【物理】2019届一轮复习人教版实验　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　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 ‎ [学生用书P158]‎ 一、实验目的 ‎1．掌握滑动变阻器的使用方法及连接方式．‎ ‎2．掌握伏安特性曲线的描绘方法．‎ ‎3．理解小电珠的伏安特性曲线为什么是曲线．‎ 二、实验原理 用电流表测出流过小电珠的电流，用电压表测出小电珠两端的电压，测出多组(U，I)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起来．‎ 三、实验器材 小电珠“3.8 V 0.3 A”、电压表“0～3 V～15 V”、电流表“0～0.6 A～3 A”、滑动变阻器、学生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔．‎ 四、实验步骤 ‎1．画出电路图(如实验原理图所示)．‎ ‎2．将小电珠、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如实验原理图所示的电路．‎ ‎3．测量与记录：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，并将测量数据填入自己设计的表格中．‎ ‎4．数据处理 ‎(1)在坐标纸上以U为横轴，I为纵轴，建立直角坐标系．‎ ‎(2)在坐标纸上描出各组数据所对应的点．‎ ‎(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．‎ ‎ 对电路设计和实验原理的考查[学生用书P158]‎ 一、滑动变阻器的限流式接法和分压式接法的比较 限流式接法 分压式接法 电路图 负载R上电压 的调节范围 ≤U≤E ‎0≤U≤E 负载R上电流 的调节范围 ≤I≤ ‎0≤I≤ 二、两种接法的选择 ‎1．限流式接法适合控制阻值较小的电阻的电压，分压式接法适合控制阻值较大的电阻的电压．‎ ‎2．要求电压从0开始逐渐增大，采取分压式接法．‎ ‎【典题例析】‎ ‎ 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I－U图线，现有下列器材供选用： ‎ A.电压表(0～5 V，内阻10 kΩ) ‎ B.电压表(0～15 V，内阻20 kΩ) ‎ C.电流表(0～3 A，内阻0.4 Ω) ‎ D.电流表(0～0.6 A，内阻1.0 Ω) ‎ E．滑动变阻器(10 Ω，2 A) ‎ F．滑动变阻器(500 Ω，1 A) ‎ G．学生电源(直流6 V)、开关、导线若干 ‎(1)实验时，选用图甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：‎ ‎________________________________________________________________________.‎ ‎(2)实验中所用电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________．(用序号字母表示) ‎ ‎(3)把图丙中所示的实验器材按图甲用笔画线代替导线连接成实物电路图．‎ ‎ ‎ ‎[解析] (1)由于测量数据要从零开始，故采用题图甲所示的分压式电路，且能方便地多测几组数据．‎ ‎(2)因小电珠额定电压为4 V，则电压表选量程为0～5 V的电压表A.小电珠的额定电流为I＝＝ A＝0.5 A，则电流表选D.滑动变阻器应选最大阻值较小的E，这样在实验中移动滑片时能使电路中的电流和电压有明显的变化，从而减小读数误差．‎ ‎(3)电路图如图所示．‎ ‎[答案] (1)描绘电珠的I－U图线所测数据需从零开始，并要多取几组数据 (2)A D E (3)见解析图 ‎ 1.(2018·广西柳州高级中学模拟)在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中，已知待测小灯泡的额定电压为6 V，额定功率约为3 W，提供的器材有：‎ 电流表A：量程为0.6 A，内阻约为0.5 Ω；‎ 电压表V：量程为3 V，内阻为3 kΩ；‎ 滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)‎ 滑动变阻器R2(0～500 Ω，1 A)‎ 定值电阻R3＝1 kΩ；‎ 定值电阻R4＝3 kΩ；‎ 电源：电动势为9 V，内阻约为0.1 Ω；‎ 开关一个，导线若干．‎ ‎(1)实验中，应该选用的滑动变阻器是________，定值电阻是 ________(填仪器的字母代号)．‎ ‎(2)根据所给的器材，在虚线框中画出实验电路图．