度高考物理第八章恒定电流实验九描绘小电珠的伏安特性曲线学案.docx

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度高考物理第八章恒定电流实验九描绘小电珠的伏安特性曲线学案

教学课件

实验九　描绘小电珠的伏安特性曲线

1.实验原理

（1）测多组小电珠的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

小电珠“3.8V,0.3A”、电压表“0～3V～15V”、电流表“0～0.6A～3A”、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，得到小电珠的伏安特性曲线.

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0.6A.

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.

1.注意事项

（1）电路的连接方式：

①电流表应采用外接法：

因为小电珠（3.8V,0.3A）的电阻很小，与量程为0.6A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：

目的是使小电珠两端的电压能从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电珠分得电压为0的一端，使开关闭合时小电珠的电压能从0开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏灯丝.

（3）I－U图线在U0＝1.0V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0V左右绘点要密，以防出现较大误差.

2.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.

命题点一　教材原型实验

例1

　（2017·全国卷Ⅰ·23）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3.8V，额定电流0.32A）；电压表

（量程3V，内阻3kΩ）；电流表

（量程0.5A，内阻0.5Ω）；固定电阻R0（阻值1000Ω）；滑动变阻器R（阻值0～9.0Ω）；电源E（电动势5V，内阻不计）；开关S；导线若干.

（1）实验要求能够实现在0～3.8V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2（a）所示.

图2

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4V，内阻1.00Ω）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.（结果均保留两位小数）

答案　

（1）见解析图　

（2）增大　增大　（3）0.39　1.17

解析　

（1）电压表量程为3V，要求能够实现在0～3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量，需要给电压表串联一个定值电阻扩大量程，题目中要求小灯泡两端电压从零开始，故滑动变阻器用分压式接法，小灯泡的电阻RL＝

＝

Ω＝11.875Ω，因

＜

，故电流表用外接法，实验电路原理图如图所示.

（2）由IU图象知，图象中的点与坐标原点连线的斜率在减小，表示灯泡的电阻随电流的增大而增大，根据电阻定律R＝ρ

知，灯丝的电阻率增大.

（3）当滑动变阻器的阻值最大为9.0Ω时，电路中的电流最小，灯泡实际功率最小，由E0＝U＋I（R＋r）得U＝－10I＋4，作出图线①如图所示.

由交点坐标可得U1＝1.78V，I1＝221mA，P1＝U1I1≈0.39W；当滑动变阻器电阻值R＝0时，灯泡消耗的功率最大，由E0＝U＋I（R＋r）得，I＝－U＋4，作出图线②如图所示.由交点坐标可得，U2＝3.70V，I2＝315mA，最大的功率为P2＝U2I2≈1.17W.

变式1

　小华和小明在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，将实验数据记录在下表中：

电压U/V

0.00

0.20

0.40

0.70

1.00

1.30

1.70

2.10

2.50

电流I/A

0.00

0.14

0.24

0.26

0.37

0.40

0.43

0.45

0.46

（1）实验室有两种滑动变阻器供选择：

A.滑动变阻器（阻值范围0～10Ω、额定电流3A）

B.滑动变阻器（阻值范围0～2000Ω、额定电流1A）

实验中选择的滑动变阻器是.（填写字母序号）

（2）在图3甲中用笔画线代替导线，将实验电路连接完整.

（3）开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至（选填“左”或“右”）端.

（4）利用表中数据，在图乙中画出小灯泡的U－I图线.

图3

（5）他们在U－I图象上找到小灯泡工作电压为2.0V时坐标点，计算此状态的电阻值时，小明提出用图象上该点曲线斜率表示小灯泡的阻值；小华提出该点与坐标原点连线的斜率表示小灯泡的阻值.你认为（选填“小华”或“小明”）的方法正确.

答案　

（1）A　

（2）见解析图　（3）左　（4）见解析图

（5）小华

解析　

（1）由于灯泡的电阻大约在几欧左右，为了便于测量，滑动变阻器选择0～10Ω的.

（2）由于灯泡的电压和电流从零开始测起，则滑动变阻器采用分压式接法；电流表采用外接法.实物连线图如图甲所示.

（3）为了保护测量电路，开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至最左端.

（4）小灯泡的U－I图线如图乙所示.

（5）根据欧姆定律知，R＝

，电阻的大小为该点与坐标原点连线的斜率，故小华正确.

变式2

　（2017·广东华南三校联考）为探究小灯泡L的伏安特性曲线，提供了以下器材：

小灯泡L：

规格“4.0V　2.8W”；

电流表A1，量程3A，内阻约为0.1Ω；

电流表A2，量程0.6A，内阻r2＝0.2Ω；

电压表V，量程3V，内阻rV＝9kΩ；

标准电阻R1，阻值1Ω；

标准电阻R2，阻值3kΩ；

滑动变阻器R，阻值范围0～10Ω；

学生电源E，电动势6V，内阻不计；

开关S及导线若干.

（1）某同学设计了如图4甲所示的电路来进行测量，闭合开关前，滑动变阻器滑片应置于，当通过L的电流为0.46A时，电压表的示数如图乙所示，电压表的读数为V，此时L的电阻为Ω.

图4

（2）要想更准确完整地描绘出L的伏安特性曲线，需要重新设计电路.请你利用所提供器材，在图5中的虚线框中补画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号.

