【物理】2019届一轮复习人教版第七章实验六描绘小灯泡的伏安特性曲线学案

【物理】2019届一轮复习人教版第七章实验六描绘小灯泡的伏安特性曲线学案

实验六　描绘小灯泡的伏安特性曲线 ‎1．实验原理 ‎(1)测多组小灯泡的U、I的值，并绘出I－U图象；‎ ‎(2)由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系．‎ ‎2．实验器材 小灯泡“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．‎ ‎3．实验步骤 ‎(1)画出电路图(如图1甲所示)．‎ 图1‎ ‎(2)将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如图乙所示的电路．‎ ‎(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，得到小灯泡的伏安特性曲线．‎ ‎4．实验器材选取 ‎(1)原则：①安全；②精确；③操作方便．‎ ‎(2)具体要求 ‎①电源允许的最大电流不小于电路中的实际最大电流．干电池中电流一般不允许超过0.6 A.‎ ‎②用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流．‎ ‎③电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值．‎ ‎④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的以上．‎ ‎⑤从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器．‎ ‎5．电流表的内、外接法 ‎(1)两种接法比较：‎ 内接法 外接法 电路图 误差原因 电流表分压 U测＝Ux＋UA 电压表分流 I测＝Ix＋IV 电阻测量值 R测＝＝Rx＋RA>Rx 测量值大于真实值 R测＝＝时，用电流表内接法．‎ ‎③实验试探法：按图2所示接好电路，让连接电压表的导线P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，则可采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，则可采用电流表内接法．‎ 图2‎ ‎6．滑动变阻器两种连接方式 ‎(1)滑动变阻器两种接法的对比 限流接法 分压接法 对比说明 电路图 串、并联关系不同 负载R上电压调节范围　　‎ ≤U≤E ‎0≤U≤E 分压电路调节范围大 负载R上电流调节范围　　‎ ≤I≤ ‎0≤I≤ 分压电路调节范围大 闭合S前触头位置 b端 a端 都是为保护电路元件 ‎(2)滑动变阻器必须接成分压电路的几种情况：‎ ‎①要求电压表能从零开始读数；‎ ‎②当待测电阻Rx≫R(滑动变阻器的最大阻值)时；‎ ‎③若采用限流式接法，电路中的最小电流仍超过电路中电表、电阻的允许电流．‎ ‎(3)滑动变阻器的最大阻值和用电器的阻值差不多且要求电压不从零开始变化，通常情况下，由于限流式接法结构简单、耗能少，优先使用限流式接法．‎ ‎7．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0.6 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，滑动变阻器的触头应移到使小灯泡分得电压为0的一端，使开关闭合时小灯泡的电压能从0开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小灯泡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．‎ ‎8．误差分析 ‎(1)由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，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．‎ 自测　用内阻为3 000 Ω的电压表和内阻为10 Ω的电流表测电阻，在图3甲、乙两种情况下，电压表的示数都是60 V，电流表的示数都是0.2 A，则R1的测量值为________ Ω，真实值是________ Ω，R2的测量值为________ Ω，真实值是________ Ω.‎ 图3‎ 答案　300　290　300　333.3‎ 命题点一　电路与仪器的选择 例1　(2018·苏州市调研卷)为描绘小灯泡的伏安特性曲线，实验室备有下列器材：‎ A．小灯泡(额定电压6 V，额定电流600 mA)‎ B．电流表A1(量程0～0.6 A，内阻约为0.5 Ω)‎ C．电流表A2(量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω)‎ D．电压表V(量程0～6 V，内阻约为10 kΩ)‎ E．滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)‎ F．