬ设计时要注意ꎬ灯泡正常时ꎬ灯泡两端的电压要与电阻R0两端的电压相等ꎬ所以灯泡应该与电阻R0并联.设计电
路如图11所示.
操作步骤:闭合开关S1和S2ꎬ断开S3ꎬ调节滑动变阻器ꎬ观察电流表示数ꎬ使它等于I额ꎬ即此时灯泡正常发光ꎻ
保持滑片位置不动ꎬ闭合开关S1和S3ꎬ断开S2ꎬ记录此时电流
表的示数为I2(即为:灯泡正常发时与电阻R0的总电流).表达式:P额=(I2-I额)R0I额
㊀㊀
四㊁双变法
条件:已知灯泡的额定电压ꎬ给一个电压表ꎬ三个开关ꎬ没有电流表ꎬ增加一个电阻箱.
例8㊀已知灯泡的额定电压为U额ꎬ提供一个电压表ꎬ三个开关ꎬ没有电流表ꎬ增加一个电阻箱.请设计一个电路测出灯泡的额定功率ꎬ并写出实验步骤和灯泡额定功率的表达式.
解析㊀可以直接用电压表来判断灯泡是否正常发光ꎬ即把电压表并联在灯泡两端.采取等效法ꎬ用电阻箱接入电路的阻值与灯泡正常发光时的阻值相等.设计电
路如图12所示.
操作步骤:闭合开关S1和S2ꎬ断开开关S3ꎬ调节滑动变阻器R2ꎬ观察电压表示数ꎬ使它等于U额ꎬ即此时灯泡正常发光ꎻ保持滑动变阻器
R2滑片位置不动ꎬ闭合开关S1和S3ꎬ断开S2ꎬ调节电阻箱R1ꎬ使电压表的示数仍为U额ꎬ记录此时电阻箱R1接入电路的阻值为R0.
表达式:P额=U额
U额
R0
条件:已知灯泡的额定电压ꎬ给一个电压表ꎬ三个开关ꎬ没有电流表ꎬ增加一个已知最大阻值的滑动变阻器.
例9㊀已知灯泡的额定电压为U额ꎬ提供一个电压表ꎬ三个开关ꎬ没有电流表ꎬ增加一个已知最大阻值为R0的滑动变阻器.请设计一个电路测出灯泡的额定功率ꎬ并写出实验步骤和灯泡额定功率的表达式.
解析㊀如上面 例8 一样ꎬ此题关键是测量灯泡正常发光时ꎬ滑动变阻器R1接入电路的阻值是多大?
保持灯泡正常发光时电压表示数一样ꎬ把此时滑动变阻器R1接入的阻值与滑动变阻器R2串联关系ꎬ结合电压表和R2的最大阻值R0ꎬ通过移动滑动变阻器
R2接入电路阻值的两个极值(最大值和最小值)ꎬ测算出滑动变阻器R1接入的阻值.设计电路如图13所示.
操作步骤:①闭合开关S1和S2ꎬ断开S3ꎬ调节滑动变阻器R2ꎬ使电压表示数等于灯泡的额定电压U额ꎻ②闭合开关S1和S3ꎬ断开S2ꎬ保持滑动变阻器R2在第①步的位置不动ꎬ调节滑动变阻器R1ꎬ使电压表示数仍为U额ꎻ③仍闭合开关S1和S3ꎬ断开S2ꎬ保持滑动变阻器R1在第②步的位置不动ꎬ调节滑动变阻器R2至最左端(即接入阻值为零)ꎬ记下此时电压表示数为U1(为电源电压)ꎻ再调节滑动变阻器R2至最右端(即接入阻值最大ꎬ为R0)ꎬ记下此时电压表示数为U2.第③步可算出第②步滑动变阻器R1接入
电路的阻值为:U2
U1-U2R

表达式:P额=U额
U额(U1-U2)
U2R0㊀㊀
参考文献:
[1]华峰.测小灯泡额定电功率的几种类型题分析[J].数理化学习:初中版ꎬ2014(07):34.
[责任编辑:闫久毅]
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