【物理】2019届一轮复习人教版实验九描绘小电珠的伏安特性曲线学案

【物理】2019届一轮复习人教版实验九描绘小电珠的伏安特性曲线学案

实验九　描绘小电珠的伏安特性曲线 考纲要求 考情分析 命题趋势 描绘小电珠的伏安特性曲线 ‎2017·全国卷Ⅰ，23‎ ‎2016·天津卷，9(3)‎ 高考对本实验的考查主要侧重于以下四个方面：1.伏安法测电阻电路连接形式(电流表内接、外接)的确定：2.控制电路的确定(分压式)，3.实验仪器的选择；4.实验原理的理解及其创新(注意结合电源的U－I图线考查工作点问题)‎ 知识梳理·夯实基础 一、实验流程 二、注意事项 ‎1．电流表外接法 本实验中被测小电珠灯丝的电阻值较小．因此测量电路必须采用电流表外接法．‎ ‎2．滑动变阻器应采用分压式连接 本实验要做出U－I图象，要求测出一组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压接法．‎ ‎3．保护元件安全 为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于图中的a端．加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压．‎ 三、误差分析 ‎1．由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，对电路的影响会带来误差，电流表外接，由于电压表的分流，使测得的电流值大于真实值．‎ ‎2．测量时读数带来误差．‎ ‎3．在坐标纸上描点、作图带来误差．‎ 核心考点·分层突破 考点1　电路设计和实验原理 ‎[例1](2017·全国卷Ⅰ)某同学研究小灯泡的伏安特性．所使用的器材有：小灯泡L(额定电压3.8 V，额定电流‎0.32 A)；电压表V(量程3 V，内阻3 kΩ)；电流表A(量程‎0.5 A，内阻0.5 Ω)；固定电阻R0(阻值1 000 Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0 Ω)；电源E(电动势5 V，内阻不计)；开关S；导线若干．‎ ‎(1)实验要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，画出实验电路原理图．‎ ‎(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图甲所示．‎ 由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻__增大__，灯丝的电阻率__增大__.(均选填“增大”“不变”或“减小”)‎ ‎(3)用另一电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)和题给器材连接成图乙所示的电路，调节滑动变阻器R的阻值，可以改变小灯泡的实际功率．闭合开关S，在R的变化范围内，小灯泡的最小功率为__0.39__W，最大功率为__1.17__W.(结果均保留两位小数)‎ 解析　(1)要实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，则滑动变阻器需要设计成分压接法；电压表V应与固定电阻R0串联，将量程改为4 V．由于小灯泡正常发光时电阻约为12 Ω，所以需将电流表外接．‎ ‎(2)由小灯泡伏安特性曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻增大．根据电阻定律可知，灯丝的电阻率增大．(3) 当滑动变阻器接入电路中的阻值最大为9.0 Ω时，流过小灯泡的电流最小，小灯泡的实际功率最小，把滑动变阻器视为等效电源内阻的一部分，在题图甲中画出等效电源E′0(电动势4 V，内阻1.00 Ω＋9.0 Ω＝10 Ω)的伏安特性曲线，函数表达式 为U＝4－10I(V)，图线如图中Ⅰ所示，故小灯泡的最小功率为Pmin＝U1I1＝1.75×0.225 W≈0.39 W．当滑动变阻器接入电路中的阻值最小为零时，流过小灯泡的电流最大，小灯泡的实际功率最大，在题图甲中画出电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)的伏安特性曲线，函数表达为为U＝4－I(V)，图线如图中Ⅱ所示，故小灯泡的最大功率为Pmax＝U2I2＝3.68×0.318 W≈1.17 W.