滑动变阻器R2(0～100 Ω，1.5 A)‎ G．直流电源E(约6 V)‎ H．开关、导线若干 ‎(1)实验中电流表应选用________，滑动变阻器应选用________(以上均填器材代号)．‎ ‎(2)请用笔画线代替导线，并将图4电路连接完整．‎ 图4‎ ‎(3)实验电路连接正确，闭合开关，从最左端向右端调节滑动变阻器滑片，记录电流表和电压表相应示数，根据实验数据在坐标系中描点如图5所示，则电路发生的故障是________．‎ 图5‎ 答案　(1)A1　R1　(2)电路图如图所示 ‎(3)电源负极和滑动变阻器左下接线柱间的电路断路 解析　(3)由伏安特性曲线知，电路中有电流和电压存在，说明电路是完好的，但明显没有测出较小的电流和电压值，说明滑动变阻器连成了限流式接法，即电源负极和滑动变阻器左下接线柱间的电路断路．‎ 命题点二　实验数据的处理与分析 例2　(2017·宜兴市下学期初考)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6中实物图连接成完整电路．‎ 图6‎ ‎(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，请在图7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 ‎0.1‎ ‎0.20‎ ‎0.30‎ ‎0.40‎ ‎0.45‎ ‎0.49‎ 图7‎ ‎(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)．‎ 答案　见解析 解析　(1)为提高测量精度，应选用V1和A1；本实验应采用滑动变阻器分压式接法，同时由于灯泡内阻较小，故采用电流表外接法以减小误差，故连接如图所示．‎ ‎(2)为了让电压值从零开始调节，由图可知测量电路与滑动变阻器的左侧并联，故开始时滑片应滑到A端．‎ ‎(3)根据描点法可得出对应的伏安特性曲线如图所示．‎ ‎(4)作出过原点的切线，如图所示，常温下的电阻即图线过原点的切线的斜率，则R＝ Ω＝‎ ‎2.7 Ω(2.6 Ω～2.8 Ω均可)．‎ 命题点三　实验的拓展与创新 例3　(2017·南京市、淮安市5月模拟)有一只标识为“2.5 V,0.5 A”的小灯泡，小华想测定其伏安特性曲线，实验室中的器材除了导线和开关外，还有以下一些器材可供选择：‎ 编号 器材名称 规格与参数 A 电源E 电动势为3.0 V，内阻不计 B 电流表A1‎ 量程0～10 mA，内阻200 Ω C 电流表A2‎ 量程0～600 mA，内阻约为2 Ω D 电阻箱R 最大阻值999.99 Ω E 滑动变阻器R1‎ 最大阻值10 Ω F 滑动变阻器R2‎ 最大阻值2 kΩ ‎(1)为了达到实验目的，需要组装一个量程为3.0 V的电压表，那么电阻箱的阻值应调到________ Ω.‎ ‎(2)为了减小实验误差，实验中滑动变阻器应选择______(选填器材前面的编号)．‎ ‎(3)请帮助小华设计一个电路，要求使误差尽量小，并将电路图画在虚线框内．‎ ‎(4)小华在实验中用电流表和改装后的电压表测得数据并记录在下表中，请根据表格中的数据在如图8所示方格纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线.‎ U/V ‎0‎ ‎0.5‎ ‎1.0‎ ‎1.5‎ ‎2.0‎ ‎2.5‎ I/A ‎0‎ ‎0.17‎ ‎0.30‎ ‎0.39‎ ‎0.45‎ ‎0.49‎ 图8‎ ‎(5)将一个电动势为1.5 V，内阻为3 Ω的电源直接接在该小灯泡的两端，则该小灯泡的实际功率为________ W(结果保留1位有效数字)．‎ 答案　(1)100　(2)E　(3)见解析图　(4)见解析图　(5)0.2‎ 解析　(1)由题意可知，本实验应采用伏安法测定小灯泡的伏安特性曲线，由表中数据可知，电流大小最大约为0.49 A，因此电流表应采用A2，故只能采用A1与电阻箱串联的方式进行改装，由串、并联电路规律可知，R＝ Ω－200 Ω＝100 Ω.‎ ‎(2)由题意知，本实验应采用滑动变阻器分压式接法，所以只能选用总阻值较小的E.‎ ‎(3)本实验应采用滑动变阻器分压式接法，RV＝300 Ω，RA2≈2 Ω，＝5 Ω，故电流表采用外接法，电路图如图所示．‎ ‎(4)根据描点法可得出对应的伏安特性曲线如图所示．‎ ‎(5)在灯泡的伏安特性曲线中作出电源的U－I图线，两图线的交点表示灯泡的工作点，由图可知，电压U＝0.8 V，电流I＝0.24 A，则功率P＝UI＝0.8×0.24 W≈0.2 W.‎ 拓展点1　半偏法测电阻 例4　(2017·南京市、盐城市二模)有一只量程为3 V的电压表，内阻约为5～8 kΩ，某同学要精确地测量该电压表的内阻，设计的测量电路如图9所示，其中R2为最大电阻9 999 Ω的电阻箱，R1为滑动变阻器，电源电动势为4.5 V，内阻很小．