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文档介绍
【物理】2020届一轮复习人教版实验:描绘小灯泡的伏安特性曲线学案
第4讲 实验:描绘小灯泡的伏安特性曲线 一、实验目的 1.描绘小灯泡的伏安特性曲线。 2.分析曲线的变化规律。 二、实验原理 1.用电流表测出流过小灯泡的电流,用电压表测出小灯泡两端的电压,测出多组(I,U)值,在U-I坐标系中描出各对应点,用一条平滑的曲线将这些点连接起来。 2.电流表采用外接法(填“内接”或“外接”),因为小灯泡电阻很小,如果内接电流表,分压明显。 滑动变阻器采用分压式,使电压能从0开始连续变化。 三、实验器材 小灯泡,4~6 V学生电源,滑动变阻器,电压表,电流表,开关,导线若干。 四、实验步骤 1.连接电路 将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、电源、开关用导线连接成如图所示电路。 2.测出小灯泡在不同电压下的电流 移动滑动变阻器触头位置,测出12组左右不同的电压值U和电流值I,并将测量数据填入表格。 3.画出伏安特性曲线 (1)在坐标纸上以I为纵轴,以U为横轴,建立坐标系。 (2)在坐标纸上描出各组数据所对应的点。(坐标系纵轴和横轴的标度要适中,以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜) (3)将描出的点用平滑曲线连接起来,就得到小灯泡的伏安特性曲线。 (4)拆除电路、整理仪器。 五、注意事项 1.电路的连接方式。 (1)电流表应采用外接法,因为小灯泡(3.8 V 0.3 A)的电阻很小,与量程为0~0.6 A的电流表串联后,电流表的分压影响很大。 (2)滑动变阻器应采用分压式连接,目的是使小灯泡两端的电压能从0开始连续变化。 2.闭合开关S前,滑动变阻器触头应移到使小灯泡分得电压为0的一端,可以使开关闭合时小灯泡电压能从0开始变化,同时,也为了防止开关刚闭合时小灯泡两端因电压过大而烧坏灯丝。 3.U-I图线在U0=1.0 V左右将发生明显弯曲,故在U=1.0 V左右描点要密,以防止出现较大误差。 4.电流表选择0.6 A量程,电压表量程的选择视小灯泡的额定电压而定,即使用的若是“3.8 V 0.3 A”的小灯泡,选用电压表的15 V量程,若使用“2.5 V 0.6 A”的小灯泡,则选用电压表的3 V量程。 5.保持小灯泡电压接近额定值时要缓慢增加,到额定值时,记录I后马上断开开关。 6.误差较大的点要舍去,U-I图象应是平滑曲线而非折线。 六、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。 2.测量时读数带来误差。 3.在坐标纸上描点、作图带来误差。 (判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。) 1.灯泡的电阻较小,用伏安法测电阻时应采用电流表外接法。(√) 2.为了多测几组数据,滑动变阻器应用分压式接法。(√) 3.用电流表外接法测电阻时,由于电压表的分流作用,致使电阻测量值偏大。(×) 1.(伏安法测电阻)在伏安法测电阻的实验中,待测电阻Rx阻值约为200 Ω,电压表V的内阻约为2 kΩ,电流表A的内阻约为10 Ω,测量电路中电流表的连接方式如图甲或乙所示,结果由公式Rx=计算得出,式中U与I分别为电压表和电流表的读数;若将图甲和图乙中电路测得的电阻值分别记为Rx1和Rx2,则________(填“Rx1”或“Rx2”)更接近待测电阻的真实值,且测量值Rx1______(填“大于”“等于”或“小于”)真实值,测量值Rx2________(填“大于”“等于”或“小于”)真实值。 解析 因为Rx≈200 Ω,而RV≈2 kΩ,RA≈10 Ω,有Rx>,所以选用电流表内接法误差较小,即Rx1更接近于真实值。根据“大内偏大,小内偏小”可知Rx1大于真实值,Rx2小于真实值。 答案 Rx1 大于 小于 2.