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文档介绍
【物理】2018届一轮复习人教版描绘小电珠的伏安特性曲线学案
第46课时 描绘小电珠的伏安特性曲线(实验提能课) 一、实验目的 1.描绘小电珠的伏安特性曲线。 2.分析伏安特性曲线的变化规律。 二、实验原理 1.电路原理如图甲所示,测多组小电珠的U、I的值,并绘出IU图像(图乙)。 2.由图线的斜率反映电流与电压的关系,以及温度的影响。 三、实验器材 学生电源(4~6 V直流)或电池组、小电珠(3.8 V,0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐标纸、导线若干。 四、实验步骤 1.确定电流表、电压表的量程,采用电流表外接法,滑动变阻器采用分压式接法,按实验原理图连接好实验电路。 2.把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端,接线经检查无误后,闭合开关S。 3.移动滑动变阻器滑片位置,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中,断开开关S。 U(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 I(A) U(V) 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 I(A) 4.拆除电路,整理仪器。 五、数据处理 1.在坐标纸上以U为横轴,以I为纵轴,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.将描出的点用平滑的曲线连接起来,就得到小电珠的伏安特性曲线。 六、误差分析 1.由于电压表、电流表不是理想电表,电表内阻对电路的影响会带来系统误差。 2.电流表、电压表的读数带来偶然误差。 3.在坐标纸上描点、作图带来偶然误差。 七、注意事项 1.电路的连接方式 (1)电流表应采用外接法:小电珠(3.8 V,0.3 A)的电阻很小,与0~0.6 A的电流表串联时,电流表的分压影响很大。 (2)滑动变阻器应采用分压式接法:目的是能使小电珠两端的电压从零开始连续变化。 2.闭合开关S前,滑动变阻器的滑片应移到使小电珠分得电压为零的一端,使开关闭合时小电珠的电压从零开始变化,同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏灯丝。 3.I U图线在U0=1.0 V左右将发生明显弯曲,故在U=1.0 V 左右绘点要密,以防出现较大误差。 4.当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加,到额定值记录I后马上断开开关。 5.误差较大的点舍去,I U图线应是平滑曲线而非折线。 考点(一) 实验器材的选取和电路设计 [例1] 有一个小电珠上标有“4 V 2 W”的字样,现在要用伏安法描绘这个电珠的IU图线。有下列器材供选用: A.电压表(0~5 V,内阻10 kΩ) B.电压表(0~10 V,内阻20 kΩ) C.电流表(0~0.3 A,内阻1 Ω) D.电流表(0~0.6 A,内阻0.4 Ω) E.滑动变阻器(5 Ω,1 A) F.滑动变阻器(500 Ω,0.2 A) (1)实验中电压表应选用______,电流表应选用______。(用序号字母表示) (2)为使实验误差尽量减小,要求电压从零开始变化且多取几组数据,滑动变阻器应选用________。(用序号字母表示) (3)请在虚线框内画出满足实验要求的电路图,并把下图中所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图。 [解析] (1)因小电珠的额定电压为4 V,为保证安全,选用的电压表量程应稍大于4 V,但不能大太多,量程太大则示数不准确,故选用0~5 V的电压表,故选A;由P=UI得,小电珠的额定电流I==0.5 A,故应选择0~0.6 A量程的电流表,故选D。 (2)由题意可知,电压从零开始变化,并要求多测几组数据,故只能采用滑动变阻器分压接法,而分压接法中应选总阻值小的滑动变阻器,故选E。 (3)小电珠内阻R==8 Ω,电压表内阻远大于小电珠内阻,应采用电流表外接法,故电路图和实物连接图如图所示。 [答案] (1)A D (2)E (3)见解析图 本题考查了仪器的选择、电路设计与连接。选择电压表、电流表时,一是要考虑安全性,二是要考虑读数的精确。在电路设计中,本题要采用电流表的外接和滑动变阻器的分压式接法,而滑动变阻器的选择原则是尽量使操作简便、误差小。 考点(二) 电路实物连接分析和数据处理 [例2] (2017·西安五校联考)在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,要测量一个标有“3 V 1.5 W”的灯泡两端的电压和通过它的电流,现有如下器材: A.直流电源3 V(内阻可不计) B.直流电流表0~600 mA(内阻约0.5 Ω) C.直流电压表0~3 V(内阻约3 kΩ) D.滑动变阻器(10 Ω,1 A) E.滑动变阻器(1 kΩ,300 mA) F.开关、导线若干 (1)本实验中滑动变阻器选用________(填“D”或“E”)。 (2)某同学用导线a、b、c、d、e、f、g和h连接的电路如图甲所示,电路中所有元器件都是完好的,且电压表和电流表已调零。闭合开关后发现电压表的示数为2 V,电流表的示数为零,小灯泡不亮,则可确定断路的导线是________;若电压表示数为零,电流表的示数为0.3 A,小灯泡亮,则断路的导线是________;若反复调节滑动变阻器,小灯泡亮度发生变化,但电压表、电流表示数不能调为零,则断路的导线是________。 (3)下表中的各组数据是该同学在实验中测得的,根据表格中的数据在如图乙所示的坐标系中作出该灯泡的伏安特性曲线。 U/V I/A 0 0 0.5 0.17 1.0 0.30 1.5 0.39 2.0 0.45 2.5 0.49 [解析] (1)由题图甲所示电路图可知,滑动变阻器采用分压式接法,为方便实验操作,滑动变阻器应选D。 (2)根据电路中所有元器件都完好,且电压表和电流表已调零,闭合开关后,发现电压表的示数为2 V,电流表的示数为零,小灯泡不亮,则断路的导线为d;若电压表的示数为零,电流表的示数为0.3 A,小灯泡亮,则断路的导线为h;若反复调节滑动变阻器,小灯泡亮度发生变化,但电压表、电流表的示数不能调为零,则断路的导线为g。 (3)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点,然后作出图像。 [答案] (1)D (2)d h g (3)如图所示 本题考查了实验器材选择、实验故障分析、实验数据处理和描绘图像等。知道实验原理是正确解题的前提与关键;还要掌握描点、作图的方法,先根据实验数据在坐标系内描出对应点,然后用平滑的曲线把各点连接起来作出图像。 实验原理 的拓展 结合电表改装原理考查 (1)扩大电压表量程: (2)扩大电流表量程: 实验器材 的替代 可以用二极管或其他元件代替小灯泡,研究其伏安特性 数据处理 的创新 不仅可以考查伏安特性曲线,还可利用图像计算电阻、功率等 [例3] (2016·天津高考)某同学想要描绘标有“3.8 V,0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线,要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。可供该同学选用的器材除开关、导线外,还有: 电压表V1(量程0~3 V,内阻等于3 kΩ) 电压表V2(量程0~15 V,内阻等于15 kΩ) 电流表A1(量程0~200 mA,内阻等于10 Ω) 电流表A2(量程0~3 A,内阻等于0.1 Ω) 滑动变阻器R1(0~10 Ω,额定电流2 A) 滑动变阻器R2(0~1 kΩ,额定电流0.5 A) 定值电阻R3(阻值等于1 Ω) 定值电阻R4(阻值等于10 Ω) 定值电阻R5(阻值等于1 kΩ) 电源E(E=6 V,内阻不计) (1)请画出实验电路图,并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。 (2)该同学描绘出的IU图像应是下图中的________。 [解析] 描绘小灯泡的伏安特性曲线时,要求“测量数据尽量精确、绘制曲线完整”,从电表的量程来看,V1、A1量程偏小,直接测量灯泡的电压、电流时,曲线不完整,若用V2、A2测量灯泡的电压、电流时,读数不够精确。