第十三章 电功和电功率
三、学生实验:探究——小灯泡的电功率
基础过关全练
知识点1 伏安法测量小灯泡的电功率
1.【新独家原创】关于伏安法测灯泡的电功率,下列说法正确的是 ( )
A.伏安法测灯泡电阻、电功率的原理是相同的
B.只要发光,测出的电功率一定是额定功率
C.伏安法测灯泡电功率的实验中,滑动变阻器是多余的
D.伏安法测灯泡电阻、电功率的电路图是相同的
2.【教材P115T3变式】(2022浙江金华中考)学习小组开展“测量小灯泡的功率”实验,实验电路如图甲,绘制出小灯泡的I U关系曲线如图乙,已知小灯泡的额定电压为3.8 V,电源电压恒为6 V。回答下列问题:
甲
乙
(1)闭合开关后移动变阻器的滑片,当电压表示数为 V时,读出电流表示数,即可计算小灯泡的额定功率;
(2)实验时,变阻器的滑片向左移动过程中,电流表与电压表示数的比值将 (选填“变大”“不变”或“变小”)。
3.【学科素养·科学探究】(2022四川巴中中考)为测量额定电压为2.5 V的小灯泡的额定功率,某同学设计了如图甲所示的电路。
甲
乙
(1)正确连接电路后,闭合开关前,应将滑动变阻器的滑片置于最 (选填“左”或“右”)端。
(2)调节滑动变阻器,当电压表示数为2 V时,电流表示数如图乙所示为 A。
(3)要测得小灯泡的额定电功率,他还应继续将滑动变阻器的滑片向 (选填“左”或“右”)端移动一段距离,使电压表示数为2.5 V,若此时电流表示数为0.5 A,则小灯泡的额定电功率为 W。
知识点2 多种方法测量小灯泡的电功率
4.(2022江西萍乡三中月考)用如图所示器材测量小灯泡的额定功率,电源电压恒为U,待测小灯泡L的额定电压为U额,定值电阻阻值为R0。闭合开关S、S1,断开开关S2,调节滑片P,使电压表示数为 ;保持滑片P不动,闭合开关S、S2,断开开关S1,读出电压表示数为U0。计算出小灯泡的额定功率为P额= 。(用U、U额、U0、R0表示)
5.(2021山东潍坊中考)现有下列实验器材:
①额定电压为2.5 V的小灯泡;
②电压约为6 V的直流电源;
③量程为0~6 V的电压表;
④最大阻值为99.99 Ω的电阻箱R;
⑤开关S1,单刀双掷开关S2,导线若干。
要测量小灯泡的额定功率,请将下列实验步骤补充完整。
(1)按图甲将图乙所示的实物图连接完整。
(2)先将电阻箱阻值调到 (选填“最大”“最小”或“任意值”),再闭合开关S1;
(3)将S2掷向a,调节电阻箱阻值,使电压表示数U1=2.5 V,再将S2掷向b,电压表示数U2及电阻箱示数R如图丙所示,U2= V,R= Ω,则该小灯泡的额定功率为 W。
知识点3 用电能表测量家用电器的电功率
6.【跨学科·物理学与日常生活】小强关闭家中其他用电器,只用一个电热水壶烧水,使质量为1 kg、初温为20 ℃的水被烧开(1个标准大气压下),用时5 min,如图所示的电能表刚好转过300 r。则水吸收的热量是 J,电热水壶的实际电功率为 W。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]
能力提升全练
7.(2023河南鹿邑期末,8,★☆☆)下列各组仪器中,可以用来测量电功率的是 ( )
①电能表和电压表 ②电能表和电流表
③电能表和停表 ④电压表和电流表
A.①② B.③④
C.①④ D.②③④
8.(2022安徽界首实验中学段考,13,★★☆)在进行实验时,往往需要我们手眼并用,在“测量小灯泡额定功率”的实验中,要让小灯泡在额定电压下发光,当手移动变阻器滑片时,眼睛应观察 ( )
A.灯泡的发光情况 B.变阻器滑片的位置
C.电压表的示数 D.电流表的示数
9.(2021四川达州中考,19,★★☆)小星学习电功率知识后,想利用电能表测量家中电水壶工作时的实际功率。他仔细观察了家中的电能表,表盘参数如图所示,则小星家允许加载的用电器的最大功率为 W。他关闭家中其他用电器,只让电水壶烧水,发现电水壶工作1 min,电能表转盘转过60转,则该电水壶的实际功率为 W。
10.【实验探究·分析论证】(2022湖北襄阳中考,39,★★☆)请你完成以下“测量额定电压为2.5 V小灯泡电功率”实验的任务。