(图象法处理数据)在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,某同学测得电流—电压的数据如下表所示: 电流I/mA 2.7 5.4 12.4 19.5 27.8 36.4 47.1 56.1 69.6 81.7 93.2 电压U/V 0.04 0.08 0.21 0.54 1.30 2.20 3.52 4.77 6.90 9.12 11.46 (1)用上表数据描绘电压随电流的变化曲线。 (2)为了探究灯丝电阻与温度的关系,已作出电阻随电流的变化曲线如图所示;请指出图线的特征,并解释形成的原因。 答案 (1)如图所示 (2)电阻随电流增大存在三个区间,电阻随电流的变化快慢不同。第一区间电流很小时,电阻变化不大;第二区间灯丝温度升高快,电阻增大快;第三区间部分电能转化为光能,灯丝温度升高变慢,电阻增大也变慢。 考点1 实物图连接和数据处理 考|点|速|通 1.各导线都应连接在接线柱上。 2.不应在导线中间出现交叉,导线不能跨过仪器。 3.连接电表应注意量程选用正确,正、负接线柱不要接错。 4.开关要控制整个电路。 典|例|微|探 【例1】 某学习小组欲探究小灯泡(“3 V、1.5 W”)的伏安特性,可提供的实验器材如下: A.电池组:电动势约4.5 V,内阻可不计; B.双量程的电压表:V1:量程为0~3 V、内阻约为3 kΩ;V2:量程为0~15 V、内阻约为15 kΩ C.双量程的电流表:A1:量程为0~0.6 A、内阻约为1 Ω;A2:量程为0~3 A、内阻约为0.1 Ω D.滑动变阻器R:阻值范围为0~10 Ω、允许通过的最大电流为2 A; E.开关S,导线若干。 在尽量提高测量精度的情况下,请回答下列问题: (1)根据以上器材,用笔画线代替导线将图甲中的实物图连接成完整电路。 (2)闭合开关前,滑动变阻器的滑片应移到________(填“A”或“B”)端。 (3)调节滑动变阻器得到电压、电流数据如下表,请在如图乙所示的坐标纸上画出小灯泡的U-I图线。 组数 1 2 3 4 5 6 7 U/V 0 0.28 0.58 0.92 1.50 2.00 3.00 I/A 0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.45 0.49 (4)根据图线可估得小灯泡在常温下的电阻约为________Ω。(结果保留两位有效数字) 解析 (1)因待测灯泡的阻值较小,故采用电流表外接;滑动变阻器用分压电路;连接如图所示。 (2)闭合开关前,滑动变阻器的滑动片应移到A端; (3)小灯泡的U-I图线如图。 (4)作出过O点的切线,如图所示;常温下的电阻图线是过原点的切线的斜率,故R= Ω=2.8 Ω。 答案 (1)见解析图 (2)A (3)见解析图 (4)2.8(2.7~3.0均正确) 题|组|冲|关 1.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,除有一标有“6 V,1.5 W”的小灯泡、导线和开关外,还有: A.直流电源6 V(内阻不计) B.直流电流表0~3 A(内阻0.1 Ω以下) C.直流电流表0~300 mA(内阻约为5 Ω) D.直流电压表0~10 V(内阻约为15 kΩ) E.滑动变阻器10 Ω,2 A F.滑动变阻器1 kΩ,0.5 A 实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。 (1)实验中电流表应选用__________,滑动变阻器应选用__________。(均用字母表示) (2)在下列虚框中画出实验电路图。 (3)试将如图所示器材连成实物电路。 解析 由I额= A=250 mA,故选C项。因要求电压从零开始变化,变阻器用分压接法,应选小阻值的E。 答案 (1)C E (2)实验电路如图所示 (3)实验电路如图所示 2.为探究小灯泡的电功率P和电压U的关系,某同学测量小灯泡的电压U和电流I,利用P=UI得到电功率。实验所使用的小灯泡规格为“3.0 V,1.8 W”,电源为12 V的电池,滑动变阻器的最大阻值为10 Ω。 (1)准备使用的实物电路如图所示。请将滑动变阻器接入电路的正确位置。(用笔画线代替导线) (2)现有10 Ω、20 Ω和50 Ω的定值电阻,电路中的电阻R1应选________ Ω的定值电阻。 (3)测量结束后,应先断开开关,拆除________两端的导线,再拆除其他导线,最后整理好器材。 (4)小明处理数据后将P、U2描点在坐标纸上,并作出了一条直线,如图所示。请指出图象中不恰当的地方。 解析 (1)连线如图所示。 (2)小灯泡电阻大约为5 Ω,当滑动变阻器阻值最大时,小灯泡与滑动变阻器的并联电阻值约为3.3 Ω,则12 V-3 V=×R1,解得R1=9.9 Ω,所以R1应取10 Ω的定值电阻。 (3)实验结束,断开开关,拆除电池两端导线,以防电源短路。 (4)在坐标纸上描出的点并不是在一条直线上,图线应为曲线;横坐标的标度值取得太大,应适当减小。 答案 (1)见解析图 (2)10 (3)电池 (4)图线不应画为直线;横坐标的标度不恰当 考点2 实验的迁移、拓展和创新 考|点|速|通 以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器等设置题目,体现开放性、探究性的特点。 1.以实验原理及实验方法为基础,探究小灯泡功率与电压的关系。 2.采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理。 3.与原数据处理方式的比较 (1)原方案 ①优点:由学生读出电压表、电流表的数据,并亲自动手绘出伏安特性曲线,可锻炼学生的读数、动手操作能力。 ②缺点:学生读数、绘图带来较大误差。 (2)改进方案 ①优点:电压、电流由传感器测出,由电脑进行数据分析,再进行绘图,快捷、准确,误差较小。 ②缺点:一切在电脑上运行,学生的动手能力得不到锻炼。 典|例|微|探 【例2】 某同学利用图甲所示电路测量量程为2.5 V的电压表V的内阻(内阻为数千欧姆),可供选择的器材有:电阻箱R(最大阻值99 999.9 Ω),滑动变阻器R1(最大阻值50 Ω),滑动变阻器R2(最大阻值5 kΩ),直流电源E(电动势3 V),开关1个,导线若干。 实验步骤如下: ①按电路原理图甲连接线路。 甲 ②将电阻箱阻值调节为0,将滑动变阻器的滑片移到与图甲中最左端所对应的位置,闭合开关S。 ③调节滑动变阻器,使电压表满偏。 ④保持滑动变阻器滑片的位置不变,调节电阻箱阻值,使电压表的示数为2.00 V,记下电阻箱的阻值。 回答下列问题: (1)实验中选择滑动变阻器__________(填“R1”或“R2”)。 (2)根据图甲所示电路将图乙中实物图连线。 (3)实验步骤④中记录的电阻箱阻值为630.0 Ω,若认为调节电阻箱时滑动变阻器上的分压不变。计算可得电压表的内阻为__________ Ω。(结果保留到个位) (4)如果此电压表是由一个表头和电阻串联构成的,可推断该表头的满刻度电流为__________。(填选项字母) A.100 μA B.250 μA C.500 μA D.1 mA 解析 (1)为了使电阻箱调节时,滑动变阻器分得的电压变化很小,分压电路中滑动变阻器的最大阻值越小越好,因此应选用R1。(3)如果认为滑动变阻器分得的电压不变,则调节电阻箱后,电压表两端的电压为2.00 V,电阻箱两端的电压为0.5 V,根据串联电路的分压原理,=,求得电压表的内阻RV=4×630.0 Ω=2 520 Ω。(4)如果此电压表由一个表头与一个电阻串联组成,可知此表头的满偏电流为Ig=≈1 mA,D项正确。 答案 (1)R1 (2)连线如图所示 (3)2 520 (4)D 题|组|冲|关 1.如图甲所示为某同学实验得到的小灯泡灯丝电阻的U-I 关系曲线图。 (1)在图乙中画出实验电路图(根据该电路图可得到U-I 关系的完整曲线),可用的器材有:电压传感器、电流传感器、滑动变阻器(变化范围0~50 Ω)、电动势为6 V的电源(不计内阻)、小灯泡、开关、导线若干。 (2)如果将该小灯泡分别接入图丙、丁两个不同电路,其中丙电路的电源为一节干电池,丁电路的电源为三节干电池,每节干电池的电动势为1.5 V,内电阻为1.5 Ω,定值电阻R=18 Ω。则接入________(填“丙”或“丁”)电路时,小灯泡较亮些。 (3)在电路丁中,小灯泡消耗的电功率为________ W。 (4)若将电路丁中的电阻R替换为另一个完全相同的小灯泡,其他条件不变,则此时电源内部的发热功率为______ W。 解析 由于要画出U-I关系的完整曲线,必须用滑动变阻器分压式接法画出实验电路图。分别在小灯泡灯丝电阻的U-I关系曲线图上画出电源的伏安特性曲线,与小灯泡灯丝电阻的U-I关系的曲线交点即为工作点。显然接入丙电路时,灯泡中电流较大,小灯泡较亮些。在电路丁中,小灯泡消耗的电功率为P=UI=1×0.15 W =0.15 W。若将电路丁中的电阻R替换为另一个完全相同的小灯泡,其他条件不变,可等效为电动势为2.25 V、内阻为2.25 Ω的电池连接一个灯泡,在小灯泡灯丝电阻的U-I关系曲线图上画出电源(电动势2.25 V,内阻2.25 Ω)的伏安特性曲线,与小灯泡灯丝电阻的U-I关系曲线交点对应的横坐标值为电源输出电流I=0.26 A,此时电源内部的发热功率为P=I2r=0.262×4.5 W≈0.30 W。 答案 (1)实验电路图如图所示。 (2)丙 (3)0.15 (4)0.30 2.硅光电池在无光照时不产生电能,可视为一电子元件。某实验小组设计如图甲电路,给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点,正极接低电势点),探究其在无光照时的反向伏安特性。图中电压表V1量程选用3 V,内阻为6.0 kΩ;电压表V2量程选用15 V,内阻约为30 kΩ;R0为保护电阻;直流电源电动势E约为12 V,内阻不计。 (1)根据图甲,用笔画线代替导线,将图乙连接成完整电路。 (2)用遮光罩罩住硅光电池,闭合开关S,调节变阻器R,读出电压表V1、V2的示数U1、U2。 ①某次测量时,电压表V1示数如图丙,则U1=______ V,可算出通过硅光电池的反向电流大小为________ mA。(结果保留两位小数) ②该小组测出大量数据,筛选出下表所示的9组U1、U2数据,算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“-”表示反向),并在坐标纸上建立Ix-Ux坐标系,标出了与表中前5组Ux、Ix数据 对应的5个坐标点。请你标出余下的4个坐标点,并绘出Ix-Ux图线。 ③由Ix-Ux图线可知,硅光电池无光照下加反向电压时,Ix与Ux成________(填“线性”或“非线性”)关系。 解析 V1选用的是3 V量程,则刻度盘的最小分度为0.1 V,根据电表的读数原则知U1=14.0×0.1 V=1.40 V,I1=≈0.23 mA。描点与绘图如图(b)所示。由于绘出的Ix-Ux图象不是直线,即Ix与Ux成非线性关系。 图(a) 图(b) 答案 (1)连线见解析图(a) (2)①1.40 0.23 ②描点绘出Ix-Ux,图线见解析图(b) ③非线性 1.(2018·全国卷Ⅰ)某实验小组利用如图(a)所示的电路探究在25 ℃~80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性,所用器材有:置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT,其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω;电源E(6 V,内阻可忽略);电压表(量程150 mV);定值电阻R0(阻值20.0 Ω),滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω);电阻箱R2(阻值范围0~999.9 Ω);单刀开关S1,单刀双掷开关S2。 