‎ 解析：(1)灯泡额定电压为6 V，电压表量程为3 V，需要把电压表与定值电阻R4串联组成新的电压表，使电压表量程扩大至6 V；电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法，灯泡正常发光时电阻约为 R＝＝ Ω＝12 Ω，电流表内阻约为0.5 Ω，电压表内阻为6 kΩ，电压表内阻远大于灯泡电阻，电流表应采用外接法，因电源内阻约为0.5 Ω，滑动变阻器应选择阻值较小的R1.‎ ‎(2)实验电路图如图所示．‎ 答案：(1)R1 R4 (2)见解析 ‎ 对数据处理和误差分析的考查[学生用书P159]‎ 误差分析 ‎(1)系统误差：由于电压表、电流表不是理想电表，电表内电阻对电路的影响带来的误差．‎ ‎(2)偶然误差 ‎①电压表、电流表的读数带来的误差．‎ ‎②在坐标纸上描点、作图带来的误差．‎ ‎【典题例析】‎ ‎ (2017·高考全国卷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(a)所示．由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻________(填“增大”“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率________(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(b)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________W，最大功率为________W．(结果均保留2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(a)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(a)中画出电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)的伏安特性曲线，函数表达式为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.‎ ‎[答案] (1)实验电路原理图如图所示 ‎(2)增大 增大 (3)0.39 1.17‎ ‎ 2.(2016·高考天津卷)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．‎ Ｋ ‎(2)该同学描绘出的I－U图象应是下图中的________．‎ 解析：(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线实验时，需要设计成滑动变阻器的分压接法，滑动变阻器应选择与小灯泡阻值相接近的R1.给出的元件电压表V1量程小于小灯泡的额定电压，电压表V2量程又太大，因此需要将电压表V1串联一个1 kΩ的定值电阻R5，改装成最大量程为4 V的电压表．给出的元件电流表A1量程小于小灯泡的额定电流，电流表A2量程又太大，因此需要将电流表A1并联一个10 Ω的定值电阻R4，改装成最大量程为400 mA的电流表．‎ ‎(2)由于小灯泡灯丝的电阻随温度的升高而增大，所以该同学绘出的小灯泡的I－U图象应是B.‎ 答案：(1)如图所示 (2)B ‎ 创新实验[学生用书P160]‎ 以课本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥于教材，体现开放性、探究性等特点．‎ ‎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．实验对象的变迁 ‎3．数据处理方式的改进 采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理．‎ ‎【典题例析】‎ ‎ (2016·高考江苏卷)小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系．已知该金属电阻在常温下的阻值约10 Ω，R随t的升高而增大．实验电路如图所示，控温箱用以调节金属电阻的温度．‎ 实验时闭合S1，先将开关S2与1端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度t1，t2…和电流表的相应示数I1，I2，….然后将开关S2与2端闭合，调节电阻箱使电流表的示数再次为I1，I2，…，分别记下电阻箱相应的示数R1，R2，….‎ ‎(1)有以下两种电流表，实验电路中应选用________．‎ A．量程0～100 mA，内阻约2 Ω B．量程0～0.6 A，内阻可忽略 ‎(2)实验过程中，要将电阻箱的阻值由9.9 Ω调节至10.0 Ω，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”，正确的操作顺序是________．‎ ‎①将旋钮a由“0”旋转至“1”‎ ‎②将旋钮b由“9”旋转至“0”‎ ‎③将旋钮c由“9”旋转至“0”‎ ‎(3)实验记录的t和R的数据见下表：‎ 温度t(℃)‎ ‎20.0‎ ‎40.0‎ ‎60.0‎ ‎80.0‎ ‎100.0‎ 阻值R(Ω)‎ ‎9.6‎ ‎10.4‎ ‎11.1‎ ‎12.1‎ ‎12.8‎ 请根据表中数据，在方格纸上作出R－t图线．