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[2025 浙江模拟改编]调光灯能够根据人们工作或生活的要求,调整灯光的亮度,从而影响室内光线明暗,衬托出不同的室内环境氛围。某学习小组根据提供的器材设计制作一个调光灯电路。
【项目准备】
两节新干电池、小灯泡(2.5 V,0.3 A;不考虑温度对灯泡电阻的影响)、灯座、开关、导线、长度相同的6B和HB两种型号铅笔芯。
【项目设计】
① 小组的同学们合作设计了如下图所示的电路。
② 甲同学提出:小灯泡正常工作时的电压为2.5 V,电流是0.3 A,电源电压是3 V。考虑到小灯泡的安全,铅笔芯接入的电阻不能太小。
③ 小组同学通过计算,铅笔芯接入的电阻不能小于$1.7\ \Omega$。
④ 乙同学提出:两种铅笔芯选用哪一种的调光效果更佳呢?
⑤ 小组同学结合两位同学提出的问题,通过讨论认为需要测出两支铅笔芯的电阻,确定出$1.7\ \Omega$的位置和可以调节的范围。
⑥ 小组同学根据需要增补了器材测出两种铅笔芯的相关数据并记录在表中。
【项目讨论】
请你根据上述信息,帮助小组同学完成下列问题:(不考虑电阻受温度的影响)
(1) 小组同学在制作调光灯时,是通过
(2) 第①步中,为了能直观看出小灯泡的工作是否安全,需要
(3) 第⑥步中实验测得铅笔芯的相关数据,需要增补的测量工具有:
(4) 通过测量知道当流过小灯泡的电流小于0.15 A时,小灯泡不能发光。从表中数据分析本实验选择哪一种铅笔芯较合理,并通过计算说明理由。
【项目准备】
两节新干电池、小灯泡(2.5 V,0.3 A;不考虑温度对灯泡电阻的影响)、灯座、开关、导线、长度相同的6B和HB两种型号铅笔芯。
【项目设计】
① 小组的同学们合作设计了如下图所示的电路。
② 甲同学提出:小灯泡正常工作时的电压为2.5 V,电流是0.3 A,电源电压是3 V。考虑到小灯泡的安全,铅笔芯接入的电阻不能太小。
③ 小组同学通过计算,铅笔芯接入的电阻不能小于$1.7\ \Omega$。
④ 乙同学提出:两种铅笔芯选用哪一种的调光效果更佳呢?
⑤ 小组同学结合两位同学提出的问题,通过讨论认为需要测出两支铅笔芯的电阻,确定出$1.7\ \Omega$的位置和可以调节的范围。
⑥ 小组同学根据需要增补了器材测出两种铅笔芯的相关数据并记录在表中。
【项目讨论】
请你根据上述信息,帮助小组同学完成下列问题:(不考虑电阻受温度的影响)
(1) 小组同学在制作调光灯时,是通过
改变铅笔芯接入电路的电阻
实现调光的。(2) 第①步中,为了能直观看出小灯泡的工作是否安全,需要
在电路中串联一个电流表(或在小灯泡两端并联一个电压表等合理即可)
(写出一种办法)。(3) 第⑥步中实验测得铅笔芯的相关数据,需要增补的测量工具有:
刻度尺、电流表和电压表
。(4) 通过测量知道当流过小灯泡的电流小于0.15 A时,小灯泡不能发光。从表中数据分析本实验选择哪一种铅笔芯较合理,并通过计算说明理由。
答案
(1) 改变铅笔芯接入电路的电阻
(2) 在电路中串联一个电流表(或在小灯泡两端并联一个电压表等合理即可)
(3) 刻度尺、电流表和电压表
(4) 选择HB铅笔芯更合理;理由:根据串联电路特点,电源电压U=3 V,当电流I=0.15 A时,电路总电阻$R_总=\frac{U}{I}=\frac{3\ \mathrm{V}}{0.15\ \mathrm{A}}=20\ \Omega$,已知小灯泡电阻$R_L=\frac{U_L}{I_L}=\frac{2.5\ \mathrm{V}}{0.3\ \mathrm{A}}\approx8.3\ \Omega$,则此时铅笔芯电阻$R'=R_总-R_L=20\ \Omega-8.3\ \Omega=11.7\ \Omega$。HB铅笔芯电阻为10 Ω,更接近该电阻值,且其最大电阻大于6B铅笔芯,能满足电阻调节范围更大的要求,可使灯泡从发光到不发光有更明显的亮度变化,调光效果更好