‎ 考点2　数据处理和误差分析 ‎[例2]某学习小组探究一小电珠在不同电压下的电功率大小．实验器材如图甲所示，现已完成部分导线的连接．‎ ‎(1)实验要求滑动变阻器的滑片从左到右移动过程中，电流表的示数从零开始逐渐增大，请按此要求用笔画线代替导线在图甲实物接线图中完成余下导线的连接；‎ ‎(2)某次测量，电流表指针偏转如图乙所示，则电流表的示数为__0.44__A；‎ ‎(3)该小组描绘出的伏安特性曲线如图丙所示，根据图线判断，将__4__只相同的小电珠并联后，直接与电动势为3 V、内阻为1 Ω的电源组成闭合回路，可使小电珠的总功率最大，其总功率的值约为__2.25__W.(结果保留两位小数)‎ 解析　(1)连线如图所示．‎ ‎(2)由图知电流表量程为‎0.6 A，所以读数为‎0.44 A；(3)电源内阻为1 Ω.所以当外电路总电阻等于电源内阻时，电源的输出功率最大，即小电珠的总功率最大，此时外电路电压等于内电压等于1.5 V．由图丙知当小电珠电压等于1.5 V时电流约为‎0.38 A，此时电阻约为R＝＝3.95 Ω≈4 Ω，并联后的总电阻为1 Ω，所以需要4个小电珠并联，小电珠消耗的总功率为P＝＝ W＝2.25 W.‎ 考点3　实验改进与创新 ‎　本实验的创新改进之处主要集中在三点：‎ ‎1．数据处理方式的改进：采取“DIS”数字化实验系统进行数据的采集和处理．‎ ‎2．被测元件的变更：探究其他元件的伏安特性．‎ ‎3．实验目的变更：如探究元件的电阻随温度变化的规律．‎ ‎[例3]某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括电压表(内阻约为3 kΩ)、电流表(内阻约为1 Ω)、定值电阻等．‎ ‎(1)使用多用电表测元件X的电阻．选择“×‎1”‎欧姆档测量，示数如图甲所示，读数为__10__Ω.据此应选择图中的__乙__(选填“乙”或“丙”)电路进行实验．‎ ‎(2)连接所选电路，闭合S；滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，电流表的示数逐渐__增大__；(选填“增大”或“减小”)‎ 依次记录电流及相应的电压；将元件X换成元件Y，重复试验．‎ ‎(3)图丁是根据实验数据作出的U－I图线．由图可判断元件__Y__(选填“X”或“Y”)是非线性元件．‎ ‎(4)该小组还借助X和Y中的线性元件和阻值R＝21 Ω的定值电阻，测量待测电池的电动势E和内阻r.电路如图戍所示．闭合S1和S2，电压表读数为3.00 V；断开S2，读数为1.00 V，利用图丁可算得E＝__3.2__V，r＝__0.50__Ω.(结果均保留两位有效数字，视电压表为理想电压表)‎ 解析　(1)欧姆表的读数R＝示数×倍率，得R＝10 Ω；根据实验电路产生误差的原因知应选用电流表外接，故选择乙电路进行实验．‎ ‎(2)滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，R左增大，待测电阻两端的电压增大，所以电流表的示数增大．‎ ‎(3)根据伏安特性曲线知，X为线性元件，Y为非线性元件，且RX＝10 Ω.‎ ‎(4)由闭合电路欧姆定律 S1、S2均闭合，有U1＝RX，‎ S1闭合，S2断开，有U2＝RX，‎ 解以上两式得 r＝0.50 Ω，E≈3.2 V.‎ 对应演练·迁移运用 ‎1．为了测量一个“12 V　5 W”的小电珠在不同电压下的功率，给定了以下器材 电源：12V，内阻不计；‎ 电流表：0～0‎.6A,0～3A，内阻可忽略；‎ 电压表：0～3 V,0～15 V，内阻很大；‎ 滑动变阻器：阻值范围0～20 Ω，允许最大电流‎1 A；‎ 开关一个，导线若干．‎ 实验时要求加在电阻两端的电压可从0调到12 V.‎ ‎(1)将图甲中的实物图连接完整．‎ ‎(2)某位同学测得小电珠的伏安特性曲线如图乙所示，某次测量时，小电珠电流大小为‎0.40 A，则此时加在它两端的电压为__6.0__V，此时小电珠的实际功率为__2.4__W.‎ 解析　(1)由于要求电压从0开始调节，故滑动变阻器应采用分压式接法．又因电流表内阻可忽略．电压表内阻很大，则电流表采用内接法、外接法均可以，实物连接如图．‎ ‎(2)由I－U图线得，当I＝‎0.40 A时，U＝6.0 V，故小电珠的实际功率为P＝IU＝2.4 W.‎ ‎2．图甲是小红同学在做“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验的实物连接图．