‎ 由图线求得R随t的变化关系为R＝________Ω.‎ ‎[解析] (1)电路中的最大电流可能为I＝ A＝150 mA，因此选用A.‎ ‎(2)要将电阻箱的电阻值由9.9 Ω调为10.0 Ω，应先将a旋钮由“0”旋转至“1”，再将c由“9”旋转至“0”，再将b由“9”旋转至“0”，因此顺序为①③②(或①②③)．‎ ‎(3)由作出的图线可知，电阻R与时间t的关系为 R＝8.8＋t(Ω)＝8.8＋0.04t(Ω)．‎ ‎[答案] (1)A (2)①③②(或①②③) (3)如图所示 ‎0．04t＋8.8(0.04t＋8.6～0.04t＋9.0都算对)‎ ‎ 3.(2018·石家庄模拟)‎ 为了探究某电阻Rt在不同温度下的阻值，某同学设计了如图甲所示的电路，其中A为内阻不计、量程为3 mA的电流表，E1为电动势为1.5 V、内阻约为1 Ω的电源，R1为滑动变阻器，R2为电阻箱，S为单刀双掷开关．‎ ‎(1)实验室中提供的滑动变阻器有两个：RA(0～150 Ω)，RB(0～500 Ω)，本实验中滑动变阻器R1应选用________(选填“RA”或“RB”)．‎ ‎(2)完成下面实验步骤：‎ ‎①调节温度，使Rt的温度达到t1；‎ ‎②将S拨向接点1，调节________，使电流表的指针偏转到适当位置，记下此时电流表的读数I；‎ ‎③将S拨向接点2，调节________，使电流表的读数仍为I，记下此时电阻箱的读数R0，则当温度为t1时，电阻Rt＝________；‎ ‎④改变Rt的温度，重复步骤②③，即可测得电阻Rt的阻值随温度变化的规律．‎ ‎(3)现测得电阻Rt随温度t变化的图象如图乙所示．把该电阻与电动势为3.0 V、内阻不计的电源E2，量程为3.0 V的理想电压表V(图中未画出)和电阻箱R2连成如图丙所示的电路，用该电阻做测温探头，将电压表的电压刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“电阻温度计”．若要求电压表的读数必须随温度的升高而增大，则应在原理图丙中________(选填“a、b”或“b、c”)两点接入电压表．如果电阻箱阻值R2＝75 Ω，则电压表刻度盘2.0 V处对应的温度数值为________℃.‎ 解析：(1)由电源的电动势为1.5 V，电流表量程为3 mA可知，达到满偏时，‎ 电路总电阻约为500 Ω，故滑动变阻器选择RB.‎ ‎(2)实验中选用替代法测量电阻，第二步中，先将S拨向接点1，调节滑动变阻器R1，记录电流表读数I；然后将S拨向接点2，调节电阻箱R2，使电流表读数仍为I，此时电阻箱的读数即为待测电阻的阻值，即Rt＝R0.‎ ‎(3)由于电阻Rt随温度升高而增大，由闭合电路欧姆定律可知其两端电压也增大，所以电压表与之并联，即电压表接在b、c两点．根据题图乙中图象可得Rt＝(100＋t)Ω，由串联分压规律可得电压表示数为2.0 V时，Rt＝150 Ω，解得t＝50(℃)．‎ 答案：(1)RB (2)②R1 ③R2 R0 (3)b、c 50‎ ‎, [学生用书P161])‎ ‎1．(2015·高考浙江卷)图甲是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图．‎ ‎ ‎ ‎ 甲 乙 ‎(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与电压表的示数如图乙中的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________、②________、③________、④________．两组数据得到的电阻分别为________和________．‎ 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.‎ 答案： (1)如解析图所示 ‎(2)0.10 A 0.24 A 2.00 V 0.27 V ‎2．7(±0.1) Ω 8.3(±0.1) Ω[如填为8.3(±0.1) Ω ‎2．7(±0.1) Ω也行]‎ ‎2．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”的小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(内阻约为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应选用________(选填“D”或“E”)．‎ ‎(2)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甲所示的坐标纸上作出该小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 ‎ ‎ ‎(3)如图乙所示，将两个这样的小灯泡并联后再与阻值为5 Ω 的定值电阻R0串联，‎ 接在电压恒定为4 V的电路中，每个小灯泡的实际功率为________W.