图5

（3）根据实验测得的数据，描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图6，若将该灯泡接到E＝1.5V、r＝3.0Ω的电源两端，则灯泡实际消耗的功率P＝W.（结果保留两位有效数字）

图6

答案　

（1）左端　2.30　5

（2）见解析图

（3）0.18

解析　

（1）为保证安全且不损坏电路元件，闭合开关前，滑动变阻器滑片应置于左端.题图乙电压表量程为3V，则读数为2.30V，L的电阻R＝

Ω＝5Ω.

（2）如图所示

（3）在图中画出电源的I－U图线，由两图象交点可知，灯泡两端电压U＝0.9V，电流I＝0.20A，灯泡实际功率P＝0.9×0.20W＝0.18W.

命题点二　实验拓展与创新

例2

　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3kΩ）、电流表（内阻约为1Ω）、定值电阻等.

图7

（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7（a）所示，读数

为Ω.据此应选择图中的（填“（b）”或“（c）”）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）如图（d）是根据实验数据作出的U－I图线，由图可判断元件（填“X”或“Y”）是非线性元件；

（4）该小组还借助X和Y中的线性元件和阻值R＝21Ω的定值电阻，测量待测电池的电动势E和内阻r，电路图如图（e）所示，闭合S1和S2，电压表读数为3.00V；断开S2，读数为1.00V.利用图（d）可算得E＝V.r＝Ω（结果均保留两位有效数字，视电压表为理想电压表）.

答案　

（1）10　（b）　

（2）增大　（3）Y　（4）3.2　0.50

解析　

（1）由题图（a）可知，多用电表的读数为10Ω，由于元件的电阻较小，电路应选用电流表外接法，即选择图（b）电路.

（2）当滑动变阻器的滑片向右移时，电流表的示数增大.

（3）由于元件Y的U－I图线是曲线，因此Y是非线性元件.

（4）设线性元件的电阻为R，由U－I图线可知，R＝

＝10Ω，则S1、S2均闭合时，E＝0.3A×（10Ω＋r），S1闭合、S2断开时，E＝0.1A×（10Ω＋21Ω＋r），解得E≈3.2V，r＝0.50Ω.

变式3

　某实验小组的同学在学校实验室中发现一电学元件，该电学元件上标有“最大电流不超过6mA，最大电压不超过7V”，同学们想通过实验描绘出该电学元件的伏安特性曲线，他们设计的一部分电路如图8所示，图中定值电阻R＝1kΩ，用于限流；电流表量程为10mA，内阻约为5Ω；电压表（未画出）量程为10V，内阻约为10kΩ；电源电动势E为12V，内阻不计.

图8

（1）实验时有两个滑动变阻器可供选择：

A.阻值0～200Ω，额定电流0.3A

B.阻值0～20Ω，额定电流0.5A

应选的滑动变阻器是（填“A”或“B”）.

正确接线后，测得数据如下表：

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

U/V

0.00

3.00

6.00

6.16

6.28

6.32

6.36

6.38

6.39

6.40

I/mA

0.00

0.00

0.00

0.06

0.50

1.00

2.00

3.00

4.00

5.50

（2）由以上数据分析可知，电压表应并联在M与之间（填“O”或“P”）；

（3）将电路图在方框中补充完整；

（4）从表中数据可知，该电学元件的电阻的特点是：

.

答案　

（1）A　

（2）P　（3）见解析图　（4）当元件两端的电压小于6V时，元件电阻非常大，不导电；当元件两端的电压大于6V时，随着电压的升高电阻变小

解析　

（1）滑动变阻器A允许的最大电压为0.3×200V＝60V＞12V，滑动变阻器B两端所能加的最大电压为0.5×20V＝10V＜12V，为保证安全，滑动变阻器应选A.

（2）由表中实验数据可知，电学元件电阻的最小测量值约为：

R＝

Ω≈1163.6Ω，电流表内阻约为5Ω，电压表内阻约为10kΩ，相对来说，元件电阻远大于电流表内阻，电流表应采用内接法，因此电压表应并联在M与P之间.

（3）描绘伏安特性曲线，电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，由

（2）可知，电流表采用内接法，实验电路图如图所示：

（4）由表中实验数据可知，当元件两端的电压小于6V时，电路电流很小，几乎为零，由欧姆定律可知，元件电阻非常大，不导电；当元件两端电压大于6V时，随着电压的升高电流迅速增大，电压与电流的比值减小，电阻变小.

变式4

　硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件.某实验小组设计了如图9甲所示的电路，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3V，内阻为6kΩ；电压表V2量程选用15V，内阻约为30kΩ；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12V，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.

图9

（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示数如图丙所示，则U1＝V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为mA（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），并在图10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.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

U1/V

0.00

0.00

0.06

0.12

0.24

0.42

0.72

1.14

1.74

U2/V

0.0

1.0

2.1

3.1

4.2

5.4

6.7

8.1

9.7

Ux/V

0.0

－1.0

－2.0

－3.0

－4.0

－5.0

－6.0

－7.0

－8.0

Ix/mA

0.00

0.00

－0.01

－0.02

－0.04

－0.07

－0.12

－0.19

－0.29

图10

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.

答案　

（1）连线如图所示

（2）①1.40　0.23

②描点绘出Ix－Ux图线，如图所示.

③非线性

解析　V1选用的是3V量程，则刻度盘的最小分度为0.1V，根据电表的读数原则知U1＝14.0×0.1V＝1.40V，I1＝

≈0.23mA.由于绘出的Ix－Ux图象不是直线，即Ix与Ux成非线性关系.