【物理】2019届一轮复习人教版　实验9　描绘小灯泡的伏安特性曲线学案

【物理】2019届一轮复习人教版　实验9　描绘小灯泡的伏安特性曲线学案

实验九 描绘小灯泡的伏安特性曲线 (对应学生用书第 148 页) 一、实验目的 1．描绘小灯泡的伏安特性曲线． 2．分析伏安特性曲线的变化规律． 二、实验原理 1．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(U，I)值，在 IU 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． 2．电流表外接：因为小灯泡的电阻较小，如果电流表内接，误差明显较大；滑 动变阻器采用分压式，使电压能从零开始连续变化． 3．滑动变阻器两种接法的对比： 方式 内容 限流接法 分压接法 对比说明 两种接法电路图 串、并联关系不同 负载 R 上电压调节范围 RE R＋R0 ≤U≤E 0≤U≤E 分压电路调节范围大 负载 R 上电流调节范围 E R＋R0 ≤I≤E R 0≤I≤E R 分压电路调节范围大 闭合 S 前触头位置 b 端 a 端 都是为了保护电路元件 4. 两种接法的选择： (1)限流式接法适合测量阻值小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不 多或比滑动变阻器的总电阻还小)． (2)分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的总电阻要 大)． (3)三种必须用分压接法的情况． ①若限流式不能保证安全，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上 的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程，或超过待测电阻的额定 电流(或电压)，则必须选用分压式接法． ②若 Rx≫R 滑，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端 时，待测电阻上的电流或电压变化范围不明显，此时，应改用分压电路． ③若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式电路． 5．两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法电路 简单、耗能低． 三、实验器材 小灯泡(3.8 V,0.3 A)或(2.5 V,0.6 A)一个、电压表(0～3 V～15 V)与电流表 (0～0.6 A～3 A)各一个、滑动变阻器(最大阻值 20 Ω)一个、学生低压直流 电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔． 四、实验过程 (一)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，按图实91 中的原理图连接好实验电路． 图实91 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. (二)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．在坐标系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，就得到小灯泡的伏安特性曲线． (对应学生用书第 149 页) 考点一| 实验原理与操作 要描绘一个标有“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 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)； 开关一个，导线若干. (1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的________(填仪器前的字母)． 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________． (3)根据你所选择的电路图分析，在闭合开关之前，应将滑动变阻器的滑 片移到最________(填“左”或“右”)端；闭合开关，移动滑片，使电表 的示数逐渐________(填“增大”或“减小”)．依次记录电流及相应的电 压． [答案](1)A (2)B (3)左 增大 (2018·茂名一模)现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V，0.6 W”小灯泡的 IU 图线，有下列器材供选用： A．电压表(0～3 V，内阻 3 kΩ；0～15 V，内阻 10 kΩ) B．电流表(0～0.6 A，内阻 0.5 Ω；0～3 A，内阻 0.1 Ω) C．滑动变阻器(10 Ω，2 A) D．滑动变阻器(100 Ω，1.0 A) E．蓄电池(电动势 6 V，内阻不计) (1)为了减小测量误差，图甲中的 S1 应接________(选填“M”或“N”)， 滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)． (2)根据你选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所 需电路图． (3)开关 S 闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于________端(选填 “A”“B”或“AB 正中间”)．闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，电 压表示数变化明显，但电流表示数始终为 0，则电路故障为________． [解析](1)由电路图可知，电路采用了滑动变阻器分压接法；因灯泡内阻较 小，故电流表采用外接法；故 S1 应接在 M 点；因采用分压接法，故滑动 变阻器采用小电阻，应选用 C. (2)根据实验原理图画出实物图如图所示： (3)为了保证实验安全，开始时灯泡两端的电压应为最小，故滑动变阻器 的滑片应在 A 端；由题意可知，电压表示数变化明显，说明电压表与电源 相连，且滑动变阻器连接正常，而电流表没有示数说明电路是断开的，由 电路图可知，只能是灯泡发生了断路故障． [答案](1)M C (2)见解析 (3)A 小灯泡断路 考点二| 数据处理与误差分析 (2018·苏州高三调研)一实验小组用某种导电材料制作成电阻 较小的线状元件 Z，并通过实验研究该元件中的电流随两端电压从零逐渐 增大过程中的变化规律． (1)该小组连成的实物电路如图实92 所示，其中有两处错误，请在错误的 连线上打“×”，并在原图上用笔画出正确的连线． 图实92 (2)在实验中应选用的滑动变阻器是________． A．滑动变阻器 R1(0～5 Ω 额定电流 5 A) B．滑动变阻器 R2 (0～100 Ω 额定电流 0.5 A) (3)实验测得元件中的电流与电压的关系如下表所示，试在方格纸中画出 电流与电压的关系图线． U(V) 0 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 1.00 1.20 I(A) 0 0.20 0.30 0.40 0.55 0.75 1.25 1.80 (4)本实验中带来误差的电表是________，导致被测电阻的 R 测 ________R 真(选填“>”“＝”或“<”)． [答案](1)如图甲所示 (2)A (3)如图乙所示 (4)电压表 < 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的器材及代号如 下： A．小灯泡 L(3 V、5 Ω)； B．滑动变阻器 R(0～10 Ω，额定电流 1.5 A)； C．电压表 V1(量程：0～3 V，RV 约 5 kΩ)； D．电压表 V2(量程：0～15 V，RV 约 10 kΩ)； E．电流表 A1(量程：0～0.6 A，RA 约 0.5 Ω)； F．电流表 A2(量程：0～3 A，RA 约 0.1 Ω)； G．铅蓄电池、开关各一个，导线若干； 实验中要求加在小灯泡两端的电压可连续地从零调到额定电压． (1)为了减少误差，实验中应选电压表________，电流表________； (2)选出既满足实验要求，又要减小误差的实验电路图________． 甲 乙 丙 丁 (3)请按电路图连接好图中的实物图． (4)根据所得到的小灯泡的相关数据描绘的伏安特性曲线如图所示，若将 该小灯泡接在电动势为 3.0 V，内阻是 5.0 Ω的电池两端，小灯泡的实际功 率为________(保留两位有效数字)． [解析](1)灯泡的额定电流为 I＝U R ＝3 5 A＝0.6 A，故电流表选择 E 即可，电 压表选 C； (2)因电压表内阻远大于待测灯泡的内阻，故采用电流表外接电路，滑动 变阻器用分压电路，故图丙正确； (3)根据给出的原理图可得出对应的实物图如图所示； (4)在表示小灯泡的 IU 图象中画出表示电源的 IU 图象如图所示，读出两 图线交点坐标为：U＝1.3 V，I＝0.34 A，所以小灯泡消耗的功率为：P＝ UI＝1.3×0.34 W＝0.44 W. [答案](1)C E (2)丙 (3)见解析 (4)0.44 W 考点三| 实验拓展与创新 视角 1：实验目的改变 以实验原理及实验方法为基础，探究小电珠功率与电压的关系． 视角 2：实验对象的变迁 视角 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． 创新点 1 结合电表的改装和电源的 IU 图线分析 1．(2017·全国Ⅰ卷)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 (量程 3 V，内阻 3 kΩ)；电流表 (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图实93(a)所示． (a) (b) 图实93 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)小灯泡的电压要求从 0 开始调节，滑动变阻器采用分压式接法， 小灯泡的额定电压超出电压表的量程，需与 R0 串联后接入电路．电路图 如图所示． (2)IU 图象中随着电流的增大，图线的斜率变小，小灯泡的电阻增大．根 据电阻定律 R＝ρL S ，得灯丝的电阻率增大． (3)当 R＝0 时，电源路端电压与电流的关系图象如图线甲所示．此时小灯 泡功率有最大值． 