实验时,先按图(a)连接好电路,再将温控室的温度t升至80.0 ℃,将S2与1端接通,闭合S1,调节R1的滑片位置,使电压表读数为某一值U0;保持R1的滑片位置不变,将R2置于最大值,将S2与2端接通,调节R2,使电压表读数仍为U0;断开S1,记下此时R2的读数,逐步降低温控室的温度t,得到相应温度下R2的阻值,直至温度降到25.0 ℃,实验得到的R2-t数据见下表。 t/℃ 25.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 R2/Ω 900.0 680.0 500.0 390.0 320.0 270.0 240.0 回答下列问题: (1)在闭合S1前,图(a)中R1的滑片应移动到______(填“a”或“b”)端; (2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并做出R2-t曲线; (3)由图(b)可得到RT,在25 ℃~80 ℃范围内的温度特性,当t=44.0 ℃时,可得RT=________Ω; (4)将RT握于手心,手心温度下R2的相应读数如图(c)所示,该读数为________Ω,则手心温度为________℃。 解析 (1)图(a)的电路滑动变阻器采用限流接法,在闭合S1前,R1应该调节到接入电路部分的电阻值最大,使电路中电流最小,即图(a)中的R1的滑片应移到b端。 (2)将t=60 ℃和t=70 ℃对应的两组数据对应画在坐标图上,然后用平滑曲线(过尽可能多的数据点)画出R2-t 图象。 (3)根据题述实验过程可知,测量的R2数据等于对应的热敏电阻RT的电阻值。由画出的R2-t图象可知,当t=44.0 ℃时,对应的RT=450 Ω。 (4)由画出的R2-t图象可知,当RT=620.0 Ω,则手心温度t=33.0 ℃。 答案 (1)b (2)如图所示 (3)450 (4)620.0 33.0 2.某实验小组要精确测定额定电压为2.5 V的LED灯正常工作时的电阻。已知该灯正常工作时的电阻约为500 Ω,电路符号与小灯泡相同。实验室提供的器材有: A.电流表(量程0~10 mA,内阻RA1约为3 Ω,示数用I1表示) B.电流表(量程0~3 mA,内阻RA2=15 Ω,示数用I2表示) C.定值电阻R1=697 Ω D.定值电阻R2=985 Ω E.滑动变阻器R(量程0~20 Ω) F.电压表(量程0~12 V,内阻RV=1 kΩ,示数用U表示) G.蓄电池(电动势12 V,内阻很小) H.开关一个,导线若干 (1)实验电路图如图甲所示,请选择合适的器材,电表1为________,电表2为____________,定值电阻为____________;(填器材前字母代号) (2)将图乙中的实物图按照实验电路图补充完整; (3)写出测量LED灯正常工作时的电阻的表达式为Rx=____________。(用相应字母表示) 解析 本题考查电学实验,意在考查考生的实验能力。(1)测量电阻的基本方法是伏安法,由于题中提供的电压表量程太大,故选择定值电阻R2与阻值已知的电流表串联可将其改装成量程合适的电压表。由于电流表的量程较大,应将其接在干路上。 (2)实验电路如图所示。 (3)对测量电路,由并联电路电压、电流关系有I2(R2+RA2)=(I1-I2)Rx,解得Rx=(R2+RA2)。 答案 (1)A B D (2)答案见解析 (3)(R2+RA2) 3.(2019·唐山一模)两块量程均为0~10 mA但内阻未知的电流表A1、A2,现通过如图所示电路来测量其中一电流表的电阻。 (1)连接电路,将滑动变阻器R1的滑片滑到最______(填“左”或“右”)端,闭合开关S。 (2)将电阻箱R2调到某一阻值,然后调整滑动变阻器R1滑片的位置,使两电流表均有较大幅度的偏转。 (3)记录此时两电流表的读数I1、I2和电阻箱的阻值R2。 (4)根据以上数据可以得到电流表________(填“A1”或“A2”)的阻值,若I1=6.0 mA,I2=9.0 mA,R2=23.6 Ω,则该电流表的电阻为________Ω。 (5)多次测量,计算该电流表电阻的平均值。 解析 (1)闭合开关前,滑动变阻器应处于电阻最大值的位置,滑片滑到最左端。 (4)可测量电流表A1的阻值,测量原理关系式I1r1=(I2-I1)R2,代入数据解得r1=11.8 Ω。 答案 (1)左 (4)A1 11.8 4.(2019·龙岩质检)市场上有一种通过USB接口供电的小型电风扇,它的额定电压为5 V,额定功率看不清楚,约2.5 W。某同学想用下图所示的电路,测量该电风扇正常运转时电动机的电能转化为机械能的效率,除待测小风扇外,实验室提供的器材如下: A.双量程电流表A:量程和内阻分别为“0.6 A,约0.5 Ω”和“3 A,约0.1 Ω” B.双量程电压表V:量程和内阻分别为“3 V,约3 kΩ”和“15 V,约15 kΩ” C.滑动变阻器R:最大阻值5 Ω,额定电流2 A D.电源:电动势6 V,内阻不计 E.开关、导线若干 (1)该测量电路中电流表的量程应该选用________A,采用“电流表外接法”的理由是_____________________________ ____________________________________________________。 (2)该同学打开电风扇底座上的USB接口,找到电风扇电动机的两条引线,作为电风扇的两个接线端。 (3)根据电路图和测量要求,电压表选用0~3 V量程,用笔画线代替导线,在实物图中完成测量小风扇电动机线圈电阻的电路连接。 (4)控制风扇不转动,闭合开关,调节滑动变阻器,当电流表的示数为0.50 A时,读出电压表的示数为1.0 V。 (5)电压表选用0~15 V量程,闭合开关,调节滑动变阻器,当电压表示数为5.0 V时,计算出电流表的示数0.50 A。 (6)该电风扇正常运转时电动机的效率为________。 解析 (1)电动机的额定电流约为I==0.5 A,所以电流表选用0.6 A量程即可,电流表采用外接法的原因是电动机线圈电阻远小于电压表内阻。 (3)为了增大电压表的调节范围,滑动变阻器采用分压式接法。 (6)风扇不转动时,可测量电动机的内阻R==2 Ω,风扇正常运转时电动机的效率η=×100%=×100%=×100%=80%。 答案 (1)0.6 电动机线圈电阻远小于电压表内阻(电动机线圈电阻与电流表内阻相当) (3)如图 (6)80% 5.(2018·天津高考)某同学用伏安法测定待测电阻Rx的阻值(约为10 kΩ),除了Rx,开关S、导线外,还有下列器材供选用: A.电压表(量程0~1 V,内阻约为10 kΩ) B.电压表(量程0~10 V,内阻约为100 kΩ) C.电流表(0~1 mA内阻约为30 Ω) D.电流表(0~0.6 A,内阻约为0.05 Ω) E.电源(电动势1.5 V,额定电流0.5 A,内阻不计) F.电源(电动势12 V,额定电流2 A,内阻不计) G.滑动变阻器R0(阻值范围0~10 Ω,额定电流2 A) (1)为使测量尽量准确,电压表选用________,电流表选用________,电源选用________。(均填器材前字母代号)。 (2)在下面的方框内画出测量Rx阻值的实验电路图。 (3)该同学选择器材、连接电路和操作均正确,从实验原理上看,待测电阻测量值会________其真实值(填“大于”“小于”或“等于”),原因是______________________________ ___________________________________________________。 解析 (1)若选用电动势为1.5 V的电源,由于被测电阻很大,电路中电流非常小,不利于实验,应选用12 V的电源,即F,电压表选用B,电路中的最大电流I= A=1.2 mA,故选用电流表C。 (2)因为给的滑动变阻器的最大阻值只有10 Ω,若采用限流接法,则电路中电流和电压变化不明显,故采用滑动变阻器的分压接法,由于<,所以采用电流表内接法,电路图如图所示。 (3)由于电流表的分压,导致电压测量值偏大,而电流准确,根据Rx=可知测量值偏大。 答案 (1)B C F (2)见解析图 (3)大于 电压表的读数大于待测电阻两端实际电压(其他正确表述也可)查看更多