對一道電學實驗設計題的方案分析

題目：在做“測定小燈泡功率”的實驗中，所用電源的電壓為6V，小燈泡的額定電壓為3.8V。在測定小燈泡的額定功率時，發(fā)現(xiàn)實驗所用的電壓表的0~15V量程擋壞了，而0~3V量程擋完好，實驗所用的其他器材也都完好。在不更換實驗器材的條件下，請你想法測出該小燈泡的額定功率。請畫出你設計的實驗電路圖，并簡要說明判斷小燈泡是否正常發(fā)光的方法和理由。

輔導資料中答案為如下：將電壓表與滑動變阻器并聯(lián)，閉合開關，調(diào)節(jié)滑動變阻器，使電壓表讀數(shù)為2.2V時，小燈泡正常發(fā)光。由于電源電壓是6V，當電壓表示數(shù)為2.2V時，根據(jù)串聯(lián)電路電壓的關系，小燈泡兩端電壓為U_L=6V-2.2V=3.8V，正好等于額定電壓。測出此時電路中的電流I，即可求出小燈泡的額定功率P=3.8V×I，電路圖如圖1所示。

筆者認為，本題提供的參考答案存在不足之處。在測電功率的電路中，滑動變阻器的首要作用是保護整個電路，避免電流表、小燈泡、電壓表等器件的損壞。所以，在開關閉合前，滑動變阻器連入的阻值都要最大，這已成了初中電學實驗設計很重要的一步；第二作用是滑動變阻器移動滑片，調(diào)節(jié)電流或電壓，直至燈泡正常發(fā)光。由于題目中沒有告訴燈泡電阻R_L和滑動變阻器最大阻值R的大小和關系，開關閉合前滑動變阻器又處于最大阻值，如果R_L小于R，根據(jù)串聯(lián)電路中電壓的分配跟電阻成正比，則滑動變阻器兩端電壓在開關剛閉合時會超過3V，就將會使并聯(lián)在滑動變阻器兩端的電壓表再次損壞。可見，上面的實驗方案是不完善的。因為它沒有考慮到電壓表再次損壞的可能性。

在此，作如下討論，并給出正確解決方案：（設燈泡電阻為R_L，滑動變阻器最大阻值為R）

1．當R≤R_L時，由串聯(lián)電路中電壓的分配跟電阻成正比可知，滑動變阻器兩端的電壓不會超過3V，在電壓表0~3V擋范圍內(nèi)，則不會損壞電壓表。在設計實驗方案時電壓表直接與滑動變阻器并聯(lián)即可。本題一些輔導資料提供的參考答案正是適合這一種情況。

2．當R＞R_L時，由串聯(lián)電路中電壓的分配跟電阻成正比可知，在開關閉合時滑動變阻器兩端的電壓超過3V，為了避免電壓表0~3V擋燒壞，可設計如下實驗步驟：（a）按如圖2連接電路，開關閉合前，滑動變阻器滑片P放在最右端。閉合開關，調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片P，使燈泡逐漸變亮，直至電壓表讀數(shù)剛好為3V；（b）此時斷開開關，將電壓表改接到滑動變阻器兩端，如圖3所示，再繼續(xù)向左調(diào)節(jié)滑片P，直到電壓表示數(shù)為2.2V為止，記錄此時電流表的示數(shù)I，此時小燈泡正常發(fā)光，額定功率P=3.8V×I。

本題由于沒有告訴燈泡電阻R_L和滑動變阻器最大阻值R的大小，正確的設計方案應以上面討論2的敘述為準。可以說，本題是一道很好的實驗設計題，它能鍛煉學生的發(fā)散性思維和創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學生探究能力和學習興趣。在討論了此題的實驗方案后，針對本題中的滑動變阻器，我又設計了這樣一個問題給學生思考：若題目中R_L=18Ω，有四個最大阻值分別為10Ω，15Ω，20Ω，40Ω的滑動變阻器，選哪一個最適宜呢？學生經(jīng)過討論發(fā)現(xiàn)，若選10Ω的滑動變阻器，即使在最大阻值，也不能保護整個電路。若選20Ω或40Ω的滑動變阻器，方案可行，但如討論2所說，步驟復雜，稍有疏忽，就會損壞電壓表。而選15Ω的滑動變阻器，正如討論1所說，方案最簡單。所以，選15Ω的滑動變阻器則最適宜。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”