当 R＝9 Ω时，将 R 看作电源内阻，则等效电源内阻为 10 Ω，其路端电压 与电流的关系图象如图线乙所示．此时小灯泡功率有最小值． 取图线甲与小灯泡伏安特性曲线交点： U1＝3.66 V，I1＝0.319 A， 小灯泡的最大功率 P1＝U1I1≈1.17 W. 取图线乙与小灯泡伏安特性曲线交点： U2＝1.77 V，I2＝0.222 A， 小灯泡的最小功率 P2＝U2I2≈0.39 W. [答案](1)实验电路原理如图所示． (2)增大 增大 (3)0.39 1.17 某实验小组为了测定小灯泡的伏安特性曲线，选取了如图甲所示的实验器 材．待测小灯泡的额定电压为 3.2 V，要求测量范围尽量大一些，并描绘 出小灯泡的伏安特性曲线． (1)选取电源的电动势 4.0 V，电源内阻不计．同学们为了精确测量电压， 需要将量程 1.0 V 的电压表改装为量程 4.0 V，已知 1.0 V 电压表的内阻 为 1.2 kΩ，需要给电压表________(选填“串联”或“并联”)一个 R0＝ ________kΩ的定值电阻． (2)用笔画线代替导线，将仪器实物图按实验要求连接好． (3)同学们正确实验后描绘出小灯泡伏安特性曲线如图乙所示，由伏安特 性曲线可知，当小灯泡两端电压增大、灯丝温度升高时，电阻________(选 填“增大”“不变”或“减小”)．正常工作时灯丝电阻等于________Ω， 额定功率是________W(均取两位有效数字)． (4)将实验时所用的电源串联上一个 R′＝10 Ω的电阻，再与这个小灯泡直 接串连在一起，则小灯泡的实际功率是________W(取两位有效数字)． [解析](1)根据改装原理，要将电压表量程扩大，应串联一个电阻，根据串 并联电路规律可知，应串接的电阻为：R＝ U Ug Rg －Rg＝ 4 1 1.2×103 －1.2×103 Ω＝3.6×103 Ω＝3.6 kΩ； (2)本实验要求电压由零开始调节，故滑动变阻器采用分压接法，同时因 灯泡内阻较小，故应采用电流表外接法，如图甲所示； (3)IU 图象中图象的斜率表示电阻的倒数，则由图可知，电阻随电压的升 高而增大；当电压为 3.2 V 时，电流约为 0.31 A，则电阻为：R＝U I ＝ 3.2 0.31 Ω＝10.3 Ω； 额定功率为：P＝UI＝3.2×0.31 W＝0.99 W； (4)电源的电动势为 4 V，接入电阻为 10 Ω，将其等效为电源内阻，在灯泡 伏安特性曲线中作出等效电源的图象，如图乙所示；灯泡实际电压为 1.7 V，电流为 0.23 A，则其功率：P＝UI＝1.7×0.23 W＝0.39 W. [答案](1)串联 3.6 (2) (3)增大 10.3 至 10.5 0.97 至 0.99 (4)0.40(或 0.39) 创新点 2 分析二极管的 IU 图象 2. 2014 年 10 月 7 日瑞典皇家科学院宣布：2014 年诺贝尔物理学奖授予发明了蓝 色发光二极管(LED)的日本科学家，以表彰他们为提高人类生活品质所做的 卓越贡献．如图实94 为一个蓝色发光二极管(LED)的示意图，杭州少年科学 院的“少年科学家”们对它的电学特性进行系列研究． 图实94 (1)因蓝色发光二极管(LED)未标明极性，“少年科学家”们利用多用电表 的________(选填“欧姆挡”“电压挡”或“电流挡”)探测二极管的极 性．请你写出正确的判断方法___________________________________ ______________________________________________________________. (2)为探究蓝色发光二极管(LED)的伏安特性、测绘它的伏安特性曲线， “少年科学家”们得到科学探究实验室老师的帮助，通过实验，测得发光 二极管两端电压 U 和通过它的电流 I 的数据如下表： U/V 0 1.50 1.80 1.90 2.00 2.08 2.19 2.33 I/mA 0 0 0.01 0.02 0.04 0.06 0.09 0.20 U/V 2.43 2.51 2.56 2.62 2.70 2.82 2.87 I/mA 0.50 0.80 1.00 3.00 5.00 9.00 11.01 ①请在图实95 中以笔画线代替导线，按实验要求将实物图中的连线补充 完整． 图实95 ②请你根据“少年科学家”实验时收集到的数据，在图实96 所示的坐标 纸中画出该蓝色发光二极管(LED)的伏安特性曲线(IU 图线)． 图实96 (3)若将该蓝色发光二极管(LED)与一个电池组(电动势为 E＝3 V、内阻不 计)、阻值 R＝150 Ω的电阻相串联，则该蓝色发光二极管(LED)的发光功 率约为________W．(结果保留 2 位有效数字) [解析](1)由于二极管的单向导电性，可运用多用电表的欧姆挡测试正向、 反向电阻，确定二极管的极性．多用电表(欧姆表)的黑、红表笔分别接表 内电源的正、负极．将调零后的多用电表的红、黑表笔分别接二极管的 a、 b 端，若测得电阻几乎为零，则 b 为正极，若测得电阻较大，则 a 为正极； (2)由于需要二极管两端电压从零开始增加，滑动变阻器应采用分压式接 法，电路连接如图甲所示．由表中数据作出二极管的伏安特性曲线如图乙 所示．