(1)请用笔画线代替导线,将图甲中的实物电路连接完整;
(2)小强同学连接好电路后,闭合开关时发现灯泡特别亮,这表明他在闭合开关前没有把滑动变阻器 ;
(3)闭合开关,移动滑片P到电压表示数为2.5 V时,电流表示数如图乙所示,则小灯泡的额定功率为 W;
(4)上述实验过程中,当电压表、电流表的示数逐渐变大时,小灯泡的电阻也逐渐变大,滑动变阻器接入电路的电阻逐渐变小,则小灯泡电阻的变化量ΔRL (选填“大于”“小于”或“等于”)滑动变阻器电阻的变化量ΔR;
(5)利用图甲所示电路,依据 (原理)也可测出小灯泡正常工作时的电阻。如果考虑电表的电阻,此时电流表测量值比通过灯泡电流真实值 (选填“偏大”或“偏小”)。
11.【学科素养·科学探究】(2022河南中考,19,★★★)在测量额定电压为2.5 V小灯泡的电功率实验中,电源是三节新干电池。
乙 丙
(1)请用笔画线代替导线,将图甲的电路连接完整。
(2)闭合开关前,滑动变阻器的滑片应置于 (选填“左”或“右”)端。
(3)闭合开关,移动滑片,当电压表的示数为 V时,小灯泡正常发光,读出电流表示数,可测得额定功率。
(4)继续移动滑片,电压表示数如图乙所示,为 V,此时电流表示数为0.24 A,小灯泡的实际功率为 W。
为了研究小灯泡发光情况与电功率的关系,除了表中记录的电表示数和电功率,还需要增加记录的内容是 。
实验次数 电压U/V 电流I/A 电功率P/W
1 2.5 0.26
2 0.24
3 2.8 0.28
(5)分析实验数据可以发现,小灯泡两端的电压越高,它的实际功率 。
(6)完成上述实验后,某小组设计了图丙所示的电路,用原来的电源和电压表测量原小灯泡的额定功率。方案如下:
①把定值电阻R0接入电路,调节滑动变阻器使小灯泡正常发光;
②保持滑片位置不变,将电压表改接在R0两端,读出电压表示数;
③算出小灯泡的额定功率。
现有阻值为5 Ω、10 Ω、20 Ω的定值电阻,为了能测出小灯泡的额定功率,结合题中的数据分析,定值电阻R0应选 Ω的。
12.【实验探究·设计实验】(2023北京五十七中月考,26,★★☆)某同学在做“测量额定电压为2.5 V的小灯泡正常发光时的额定电功率P额”的实验时,现有如下器材:电源(电压未知但符合实验要求)、三个开关、一个已调零的电压表、一个已知阻值为R0的定值电阻、一个小灯泡、一个符合实验要求的滑动变阻器和若干条导线。经过思考,该同学设计了所需的实验电路(其中部分连线如图所示),完成了实验任务。
(1)请你再添加一根导线,完成电路连接。
(2)请你补充主要实验步骤:
①闭合开关S1和S3,断开S2,调节滑动变阻器滑片P位置使电压表示数U1= V;
② ,保持滑动变阻器滑片P位置不动,记录电压表示数为U2;
③用R0、U1和U2表示小灯泡正常发光时的电功率P额= 。
素养探究全练
13.【科学探究】某同学用如图甲所示的实物图测量额定电压为2.5 V的小灯泡的电功率,其中电源为两节新干电池。
(1)请用笔画线代替导线帮该同学完成电路连接;
(2)正确连接电路后,闭合开关,调节滑动变阻器,当小灯泡正常发光时,电流表的示数如图乙所示。此时小灯泡的电功率为 W;
(3)该同学还想利用此电路探究“电流与电阻的关系”,他分别用5 Ω、10 Ω、15 Ω和20 Ω的定值电阻替换小灯泡,并控制定值电阻两端电压始终为1.5 V,则要完成实验,所用滑动变阻器的最大阻值不小于 Ω。
答案全解全析
基础过关全练
1.D 伏安法测灯泡电阻的原理是R=,伏安法测灯泡电功率的原理是P=UI,故原理不同,A错误;只有当灯泡两端的电压等于其额定电压时,测出的电功率才是额定功率,B错误;伏安法测灯泡的电功率实验中,需要通过滑动变阻器改变灯泡两端的电压和通过灯泡的电流,C错误;伏安法测灯泡电阻、电功率的电路图是相同的,D正确。故选D。
2.答案 (1)3.8 (2)变小