(2) 在电路中串联一个电流表(或在小灯泡两端并联一个电压表等合理即可)
(3) 刻度尺、电流表和电压表
(4) 选择HB铅笔芯更合理;理由:根据串联电路特点,电源电压U=3 V,当电流I=0.15 A时,电路总电阻$R_总=\frac{U}{I}=\frac{3\ \mathrm{V}}{0.15\ \mathrm{A}}=20\ \Omega$,已知小灯泡电阻$R_L=\frac{U_L}{I_L}=\frac{2.5\ \mathrm{V}}{0.3\ \mathrm{A}}\approx8.3\ \Omega$,则此时铅笔芯电阻$R'=R_总-R_L=20\ \Omega-8.3\ \Omega=11.7\ \Omega$。HB铅笔芯电阻为10 Ω,更接近该电阻值,且其最大电阻大于6B铅笔芯,能满足电阻调节范围更大的要求,可使灯泡从发光到不发光有更明显的亮度变化,调光效果更好
解析
【分析】
本题围绕调光灯电路的设计与分析展开，需结合串联电路特点、欧姆定律等知识解决问题：
1. 第(1)题：调光灯通过改变电路电阻改变电流，从而调节亮度，这里用铅笔芯作为可变电阻，故原理是改变铅笔芯接入的电阻。
2. 第(2)题：小灯泡安全需控制其电压不超2.5V、电流不超0.3A，可通过串联电流表或并联电压表直观监测。
3. 第(3)题：测量铅笔芯电阻需测其两端电压、通过的电流（需电流表、电压表），还需测铅笔芯接入长度（需刻度尺），故增补这些工具。
4. 第(4)题：需先计算电流为0.15A时电路总电阻，减去灯泡电阻得到所需铅笔芯电阻，再对比两种铅笔芯的电阻，结合调节范围判断合理性。
【解析】
(1) 调光灯的亮度由电路电流决定，电流大小与总电阻有关，本题中通过改变铅笔芯接入电路的电阻来改变总电阻，从而调节电流实现调光，故答案为改变铅笔芯接入电路的电阻。
(2) 小灯泡额定电压2.5V、额定电流0.3A，为直观看其是否安全，可在电路中串联电流表，若电流不超过0.3A则安全；或在小灯泡两端并联电压表，若电压不超过2.5V则安全，故答案为在电路中串联一个电流表（或在小灯泡两端并联一个电压表等合理即可）。
(3) 测量铅笔芯的电阻时，需用电压表测其两端电压、电流表测通过的电流，还需用刻度尺测量铅笔芯接入电路的长度，因此需要增补的测量工具是刻度尺、电流表和电压表。
(4) 计算过程：根据串联电路特点，电源电压$U=3\ \mathrm{V}$，当电流$I=0.15\ \mathrm{A}$时，电路总电阻$R_总=\frac{U}{I}=\frac{3\ \mathrm{V}}{0.15\ \mathrm{A}}=20\ \Omega$；小灯泡电阻$R_L=\frac{U_L}{I_L}=\frac{2.5\ \mathrm{V}}{0.3\ \mathrm{A}}\approx8.3\ \Omega$，此时所需铅笔芯电阻$R'=R_总-R_L=20\ \Omega-8.3\ \Omega=11.7\ \Omega$。HB铅笔芯电阻更接近该值，且其最大电阻大于6B铅笔芯，调节范围更大，能使灯泡从发光到不发光有明显亮度变化，调光效果更好，故选择HB铅笔芯更合理。
【答案】
(1) 改变铅笔芯接入电路的电阻
(2) 在电路中串联一个电流表（或在小灯泡两端并联一个电压表等合理即可）
(3) 刻度尺、电流表和电压表
(4) 选择HB铅笔芯更合理；理由：根据串联电路特点，电源电压$U=3\ \mathrm{V}$，当电流$I=0.15\ \mathrm{A}$时，电路总电阻$R_总=\frac{U}{I}=\frac{3\ \mathrm{V}}{0.15\ \mathrm{A}}=20\ \Omega$，已知小灯泡电阻$R_L=\frac{U_L}{I_L}=\frac{2.5\ \mathrm{V}}{0.3\ \mathrm{A}}\approx8.3\ \Omega$，则此时铅笔芯电阻$R'=R_总-R_L=20\ \Omega-8.3\ \Omega=11.7\ \Omega$。HB铅笔芯电阻更接近该电阻值，且其最大电阻大于6B铅笔芯，能满足电阻调节范围更大的要求，可使灯泡从发光到不发光有更明显的亮度变化，调光效果更好