实验步骤如下：‎ 图9‎ ‎①按电路图连接电路；‎ ‎②闭合S2；‎ ‎③将滑动变阻器滑片调至最左端；‎ ‎④闭合S1；‎ ‎⑤调节滑动变阻器，使电压表满偏；‎ ‎⑥再打开S2，调节电阻箱，调至电压表半偏，记下电阻箱的读数，并认为此时电阻箱的电阻为该电压表的内阻．‎ ‎(1)图10中电阻箱的读数为________ kΩ.‎ 图10‎ ‎(2)实验室中有两个滑动变阻器：‎ a．最大阻值为20 Ω，额定电流为1 A；‎ b．最大阻值为10 kΩ，额定电流为20 mA.‎ 为了能精确测量电压表内阻，实验中应选择________滑动变阻器(填变阻器前的字母代号)．‎ ‎(3)实验中S2从闭合到打开(打开S2之前，电阻箱置于9 999 Ω)，打开后A、B两点的电压 UAB________3 V(选填“>”“<”或“＝”)．‎ ‎(4)实验中由于电路设计所存在的实验误差(系统误差)，导致测量值________真实值(选填“>”“<”或“＝”)．‎ 答案　(1)7.5　(2)a　(3)>　(4)>‎ 解析　(4)电阻箱的接入使电压表与电阻箱的分压大于原来电压表的分压，则电阻箱的分压大于电压表的分压，其阻值要大于电压表的内阻．‎ 拓展点2　替代法测电阻 例5　(2016·江苏单科·10)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11所示，控温箱用以调节金属电阻的温度．‎ 图11‎ 实验时闭合S，先将开关K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K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，在如图12所示方格纸上作出R－t图线．‎ 图12‎ 由图线求得R随t的变化关系为R＝________Ω.‎ 答案　(1)A　(2)①②③(或①③②)　(3)见解析图　0.04t＋8.8(0.04t＋8.7～0.04t＋8.9都算对)‎ 解析　(1)电路中电源电动势为1.5 V，金属电阻的阻值约为10 Ω，滑动变阻器最大阻值为10 Ω，电流在0.075～0.15 A，则电流一般在0.1 A以内调整，为使电流读数更准确，应选用量程0～100 mA的电流表．‎ ‎(2)调节电阻箱时按照先调大再调小的原则，旋转各旋钮的正确操作顺序是①②③(或①③②)．‎ ‎(3)R－t图象如图所示 由R－t图象知，R＝0.04t＋8.8 (Ω)．‎ ‎1．(2017·盐城中学第三次模拟)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U－I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，在下面所给的虚线框中画出实验的电路原理图．上述器材，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，请你根据表中实验数据在图13中的坐标纸上作出灯泡的U－I图线.‎ 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 图13‎ ‎(3)由图象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________________________________________________________________________．‎ 答案　(1)电路原理图如图所示　A2　R1‎ ‎(2)图线如图所示 ‎(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)‎ 解析　(3)由U－I图线可知，当小灯泡的功率为0.75 W时，电压约为2.5 V.‎ ‎2．(2018·伍佑中学调研)小明同学想研究一段铅芯的伏安特性曲线，他连接了如图14所示的实验电路．小亮同学认为小明的电路并不完善，他在该电路上增加了一条导线，得到了小明的认同．‎ ‎(1)请你用笔画线在图14上加上这条导线；‎ 图14‎ ‎(2)对小亮改正后的电路，在闭合开关前，滑动变阻器的滑片应先置于________(选填“最左端”或“最右端”)．‎ ‎(3)闭合开关后，调节滑动变阻器，测得一组电压表和电流表的示数记录如下表：‎ 电流I/A ‎0‎ ‎0.08‎ ‎0.16‎ ‎0.24‎ ‎0.32‎ ‎0.40‎ ‎0.48‎ 电压U/V ‎0‎ ‎0.63‎ ‎1.22‎ ‎1.68‎ ‎1.97‎ ‎2.23‎ ‎2.44‎ 请根据表中的数据，在图15坐标系中作出铅芯的I－U图线．‎ 图15‎ ‎(4)由图象可知：随着温度的升高，铅芯的电阻率______(选填“增大”“减小”或“不变”)‎ 答案　(1)见解析图(图中①或②中任一条)　(2)最左端 ‎(3)见解析图　(4)减小 解析　(1)电路如图 ‎ ‎(2)改正后的电路是分压电路，在闭合开关前，滑动变阻器的滑片应先置于最左端．‎ ‎(3)I－U图线如图 ‎(4)由图象可知：随着温度的升高，图象上各点与原点连线的斜率变大，根据R＝＝可知，铅芯的电阻变小，电阻率减小．‎