‎ ‎(1)根据图甲画出实验电路图；‎ ‎(2)调节滑动变阻器得到了两组电流表(①②)与电压表(③④)的示数如图乙中的①、②、③、④所示，电流表量程为‎0.6 A，电压表量程为3 V．所示读数为①__0.10_A__、②__0.24_A__、③__2.00_V__、④__0.27_V__.两组数据得到的电阻分别为__2.7(±0.1)Ω__和__8.3(±0.1)Ω__.‎ 解析　(1)实验电路图如图所示．‎ ‎(2)电流表量程为‎0.6 A，每一小格代表‎0.02 A，读数时估读到精度的本位即可；电压表量程为3 V，每一小格代表0.1 V，读数时估读到精度的下一位．读数分别为①‎0.10 A、②‎0.24 A、③2.00 V、④0.27 V，应用R＝求电阻时，电流为‎0.10 A时对应的电压为0.27 V；电流为‎0.24 A时对应的电压为2.00 V，求得的两组数据对应的电阻分别为2.7 Ω和8.3 Ω .‎ ‎3．(2018·陕西部分学校摸底检测)某同学利用如下实验器材“研究小灯泡的伏安特性曲线”：电源(电动势3 V，内阻可忽略不计)、滑动变阻器(最大阻值10 Ω)、电压表、电流表、开关、小灯泡、导线若干．‎ ‎(1)实验过程中某次实验时电压表、电流表的指针如图甲所示，则电压表读数为__1.20__V，电流表读数为__0.40__A．‎ 甲 ‎(2)根据实验得到的数据作出小灯泡的U－I图象如图乙所示，则可知小灯泡的电阻随电压增大而__增大__.(选填“增大”“减小”或“不变”)‎ ‎(3)用铅笔在图丙中把缺少的导线补全，连接实验电路．‎ ‎(4)若正确连线后，合上开关，移动滑动变阻器的滑片，小灯泡不能完全熄灭，其他完全正常，则可判断是导线__EN__(选填接线柱字母，如“GH”)发生断路；此时的电路中，小灯泡可能获得的最小功率是__0.13(0.12～0.14均可)__W.(保留两位有效数字)‎ 乙　　　　　　　　　　　　丙 解析　(1)电压表示数为12.0×0.1 V＝1.20 V，电流表示数为20×‎0.02 A＝‎0.40 A．(2)根据题图乙可知，随着电压升高，小灯泡的电阻增大．(3)研究小灯泡的伏安特性曲线，电压应从零开始，因而滑动变阻器采用分压接法．小灯泡电阻较小，电流表采用外接法．实物图连接见答图甲．(4)正确连线后，移动滑动变阻器的滑片，小灯泡不能完全熄灭，则可能是导线EN断路．EN导线断路后，当滑动变阻器的阻值全部连入电路，电流最小，小灯泡的功率最小．此时把滑动变阻器的阻值作为电源内阻，在小灯泡的U－I图线中画出等效电源的U－I图线，两图线的交点即为小灯泡功率最小时的工作状态点(如答图乙)，由图线可知P ‎＝0.26×0.50 W＝0.13 W.‎ ‎4．(2017·广东惠州调研)测绘一个标有“3 V　0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线，灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3 V并便于操作．已选用的器材有：‎ 电池组(电动势为4.5 V，内阻约1 Ω)；‎ 电流表(量程为0～250 mA，内阻约5 Ω)；‎ 电压表(量程为0～3 V，内阻约3 kΩ)；‎ 电键一个、导线若干．‎ ‎(1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的__A__.(选填字母代号)‎ A．滑动变阻器(最大阻值20 Ω，额定电流‎1 A)‎ B．滑动变阻器(最大阻值1 750 Ω，额定电流‎0.3 A)‎ ‎(2)实验的电路图应选用下列的图__B__.(选填字母代号)‎ ‎(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图所示．如果将这个小灯泡接到电动势为1.5 V，内阻为5 Ω的电源两端，小灯泡消耗的功率是__0.1__W.‎ 解析　(1)描绘小灯泡伏安特性曲线实验要求电压调节范围大，因此滑动变阻器采用分压式，为使调节过程中电压变化尽可能均匀，选用最大阻值较小的滑动变阻器A．‎ ‎(2)由于小灯泡的电阻比较小，因此电流表采用外接法，选用B图．‎ ‎(3)画出电源的伏安特性曲线，如图所示，两个图线的交点即为小灯泡接在电源两端时小灯泡中的电流与小灯泡两端的电压，U＝1.0 V，I＝‎0.10 A，因此小灯泡消耗的功率为P＝UI＝0.1 W.‎