测定小灯泡电功率实验指南

物理中级阅读时间: 3 分钟

概述

电功率反映了电流做功的快慢。对于小灯泡而言，它的亮度直接取决于它的实际电功率。本实验通过测量不同电压下小灯泡的电流，计算其电功率，并观察亮度变化，帮助你理解额定功率与实际功率的区别。

背景知识

18世纪，詹姆斯·瓦特 (James Watt) 引入了「马力」的概念来衡量蒸汽机的功率，后来人们用他的名字命名了功率的单位「瓦特」。
1840年，焦耳 (James Prescott Joule) 发现了电流的热效应，确立了 $P=I^2R$ 的关系，为电功率的计算奠定了基础。
1879年，爱迪生发明了实用的白炽灯，电功率的概念随着电力照明的普及而走进千家万户。

核心概念

额定电压 ( $U_{额}$ )

2.5\text{V}

用电器正常工作时的电压。本实验小灯泡的额定电压为 $2.5V$ 。

额定功率 ( $P_{额}$ )

P_{额} = U_{额}I_{额}

用电器在额定电压下工作时的电功率。反映了设计的标准发光能力。

实际功率 ( $P_{实}$ )

P_{实} = U_{实}I_{实}

用电器在实际电压下工作时的功率。它随实际电压的变化而变化，决定了灯泡当时的亮度。

公式与推导

电功率定义式

P = UI

电功率等于电压与电流的乘积。单位为瓦特 (

W

)。这是计算电功率最通用的公式。

纯电阻电路功率

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

仅适用于纯电阻电路（如灯泡、加热器）。它表明在电阻不变时，功率与电压的平方成正比。

实验步骤

1
测量额定功率
闭合开关，调节滑动变阻器，使电压表的示数恰好为 $2.5V$ 。观察灯泡亮度并记录此时的电流值，算出其额定功率。
2
测量低电压下的功率
调节变阻器，使电压降至 $2.0V$ 左右。预测一下：灯泡会变得更亮还是更暗？记录数据并算出此时的实际功率。
3
测量高电压下的功率
小心调节变阻器，使电压略高于 $2.5V$ （例如 $2.8V$ ）。注意观察亮度的显著变化。思考：为什么长期这样使用会缩短灯泡寿命？
4
数据分析
对比三次测量的 $P$ 值与亮度关系。确认结论：灯泡的亮度取决于实际功率，而非额定功率。

学习目标

掌握测定小灯泡电功率的实验电路设计和器材选择 (伏安法)
深刻理解额定电压、额定功率与实际电压、实际功率的关系
验证结论：灯泡的亮度由实际功率决定 ( $P_{实}$ )
运用 $P=UI$ 公式进行电学计算

生活应用

家用电器选购：空调、微波炉等大功率电器需要专用插座，以防功率过大导致线路过热。
节能灯推广：LED 灯在消耗更少电功率 ( $W$ ) 的情况下能产生相同的亮度 (Lumens)，效率更高。
电路安全保护：保险丝或断路器根据电路总功率（总电流）设计，防止过载。

常见误区

误区

灯泡的额定功率会随着电压的改变而改变

正解

错误。额定功率是出厂时设定的固有参数（铭牌上的值），不随外部条件改变。改变的是「实际功率」。

误区

实际电压越高，灯泡就越亮，所以应该一直用高电压

正解

错误。虽然电压高亮度大，但超过额定电压会导致灯丝温度过高，加速升华甚至熔断。灯泡应尽量在额定电压下工作。

误区

100W 的灯泡一定比 60W 的灯泡亮

正解

不一定。只有在都在额定电压下工作（正常发光）时才是如此。如果 100W 灯泡电压很低，它可能比正常发光的 60W 灯泡暗。

准备好了吗？

现在你已经了解了基础知识，开始动手实验吧！

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概述

背景知识

核心概念

额定电压 (U额U_{额}U额​)

额定功率 (P额P_{额}P额​)

实际功率 (P实P_{实}P实​)

公式与推导

电功率定义式

纯电阻电路功率

实验步骤

测量额定功率

测量低电压下的功率

测量高电压下的功率

数据分析