解析 (1)小灯泡的额定电压为3.8 V,当电压表示数为3.8 V时小灯泡正常工作,此时小灯泡的功率为额定功率,读出电流表示数,即可计算小灯泡的额定功率;(2)图甲中,小灯泡与滑动变阻器串联,电压表测小灯泡两端的电压,电流表测电路中的电流,当滑片向左滑动时,滑动变阻器连入电路中的电阻变小,由欧姆定律可知,电路中的电流变大,小灯泡两端的电压变大,根据P=UI可知,小灯泡的电功率变大,灯丝的温度升高,由图乙知,小灯泡的灯丝电阻随温度的升高而变大,故灯丝的电阻变大,由欧姆定律知,电流表与电压表示数的比值即小灯泡的电阻的倒数,故电流表与电压表示数的比值将变小。
3.答案 (1)右 (2)0.42 (3)左 1.25
解析 (1)为了保护电路,闭合开关前,应将滑动变阻器的滑片置于最大阻值处,即最右端;(2)由图乙可知,电流表量程是0~0.6 A,分度值为0.02 A,示数为0.42 A;(3)此时电压表示数为2 V,低于小灯泡的额定电压,要测小灯泡的额定功率,需增大小灯泡两端的电压,根据串联电路的电压特点可知,应减小滑动变阻器两端的电压,即应减小滑动变阻器接入电路的阻值,由图甲可知,应将滑动变阻器的滑片向左移动;当电压表示数为2.5 V时,电流表示数为0.5 A,则小灯泡的额定电功率P额=U额I额=2.5 V×0.5 A=1.25 W。
4.答案 U-U额 U额
解析 由图可知,闭合开关S、S1,断开开关S2,小灯泡、滑动变阻器和定值电阻串联接入电路,电压表测滑动变阻器和定值电阻两端的总电压,调节滑片P,使电压表示数为U-U额时,小灯泡正常发光;保持滑片P不动,闭合开关S、S2,断开开关S1,小灯泡、滑动变阻器和定值电阻串联接入电路,电路的总电阻不变,电压表测量定值电阻两端的电压,读出电压表示数为U0,根据欧姆定律可知,电路中的电流即小灯泡的额定电流I=,则小灯泡的额定功率P额=U额I=U额。
5.答案 (1)如图所示 (2)最大 (3)5.8 6.60 1.25
解析 (1)按电路图连接实物图;(2)闭合开关前,应先将电阻箱阻值调到最大;(3)当S2掷向a,电压表示数为2.5 V时,小灯泡正常发光;当S2掷向b时,小灯泡仍然正常发光,此时小灯泡和电阻箱串联,电压表测小灯泡和电阻箱两端的总电压,由题图丙知,此时电压表示数U2=5.8 V,电阻箱示数R=6.60 Ω,那么电阻箱两端的电压UR=5.8 V-2.5 V=3.3 V,通过电阻箱的电流IR===0.5 A,小灯泡的额定电流I额=IR=0.5 A,所以小灯泡的额定功率P额=U额I额=2.5 V×0.5 A=1.25 W。
6.答案 3.36×105 1 200
解析 1个标准大气压下水的沸点是100 ℃,质量为1 kg、初温为20 ℃的水被烧开吸收的热量Q=cmΔt=4.2×103 J/(kg·℃)×1 kg×(100 ℃-20 ℃)=3.36×105 J。此时电能表刚好转过300 r,电热水壶消耗的电能W==0.1 kW·h,用时5 min,则电热水壶的实际功率P实===1.2 kW=1 200 W。
能力提升全练
7.B 电能表和停表可以用P=计算电功率,电压表和电流表可以用P=UI计算电功率,故选B。
8.C 在“测量小灯泡额定功率”的实验中,当手移动变阻器滑片时,眼睛应观察电压表示数,使小灯泡两端的电压达到额定电压,并读出此时通过小灯泡的电流值,最后根据功率的计算公式,计算小灯泡的额定功率,故选C。
9.答案 4 400 1 200
解析 小星家允许加载的用电器的最大功率P最大=UI最大=220 V×20 A=4 400 W;3 000 r/(kW·h)表示电路中每消耗1 kW·h的电能,电能表转盘转3 000 r,电能表转盘转60 r时,电水壶消耗的电能W= kW·h=0.02 kW·h,工作时间t=1 min= h,电水壶的实际功率P===1.2 kW=1 200 W。
10.答案 (1)如图所示 (2)滑片调到最大阻值处 (3)0.5 (4)小于 (5)R= 偏大