题目中给了滑动变阻器和几个定值电阻,我们可以采用定值电阻分压、分流的方式扩大电表的量程,准确读出灯泡的电流值、电压值,绘制完整的曲线。 (1)电路图如图所示,滑动变阻器的选择:R2的阻值太大,调节不灵敏,故选R1。与电流表A1并联的电阻:由于A1的内阻为10 Ω,若选R4为并联电阻,则量程为0~0.4 A ,若并联阻值过小,电流表读数偏小,读数欠精确。与电压表串联的电阻:分压电阻的阻值应该与电压表V1的内阻具有可比性,故选择R5作为分压电阻,此时量程为0~4 V。 (2)灯丝的电阻率随温度的升高而增大,其阻值也随温度的升高而增大,则IU图线的斜率应越来越小,图B正确。 [答案] (1)见解析图 (2)B (1)本题的创新点在于题目所提供的电压表、电流表量程都不合适,只有经过合理的改装,才能符合本实验的需求。 (2)在设计电路的考查上,还是要求采用电流表的外接和滑动变阻器的分压式接法。 (3)本题考查的另一个方面是小灯泡的电阻随温度升高而增大,IU图像斜率的倒数表示电阻的大小,斜率的变化恰好体现了电阻的变化。 [创新演练] LED发光二极管技术得到广泛应用,下表为某发光二极管的正向电压U与正向电流I关系的数据。 U/V 0.00 2.56 2.71 2.80 2.84 2.87 2.89 2.91 2.99 I/mA 0.00 0.03 0.07 0.11 0.34 0.52 0.75 0.91 3.02 (1)根据以上数据,在图甲中画出电压在2.5~3.0 V范围内二极管的IU图线。分析图线可知二极管的电阻随U变大而________(填“变大”“变小”或“不变”),在该范围内电阻最小约为________Ω。 (2)某同学用伏安法测电阻的电路验证该二极管的伏安特性曲线,要求二极管的正向电压从0开始变化,并使测量误差尽量减小。图乙是实验器材实物图,电压表量程为3 V,内阻约为3 kΩ,电流表量程为5 mA,内阻约为10 Ω。图中已连接了部分导线,请按实验要求将实物图中的连线补充完整。 (3)若此LED发光二极管的工作电流为2 mA,则此发光二极管应与一阻值R=________Ω的电阻串联后才能与电动势为3 V、内阻不计的电源相连。 解析:(1)二极管的IU图线如图甲所示。根据IU图线上一点的横、纵坐标的比值表示电阻,分析曲线可知二极管的电阻随U变大而变小。由IU图线可知,电压3 V对应的电流值为3 mA,其电阻约为1 000 Ω。 (2)电流表采用内接法,滑动变阻器采用分压式接法,实物图中的连线补充如图乙。 (3)由图甲可知,通过二极管的电流I=2 mA时,二极管两端的电压U=2.96 V,根据串并联规律,应串联的电阻为R= Ω=20 Ω。 答案:(1)IU图像见解析 变小 1 000 (2)实物连接见解析 (3)20 1.(2017·常州期末)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0~10 Ω、允许通过最大电流为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,滑动变阻器的滑动片应移到________端(选填“A”或“B”); (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UI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2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UI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) 2.(2015·福建高考)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________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________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________W(保留两位小数)。 解析:(1)电流表示数要从零开始逐渐增大,滑动变阻器要用分压接法,如图所示。 (2)电流表示数为0.44 A。 (3)当外电路的总电阻与电源内阻相等时,电源有最大的输出功率,即小电珠的总功率最大,此时R外=r=1 Ω,I== A=1.5 A,U外==1.5 V,即每只小电珠两端的电压为1.5 V,通过图像可知每只小电珠的电流为I0=0.38 A,n=≈4(只);小电珠的总功率P=4UI=4×1.5×0.38 W=2.28 W。 答案:(1)见解析图 (2)0.44 (3)4 2.28 3.(2017·贵阳监测)某学习小组的同学拟探究小灯泡L的伏安特性曲线,可供选用的器材如下: 小灯泡L,规格“2.5 V 0.5 A”; 电流表G1,满偏电流为1 mA,内阻为30 Ω; 电流表G2,满偏电流为10 mA,内阻为30 Ω; 电压表V,量程3 V,内阻为9 kΩ; 标准电阻R1,阻值1 Ω; 标准电阻R2,阻值0.05 Ω; 滑动变阻器R,阻值范围为0~10 Ω; 学生电源E,电动势6 V,内阻不计; 开关S及导线若干。 学习小组认为要想准确地描绘出小灯泡L完整的伏安特性曲线,需要重新改装电流表并设计电路。 (1)电流表应该选________,标准电阻应该选________。 (2)在虚线框中画出实验电路图,并在图上标明所选器材代号。 解析:绘制小灯泡的伏安特性曲线,需要测量小灯泡的电压和电流,电压表量程3 V可以满足实验要求,电流表量程过小,需要并联小电阻以扩大量程。根据并联分流规律可知,电流表G1与标准电阻R2并联,可将量程扩大到0.6 A,满足实验需要。由于电流表和电压表内阻均已知,采用电流表内接或外接均可。 答案:(1)G1 R2 (2)如图所示 4.某兴趣小组的同学拟探究小灯泡L的伏安特性曲线,可供选择的器材如下。 小灯泡L,规格“4.0 V,0.7 A”; 电流表A1,量程3 A,内阻约为0.1 Ω; 电流表A2,量程0.6 A,内阻r2=0.2 Ω; 电压表V,量程3 V,内阻rV=9 kΩ; 标准电阻R1,阻值1 Ω; 标准电阻R2,阻值3 kΩ; 滑动变阻器R,阻值范围0~10 Ω; 学生电源E,电动势6 V,内阻不计; 开关S及导线若干。 (1)张同学设计了如图甲所示的电路来进行测量,当通过L的电流为0.46 A时,电压表的示数如图乙所示,此时L的电阻为________Ω。 (2)王同学又设计了如图丙所示的电路来进行测量,电压表指针指在最大刻度时,加在L上的电压值是________V。 (3)学习小组认为要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线,需要重新设计电路。请你在王同学的基础上利用所供器材,在图丁所示的虚线框内补画出实验电路图,并在图上标明所选器材代号。 解析:(1)由题图乙可读出电压表的示数为2.30 V,所以此时L的电阻为R== Ω=5 Ω; (2)电压表满偏时为3 V,设此支路电压为U,则有=,解得U=4 V,即小灯泡L上的电压UL=U=4 V; (3)由于电流表A2的量程小于小灯泡的额定电流而电流表A1的量程太大,则需要扩大A2的量程,即选用一个阻值较小的电阻(R1)与电流表A2并联。本题不能用内接法的原因是改装过后的电压表量程是4 V,灯泡的额定电压也是4 V,如果将改装的电流表内接会造成分压,使灯泡无法到达额定电压。 答案:(1)5 (2)4 (3)如图所示 5.(2016·云南联考)有一个小灯泡上标有“4.8 V 2 W”的字样,现在测定小灯泡在不同电压下的电功率,并作出小灯泡的电功率P与它两端电压的平方U2的关系曲线。有下列器材可供选用: A.电压表 (0~3 V,内阻3 kΩ) B.电压表 (0~15 V,内阻15 kΩ) C.电流表 (0~0.6 A,内阻约1 Ω) D.定值电阻R1=3 kΩ E.定值电阻R2=15 kΩ F.滑动变阻器R(10 Ω,2 A) G.学生电源(直流6 V,内阻不计) H.开关、导线若干 (1)实验中所用电压表应选用________,定值电阻应选用________。(均用序号字母填写) (2)为尽量减小实验误差,并要求从零开始多取几组数据,请在虚线框内画出满足实验要求的电路图。 (3)利用上述实验电路图测出的电压表读数UV与此时小灯泡两端电压U的定量关系是________,下面四个图像中可能正确的是________。 解析:(1)由于量程15 V的电压表量程较大,所以可以采用扩大3 V量程电压表的办法,实验中所用电压表应选用A,定值电阻应选用R1=3 kΩ的D。 (2)采用分压电路,电流表外接,电路图如图所示。 (3)利用上述实验电路图测出的电压表读数UV与此时小灯泡两端电压U的定量关系是U=2UV。由P=,R随温度升高(电压增大)而增大,小灯泡的电功率P与它两端电压的平方U2的关系曲线可能正确的是图C。 答案:(1)A D (2)见解析图 (3)U=2UV C 6.(2015·广东高考)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)使用多用电表粗测元件X的电阻,选择“×1”欧姆挡测量,示数如图甲所示,读数为________ Ω,据此应选择图中的________(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________(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,重复实验。 (3)图丁是根据实验数据作出的UI图线,由图可判断元件________(填“X”或“Y”)是非线性元件。 解析:(1)用多用电表的欧姆挡测电阻时,电阻值=示数×倍率,故X的读数为10 Ω× 1=10 Ω,由于 <,或RX≪RV,故用伏安法测元件X的电阻时,电流表应外接,故选乙电路进行实验。 (2)滑片P从左向右滑动过程中,元件X两端的电压越来越大,电流越来越大,故电流表示数逐渐增大。 (3)由UI图线可知Y是非线性元件。 答案:(1)10 乙 (2)增大 (3)Y 7.(2017·盐城模拟)一只小灯泡,额定功率为0.75 W,额定电压值已模糊不清。A小组的同学想测定其额定电压值,于是先用欧姆表测出该灯泡的电阻约为3 Ω,然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U==1.5 V。B小组同学认为A小组测量方法有误,他们利用下面可供选择的器材设计一个电路,测量通过灯泡的电流和它两端的电压,并根据测量数据来绘制灯泡的UI图线,进而找到灯泡的额定电压。 A.电压表V(量程3 V,内阻约3 kΩ) B.电流表A1(量程1 500 mA,内阻约0.02 Ω) C.电流表A2(量程500 mA,内阻约0.6 Ω) D.滑动变阻器R1(0~10 Ω) E.滑动变阻器R2(0~100 Ω) F.电源E(电动势4.0 V,内阻不计) G.开关S和导线若干 H.待测灯泡L(额定功率0.75 W,额定电压未知) (1)在实验过程中,B小组的同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加,在图甲所给的虚线框中画出实验的电路原理图。上述器材中,电流表选________(选填“A1”或“A2”);滑动变阻器选________(选填“R1”或“R2”)。 (2)当电压达到1.23 V时,发现灯泡亮度很暗,当达到2.70 V时,灯泡功率已超过额定功率,便立即断开开关,并将所测数据记录在下面表格中。 次数 1 2 3 4 5 6 7 U/V 0.20 0.60 1.00 1.40 1.80 2.20 2.70 I/mA 80 155 195 227 255 279 310 请你根据表中实验数据在图乙中作出灯泡的UI图线。 (3)由图像得出该灯泡的额定电压应为________ V;显然这一结果大于1.5 V,究其原因是________________________________________________________________________。 解析:(1)题目表格中电流最大310 mA,考虑测量的精确度,故电流表选择A2;要描绘小灯泡的UI图像,电压要从零开始连续调节,故滑动变阻器用分压式接法,故选择小量程的变阻器方便操作,故变阻器选择R2;电路如图1所示。 (2)小灯泡的UI图像如图2所示。 (3)小灯泡的功率为0.75 W;当电压为2.5 V时,电流为0.3 A,此时电功率为:P=UI=2.5×0.3 W=0.75 W,恰好等于额定功率,故额定电压为2.5 V;显然这一结果大于1.5 V,究其原因是灯泡电阻随着温度的升高而升高。 答案:(1)见解析图 A2 R1 (2)见解析图 (3)2.5(2.4~2.6均可) 灯泡的冷态电阻小于正常工作时的电阻(或灯泡电阻随温度升高而变大)查看更多