初中物理电流表、电压表在判断电路故障中的应用解答题

在如图所示的电路中，闭合开关 $S$ 后，至少有一个电表发生变化，已知电路中只有一处故障，且发生在电阻 $R_1$ 或 $R_2$ 上。请写出两电表的变化情况及其对应的故障。

若架设在两地之间的输电线发生了短路，如何方便快捷地确定短路的位置？

针对这一实际问题，某物理兴趣小组模拟真实情景，运用“建模”思想进行了研究：用两条足够长的电阻丝模拟输电线（每条电阻丝单位长度阻值为 $r)$，将导线连在电阻丝 $A$处模拟输电线短路，如图1甲所示。他们把一个电源（电压恒为 $U_0)$、一个定值电阻（阻值为 $R_0)$和一块电压表用导线连接起来装入一个盒内，并引出两根导线到盒外，制成检测盒，如图1乙所示。检测时将盒外的两根导线分别与模拟输电线 $B$端的两接线柱相连，从而构成检测电路。通过读取盒内电压表的示数、经过计算得知短路处到 $B$端的距离。

请你解答如下问题：

（1）在图1乙所示的检测盒内画出元件连接情况的电路图；

（2）根据你设计的检测电路，推导出 $\mathit{AB}$间距离 $L$与电压表示数 $U$的关系式：

（3）进一步研究发现，当电压表的量程为 $0~\frac{U_0}{2}$时，如果短路位置改变，需考虑测量值超电压表量程的可能。于是在检测盒中增加两个单刀双掷开关（符号 $)$，通过操作这两个开关来改变电压表的连接，完成检测。请在改进后的检测盒内画出元件连接情况的电路图（如图2所示）。

图甲为测定额定电压为“ $2.5V$”小灯泡电功率的实验电路，电源电压恒为 $3V$不变。

（1）请用笔画线代替导线，将图甲中的实物图连接完整。

（2）闭合开关前，滑片应移到滑动变阻器的最　　端（选填“左”或“右” $)$。

（3）正确连接好电路，闭合开关，发现灯泡不亮，电流表有示数，电压表无示数；移动滑片，发现除了电流表示数改变外，其余均无变化。经检查，电压表完好，则故障可能是小灯泡　　（选填“短路”或“断路” $)$。

（4）排除故障后，移动滑片，实验小组记下多组对应的电压表和电流表的示数，并绘制成图乙所示的 $I-U$图像，由图像可计算出小灯泡的额定功率为　　 $W$。

（5）实验过程中，当电压表示数为 $1V$时，滑动变阻器连入电路的阻值为　　 $\Omega$。

在“测量小灯泡的功率”的实验中。

（1）小明设计了如图甲所示的电路图。按照电路图，已完成部分实物电路连接（如图乙所示）。根据图乙中的信息，电压表量程应选 $0~$　　 $V$；若开关闭合后，向左移动滑动变阻器滑片 $P$，能使电路中电流变大，应将开关右侧接线柱与滑动变阻器的　　（选填“ $A$”、“ $B$”、“ $C$”或“ $D$” $)$接线柱相连。

（2）正确连接好电路，闭合开关后发现：小灯泡不亮，电流表示数为零，而电压表示数接近电源电压，经检查，电流表是完好的，仅滑动变阻器或小灯泡存在故障，则电路中的故障是　　。排除故障后，闭合开关，仍发现小灯泡不亮，电流表指针偏转很小，要使该小灯泡发光只需　　

（3）观察小灯泡在不同电压下的亮度，读出电压表，电流表示数，实验记录见表：

实验序号	电压 $U/V$	电流 $I/A$	小灯泡亮度	实际功率 $P/W$
1	2	0.18	偏暗	0.36
2	2.5	0.2	正常发光	0.5
3	3		偏亮

①由表格可知：该小灯泡额定电压为　　 $V$。

②当小灯泡两端电压为 $3V$时，小灯泡偏亮，小明担心灯丝会烧断，于是立即断开开关，未读取电流表示数。同组的小华观察到当时电流表指针的位置如图丙所示，则通过小灯泡的电流为　　 $A$，小灯泡的实际功率为　　 $W$。

（4）本实验电路除了能测出小灯泡的功率，小明认为还能测出小灯泡灯丝的阻值，小华认为还能探究电流与电压的关系，你认为　　同学的观点是错误的，理由是：　　

如图甲所示是"测量小灯泡电功率"的实验装置，电源电压为 $4V$ 且保持不变，小灯泡额定电压为 $2.5V$ ，电阻约为 $9\Omega$ ，滑动变阻器标有" $20\Omega 1A$ "字样。

（1）请用笔划线代替导线把图甲中的实物电路连接完整；

（2）闭合开关前，滑动变阻器滑片应调至 　 $B$ 　（选填" $A$ "或" $B$ " $)$ 端；

（3）正确连接电路后，闭合开关，发现小灯泡不亮，电流表、电压表指针均有偏转，则小灯泡不发光的原因是 　　；

（4）实验中，电压表示数如图乙所示，要使小灯泡正常发光，应将滑片向 　　（选填"左"或"右" $)$ 移；

（5）一实验小组的数据如表所示：

实验序号	1	2	3	4	5
$U/V$	0.3	1.5	2.0	2.5	2.9
$I/A$	0.06	0.20	0.24	0.28	0.30

老师在检查时指出第 　　次实验的数据无法从实验中测得，理由是 　　。该小灯泡的额定功率是 　　 $W$ ；

（6）另一实验小组在原有器材基础上，不使用电流表，增加一个阻值已知、大小合适的定值电阻 $R_0$ 和若干开关、导线也能测出小灯泡的额定功率，请你在图丙的方框内画出该小组的实验电路图（要求：电路只连接一次并考虑灯丝电阻受温度变化的影响）