測定小燈泡電功率實驗指南

物理中級閱讀時間: 3 分鐘

概述

電功率反映了電流做功的快慢。對於小燈泡而言，它的亮度直接取決於它的實際電功率。本實驗通過測量不同電壓下小燈泡的電流，計算其電功率，並觀察亮度變化，幫助你理解額定功率與實際功率的區別。

背景知識

18世紀，詹姆斯·瓦特 (James Watt) 引入了「馬力」的概念來衡量蒸汽機的功率，後來人們用他的名字命名了功率的單位「瓦特」。
1840年，焦耳 (James Prescott Joule) 發現了電流的熱效應，確立了 $P=I^2R$ 的關係，為電功率的計算奠定了基礎。
1879年，愛迪生發明了實用的白熾燈，電功率的概念隨著電力照明的普及而走進千家萬戶。

核心概念

額定電壓 ( $U_{額}$ )

2.5\text{V}

用電器正常工作時的電壓。本實驗小燈泡的額定電壓為 $2.5V$ 。

額定功率 ( $P_{額}$ )

P_{額} = U_{額}I_{額}

用電器在額定電壓下工作時的電功率。反映了設計的標準發光能力。

實際功率 ( $P_{實}$ )

P_{實} = U_{實}I_{實}

用電器在實際電壓下工作時的功率。它隨實際電壓的變化而變化，決定了燈泡當時的亮度。

公式與推導

電功率定義式

P = UI

電功率等於電壓與電流的乘積。單位為瓦特 (

W

)。這是計算電功率最通用的公式。

純電阻電路功率

P = \frac{U^2}{R} = I^2R

僅適用於純電阻電路（如燈泡、加熱器）。它表明在電阻不變時，功率與電壓的平方成正比。

實驗步驟

1
測量額定功率
閉合開關，調節滑動變阻器，使電壓表的示數恰好為 $2.5V$ 。觀察燈泡亮度並記錄此時的電流值，算出其額定功率。
2
測量低電壓下的功率
調節變阻器，使電壓降至 $2.0V$ 左右。預測一下：燈泡會變得更亮還是更暗？記錄數據並算出此時的實際功率。
3
測量高電壓下的功率
小心調節變阻器，使電壓略高於 $2.5V$ （例如 $2.8V$ ）。注意觀察亮度的顯著變化。思考：為什麼長期這樣使用會縮短燈泡壽命？
4
數據分析
對比三次測量的 $P$ 值與亮度關係。確認結論：燈泡的亮度取決於實際功率，而非額定功率。

學習目標

掌握測定小燈泡電功率的實驗電路設計和器材選擇 (伏安法)
深刻理解額定電壓、額定功率與實際電壓、實際功率的關係
驗證結論：燈泡的亮度由實際功率決定 ( $P_{實}$ )
運用 $P=UI$ 公式進行電學計算

生活應用

家用電器選購：空調、微波爐等大功率電器需要專用插座，以防功率過大導致線路過熱。
節能燈推廣：LED 燈在消耗更少電功率 ( $W$ ) 的情況下能產生相同的亮度 (Lumens)，效率更高。
電路安全保護：保險絲或斷路器根據電路總功率（總電流）設計，防止過載。

常見誤區

誤區

燈泡的額定功率會隨著電壓的改變而改變

正解

錯誤。額定功率是出廠時設定的固有參數（銘牌上的值），不隨外部條件改變。改變的是「實際功率」。

誤區

實際電壓越高，燈泡就越亮，所以應該一直用高電壓

正解

錯誤。雖然電壓高亮度大，但超過額定電壓會導致燈絲溫度過高，加速升華甚至熔斷。燈泡應盡量在額定電壓下工作。

誤區

100W 的燈泡一定比 60W 的燈泡亮

正解

不一定。只有在都在額定電壓下工作（正常發光）時才是如此。如果

100W

燈泡電壓很低，它可能比正常發光的

60W

燈泡暗。

準備好了嗎？

現在你已經了解了基礎知識，開始動手實驗吧！

開始實驗開始練習

概述

背景知識

核心概念

額定電壓 (U額U_{額}U額​)

額定功率 (P額P_{額}P額​)

實際功率 (P實P_{實}P實​)

公式與推導

電功率定義式

純電阻電路功率

實驗步驟

測量額定功率

測量低電壓下的功率

測量高電壓下的功率

數據分析