将与二极管串联的电阻 R 视为电池组的内阻，在二极管的伏安特性 曲线坐标系中再作出闭合电路的 IU 图象(电源的伏安特性曲线)，两图象 的交点坐标(2.62 V,2.6×10－3 A)，为二极管两端的电压 U 和通过的电流 I， 则二极管的功率约为 P＝UI＝0.006 8 W. [答案](1)欧姆挡 将红、黑表笔短接进行欧姆调零后，将红表笔接 a 端、 黑表笔接 b 端时，若多用电表的指针偏转角较小，而红、黑表笔反接时指 针偏转角较大，说明 a 端是该发光二极管正极；反之，则 b 端是该发光二 极管正极 (2)①连线如下 甲 ②IU 图线如下 乙 (3)0.006 2～0.007 3 创新点 3 研究小灯泡的 P U2 图线 3．为探究小灯泡的电功率 P 和电压 U 的关系，小明测量小灯泡的电压 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实97 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) 图实97 (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 PU2 描点在坐标纸上，并作出了一条直线，如图实 98 所示．请指出图象中不恰当的地方. 图实98 [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＝ 3 V 3.3 Ω ×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 [随堂训练] 1．在探究小灯泡的伏安特性实验中，所用器材有：灯泡 L、量程恰当的电流表 A 和电压表 V、直流电源 E、滑动变阻器 R、电键 S 等，要求灯泡两端电压 从零开始变化． (1)实验中滑动变阻器应采用________接法(填“分压”或“限流”)． (2)某同学已连接如图实99 所示的电路，在连接最后一根导线的 c 端到直 流电源正极之前，请指出其中仅有的 2 个不当之处，并说明如何改正． A．____________________________________________________________ ； B．____________________________________________________________ _. 图实99 [解析](1)因为灯泡两端的电压要从零开始调节，故滑动变阻器只能采用分 压接法． (2)在电路接好并检查是否正确连线之前，电键应处于断开状态，以免因 接线错误而导致仪表损坏；接为分压电路时，待测部分电路的电压应从零 开始调节，故滑片应先处于 b 端． [答案](1)分压 (2)电键 S 闭合，应处于断开状态 滑动变阻器滑动触头位 置不当，应将其置于 b 端 2．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，除标有“6 V 1.5 W”的小灯 泡、导线和开关外，还有下列器材： 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________．(均用序 号表示) (2)画出实验电路图. [解析](1)由 I 额＝1.5 6 A＝250 mA 可知电流表应选 C；因为要求小灯泡两 端的电压从零开始变化，所以滑动变阻器应采用分压接法，故应选小阻值 的 E. (2)实验电路图如图所示． [答案](1)C E (2)如图所示 3．某同学通过实验研究小灯泡的电流与电压的关系．可用的器材如下：电源、 滑动变阻器、电流表、电压表、不同规格的小灯泡两个、电键、导线若干． 甲 乙 图实910 (1)通过实验、作图得到了小灯泡 L1 的 UI 图象如图实910 甲中的图线Ⅰ， 则可知小灯泡 L1 的电阻随电压增大而________(填“增大”、“减小”或 “不变”)． (2)为了得到图甲中的图线Ⅰ，请将图乙中缺少的两根导线补全，连接成 合理的实验电路(其中电流表和电压表分别测量小灯泡的电流和电压)． (3)换小灯泡 L2 重做实验、作图，得到其 UI 图象如图甲中的图线Ⅱ.若将 小灯泡 L1、L2 并联使用．请根据Ⅰ、Ⅱ两条图线，在图甲中做出两小灯 泡并联的图象． (4)现将这两个小灯泡并联接在电动势 3 V、内阻 6 Ω的电源两端，则此时 电源两端的电压为________V；两小灯泡消耗的总功率为________W. [解析](1)由图象根据欧姆定律 R＝U I 知，小灯泡的电阻随电压的增大而增 大； (2)由于小灯泡的电阻远小于电压表的内阻，电流表应用外接法；又电流 与电压从零逐渐增大，故滑动变阻器应用分压式接法，实物图如图： (3)如图： (4)电动势为 3 V，内阻为 6 Ω，则短路电流 I 短＝3 6 A＝0.5 A，在小灯泡的 UI 图象中，连接 U＝3 V 与 I＝0.5 两点，画出表示电源的 UI 图象，如 图所示： 要使两灯泡并联后接在电源两端，应符合闭合电路欧姆定律，则电源的输 出电压与两灯泡电压相等，且路端电压与内电压之和等于电动势；由上图 可知，输出电压应为 0.6 V， 此时灯泡 L2 的电流为 0.15 A，则其功率：P2＝U2I2＝0.6×0.15 W＝0.09 W， 此时灯泡 L1 的电流为 0.25 A，则其功率：P1＝U1I1＝0.6×0.25 W＝0.15 W， 则：P＝P1＋P2＝0.15 W＋0.09 W＝0.24 W. [答案](1)增大 (2)图见解析 (3)图见解析 (4)0.6 0.24