解析 (1)小灯泡额定电压为2.5 V,故电压表选用小量程并联在小灯泡两端;(2)小强同学连接好电路后,闭合开关时发现小灯泡特别亮,说明电路中电流较大,总电阻较小,原因是在闭合开关前没有把滑动变阻器滑片调到最大阻值处;(3)由图乙可知,电流表选用小量程,分度值为0.02 A,示数为0.2 A,则小灯泡的额定功率P=UI=2.5 V×0.2 A=0.5 W;(4)实验过程中,随滑动变阻器连入电路中的阻值逐渐减小,小灯泡逐渐变亮,则小灯泡两端电压增大,通过小灯泡的电流也增大,电源电压不变,由R=知,电路的总电阻变小,由P=UI知,小灯泡的实际功率增大,灯丝的温度升高,小灯泡阻值随温度的升高而变大,由电阻的串联规律可知:小灯泡阻值增大的值ΔRL小于滑动变阻器电阻的变化量ΔR;(5)由图甲可知,电压表测小灯泡两端的电压,电流表测通过灯泡的电流,可依据R=求出小灯泡正常工作时的电阻;如图甲可知,电流表实际测量的是通过小灯泡与电压表的电流之和,故电流表测量值比通过小灯泡电流真实值偏大。
11.答案 (1)如图所示 (2)左 (3)2.5 (4)2.2
0.528 小灯泡的亮度 (5)越大 (6)5
解析 (1)滑动变阻器与小灯泡串联,电压表与小灯泡并联,因为小灯泡的额定电压为2.5 V,所以电压表应选0~3 V的量程,滑动变阻器采用“一上一下”的方式连入电路。(2)为了保护电路,闭合开关前,应将滑动变阻器的滑片移到最大阻值处,由图知,滑片右侧电阻丝接入电路,所以滑片应置于最左端;(3)小灯泡在额定电压下正常发光,因此闭合开关,移动滑片,当电压表的示数为2.5 V时,小灯泡正常发光。(4)因为电压表选用小量程,由图乙可知,电压表的分度值为0.1 V,示数为2.2 V,小灯泡的实际功率P实=U实I实=2.2 V×0.24 A=0.528 W;研究小灯泡发光情况与电功率的关系时,需要比较小灯泡的亮度与小灯泡的电功率,因此表中还需要增加记录的内容是小灯泡的亮度。(5)由表中数据可知,小灯泡两端的电压增大,通过小灯泡的电流也增大,由P=UI可知,小灯泡的电功率增大,说明小灯泡两端的电压越高,它的实际功率越大。(6)电源是由3节新干电池组成的,所以电源电压为4.5 V,小灯泡正常发光时电流I=0.26 A。由串联电路的电压特点可知,定值电阻和滑动变阻器两端的总电压U'=U-U额=4.5 V-2.5 V=2 V。由欧姆定律可知,定值电阻和滑动变阻器的总电阻R'==≈7.7 Ω<10 Ω。因此定值电阻R0应选5 Ω的,此时定值电阻R0两端的电压U0=IR0=0.26 A×5 Ω=1.3 V,能满足测量要求。
12.答案 (1)如图所示 (2)①2.5 ②闭合开关S1和S2,断开开关S3 ③
解析 (1)电压表要测小灯泡L两端的电压,故将开关S3右端的接线柱连接到定值电阻R0左端的接线柱上,连接的实物图如图所示。(2)①闭合开关S1和S3,断开开关S2,调节滑动变阻器滑片P的位置,使电压表示数U1=2.5 V;②闭合开关S1和S2,断开开关S3,保持滑动变阻器滑片P的位置不动,记录电压表示数为U2,此时电压表的示数为定值电阻R0和L两端的总电压,则定值电阻R0两端的电压为U0=U2-U1,则通过R0的电流为I0==,由串联电路的电流特点可知,通过小灯泡的电流I额=I0=,则小灯泡正常发光时的电功率为P额=U额I额=。
素养探究全练
13.答案 (1)如图所示 (2)0.8 (3)20
解析 (1)测量小灯泡的额定功率时,电压表应并联在小灯泡的两端,电流表与小灯泡串联,小灯泡的额定电压为2.5 V,所以电压表选择0~3 V的量程。(2)由图乙可知,电流表的量程为0~0.6 A,分度值为0.02 A,此时电流表的示数是0.32 A,此时小灯泡的电功率P=ULIL=2.5 V×0.32 A=0.8 W。(3)电源由两节新干电池组成,所以电源电压为3 V,探究“电流与电阻的关系”时,电源电压不变,定值电阻的阻值越大,根据串联分压规律可知,定值电阻两端的电压越大,为了控制定值电阻两端电压始终为1.5 V,应该增大滑动变阻器两端的电压,则需要增大滑动变阻器接入电路中的阻值;当20 Ω的定值电阻接入电路中时,电路中的电流I===0.075 A,滑动变阻器两端的电压U滑=U-U电阻=3 V-1.5 V=1.5 V,则滑动变阻器接入电路中的阻值为R滑===20 Ω,故要完成实验,所用滑动变阻器的最大阻值不小于20 Ω。