【知识点】
滑动变阻器的原理、欧姆定律的应用、串联电路的特点
【点评】
本题结合调光灯的实际应用，将物理知识与生活场景结合，考查学生对串联电路规律、欧姆定律的理解与应用，同时注重实验器材选择的逻辑分析，需要学生具备一定的综合分析能力。
【难度系数】
0.5
本题围绕调光灯电路的设计与分析展开，需结合串联电路特点、欧姆定律等知识解决问题：
1. 第(1)题：调光灯通过改变电路电阻改变电流，从而调节亮度，这里用铅笔芯作为可变电阻，故原理是改变铅笔芯接入的电阻。
2. 第(2)题：小灯泡安全需控制其电压不超2.5V、电流不超0.3A，可通过串联电流表或并联电压表直观监测。
3. 第(3)题：测量铅笔芯电阻需测其两端电压、通过的电流（需电流表、电压表），还需测铅笔芯接入长度（需刻度尺），故增补这些工具。
4. 第(4)题：需先计算电流为0.15A时电路总电阻，减去灯泡电阻得到所需铅笔芯电阻，再对比两种铅笔芯的电阻，结合调节范围判断合理性。
【解析】
(1) 调光灯的亮度由电路电流决定，电流大小与总电阻有关，本题中通过改变铅笔芯接入电路的电阻来改变总电阻，从而调节电流实现调光，故答案为改变铅笔芯接入电路的电阻。
(2) 小灯泡额定电压2.5V、额定电流0.3A，为直观看其是否安全，可在电路中串联电流表，若电流不超过0.3A则安全；或在小灯泡两端并联电压表，若电压不超过2.5V则安全，故答案为在电路中串联一个电流表（或在小灯泡两端并联一个电压表等合理即可）。
(3) 测量铅笔芯的电阻时，需用电压表测其两端电压、电流表测通过的电流，还需用刻度尺测量铅笔芯接入电路的长度，因此需要增补的测量工具是刻度尺、电流表和电压表。
(4) 计算过程：根据串联电路特点，电源电压$U=3\ \mathrm{V}$，当电流$I=0.15\ \mathrm{A}$时，电路总电阻$R_总=\frac{U}{I}=\frac{3\ \mathrm{V}}{0.15\ \mathrm{A}}=20\ \Omega$；小灯泡电阻$R_L=\frac{U_L}{I_L}=\frac{2.5\ \mathrm{V}}{0.3\ \mathrm{A}}\approx8.3\ \Omega$，此时所需铅笔芯电阻$R'=R_总-R_L=20\ \Omega-8.3\ \Omega=11.7\ \Omega$。HB铅笔芯电阻更接近该值，且其最大电阻大于6B铅笔芯，调节范围更大，能使灯泡从发光到不发光有明显亮度变化，调光效果更好，故选择HB铅笔芯更合理。
【答案】
(1) 改变铅笔芯接入电路的电阻
(2) 在电路中串联一个电流表（或在小灯泡两端并联一个电压表等合理即可）
(3) 刻度尺、电流表和电压表
(4) 选择HB铅笔芯更合理；理由：根据串联电路特点，电源电压$U=3\ \mathrm{V}$，当电流$I=0.15\ \mathrm{A}$时，电路总电阻$R_总=\frac{U}{I}=\frac{3\ \mathrm{V}}{0.15\ \mathrm{A}}=20\ \Omega$，已知小灯泡电阻$R_L=\frac{U_L}{I_L}=\frac{2.5\ \mathrm{V}}{0.3\ \mathrm{A}}\approx8.3\ \Omega$，则此时铅笔芯电阻$R'=R_总-R_L=20\ \Omega-8.3\ \Omega=11.7\ \Omega$。HB铅笔芯电阻更接近该电阻值，且其最大电阻大于6B铅笔芯，能满足电阻调节范围更大的要求，可使灯泡从发光到不发光有更明显的亮度变化，调光效果更好
【知识点】
滑动变阻器的原理、欧姆定律的应用、串联电路的特点
【点评】
本题结合调光灯的实际应用，将物理知识与生活场景结合，考查学生对串联电路规律、欧姆定律的理解与应用，同时注重实验器材选择的逻辑分析，需要学生具备一定的综合分析能力。
【难度系数】
0.5