‎ 解析：(1)实验中需测量多组数据，滑动变阻器用分压式接法，为了调节方便，滑动变阻器用阻值较小的，故选D.‎ ‎(2)描点画图，如图所示．‎ ‎(3)设小灯泡两端的电压为U，电流为I，根据闭合电路欧姆定律得：U0＝U＋2IR0，所以U＝－2R0I＋U0，代入数据得U＝－10I＋4，在小灯泡的伏安特性曲线同一坐标系上画出该直线，其交点(1.0，0.3)即为小灯泡的实际电压、电流值，可得小灯泡消耗的实际功率P＝UI＝0.3 W.‎ 答案：(1)D (2)见解析图 (3)0.3‎ ‎3．(2018·长兴中学模拟)小明做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验，已知小灯泡标称值是“2.5 V，0.3 A”，不考虑电压表分流引起的误差，请完成如下小题：‎ ‎(1)为初步了解小灯泡的电阻值，小明使用多用电表的欧姆挡按正确测量步骤进行测量，根据图甲所示，小灯泡阻值为________Ω.‎ ‎(2)为进一步探究小灯泡伏安特性，小明连接了如图乙所示实物图，请在图中补上一根导线，使实验能够正常进行．‎ ‎(3)按要求操作得到数据如表所示，第7组中电压表示数如图丙所示，则U＝________V；判断U＝0、I＝0时的小灯泡电阻值为________Ω，试分析此电阻值远小于(1)中阻值的原因________________________________________________________________________.‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎8‎ ‎9‎ ‎10‎ ‎11‎ I/A ‎0‎ ‎0.04‎ ‎0.08‎ ‎0.09‎ ‎0.10‎ ‎0.11‎ ‎0.12‎ ‎0.14‎ ‎0.16‎ ‎0.18‎ ‎0.20‎ U/V ‎0‎ ‎0.05‎ ‎0.10‎ ‎0.13‎ ‎0.17‎ ‎0.20‎ ‎0.55‎ ‎0.80‎ ‎1.05‎ ‎1.35‎ R/Ω ‎1.3‎ ‎1.3‎ ‎1.4‎ ‎1.7‎ ‎1.8‎ ‎3.9‎ ‎5.0‎ ‎5.8‎ ‎6.8‎ 解析：(1)采用“×1”倍率，所以读数为6 Ω.‎ ‎(2)“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，需要多组数据，所以滑动变阻器应采用分压接法，如图所示．‎ ‎(3)电压表采用0～3 V挡，分度值为0.1 V，故读数为0.30 V，U＝0、I＝0时温度接近2、3组的温度，故应为1.3 Ω，远小于(1)中的测量值是因为用欧姆“×1”倍率挡测电阻时电流较大，小灯泡已有发光，灯丝温度升高，电阻较冷灯丝时大的多．‎ 答案：(1)6 (2)如解析图所示 ‎ ‎(3)0.30 1.3 用欧姆“×1”倍率挡测电阻时电流较大，小灯泡已有发光，灯丝温度升高，电阻较冷灯丝时大的多 ‎4．某学习小组拟研究一个标有“3.6 V，1.8 W”的小电珠的伏安特性曲线，可供选用的器材如下：‎ ‎①电流表A，量程0～0.6 A，内阻约为0.2 Ω；‎ ‎②电压表V，量程0～15 V，内阻约为15 kΩ；‎ ‎③滑动变阻器R，阻值范围0～10 Ω；‎ ‎④学生电源E，电动势为4 V，内阻不计；‎ ‎⑤开关S及导线若干．‎ ‎(1)该学习小组中的甲同学设计了如图甲所示的电路进行测量，请按照图甲所示的电路图帮甲同学将图乙中的实物图连接起来．‎ ‎(2)甲同学在实验中发现，由于电压表的量程较大而造成读数误差很大，因而影响了测量结果．于是又从实验室找来一量程为Ig＝100 μA、内阻Rg＝1 000 Ω的灵敏电流计，想把该灵敏电流计改装成量程为5 V的电压表，则需串联一个阻值为________Ω的电阻．‎ ‎(3)甲同学用改装后的电压表进行实验，得到电流表读数I1和灵敏电流计读数I2如表所示：‎ I1(A)‎ ‎0‎ ‎0.19‎ ‎0.30‎ ‎0.37‎ ‎0.43‎ ‎0.46‎ ‎0.48‎ ‎0.49‎ I2(μA)‎ ‎0‎ ‎10‎ ‎20‎ ‎30‎ ‎40‎ ‎50‎ ‎60‎ ‎70‎ 请在图丙中的坐标纸上画出I1－I2图线．‎ ‎ ‎ ‎(4)若将该小电珠接在如图丁所示的电路中，则该小电珠消耗的电功率约为________W．已知电源的电动势为E′＝3.0 V，内阻r＝1.5 Ω，定值电阻R0＝4.5 Ω.(结果保留两位有效数字)‎ 解析：(1)如图所示．‎ ‎(2)设需要串联的电阻阻值为Rx，则有Ig(Rg＋Rx)＝5 V，代入数据可得Rx＝49 000 Ω.‎ ‎(4)将定值电阻R0看做该电源的内阻的一部分，则内阻r′＝6 Ω，由此可得路端电压U＝E′－Ir′，在I1－I2图线所在坐标纸上作出该I－U图象如图所示，可知其交点坐标表示的电流约为0.32 A，电压约为1.1 V，所以该小电珠消耗的功率约为P＝0.32×1.1 W≈0.35 W.‎ 答案：(1)见解析图 (2)49 000 (3)如图所示 ‎(4)0.35‎