实验九 描绘小电珠的伏安特性曲线.docx

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实验九描绘小电珠的伏安特性曲线

实验九：

　描绘小电珠的伏安特性曲线

注意事项

1．电流表外接法：

本实验中被测小电珠灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法。

2．滑动变阻器应采用分压式连接

本实验要作出UI图象，要求测出一组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压接法。

3．保护元件安全：

为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于图中的a端。

加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压。

误差分析

1．电表内阻对电路的影响会带来误差。

2．电流表、电压表的读数带来误差。

3．在坐标纸上描点、作图带来误差。

考点一　教材原型实验

考向1　实验器材的选择和电路设计

[2016·天津理综·9（3）]某同学想要描绘标有“3.8V　0.3A”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0～3V，内阻等于3kΩ）

电压表V2（量程0～15V，内阻等于15kΩ）

电流表A1（量程0～200mA，内阻等于10Ω）

电流表A2（量程0～3A，内阻等于0.1Ω）

滑动变阻器R1（0～10Ω，额定电流2A）

滑动变阻器R2（0～1kΩ，额定电流0.5A）

定值电阻R3（阻值等于1Ω）

定值电阻R4（阻值等于10Ω）

定值电阻R5（阻值等于1kΩ）

电源E（E＝6V，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图象应是下图中的________。

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10Ω，若选R4为并联电阻，则量程为0～0.4A，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0～4V。

（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）图见解析　

（2）B

考向2　数据处理及分析

（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（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＝ρ

，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＝9Ω时，将R看作电源内阻，则等效电源内阻为10Ω，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＝3.66V，I1＝0.319A，

小灯泡的最大功率P1＝U1I1≈1.17W。

取图线乙与小灯泡伏安特性曲线交点：

U2＝1.77V，I2＝0.222A，

小灯泡的最小功率P2＝U2I2≈0.39W。

答案：

（1）实验电路原理如图所示。

（2）增大　增大　（3）0.39　1.17

考点二　实验的改进与创新

考向1　测量小灯泡的额定功率

（2019·大连模拟）有一只标值为“2.5V，xW”的小灯泡，其额定功率的标值已模糊不清。

某同学想通过测绘灯丝伏安特性曲线的方法来测出该灯泡的额定功率。

（1）已知小灯泡的灯丝电阻约为5Ω，请先在图甲中补全伏安法测量灯丝电阻的电路图，再选择电流表、电压表的合适量程，并按图甲连接方式将图乙中的实物连成完整的电路。

（2）开关S闭合之前，将图乙中滑动变阻器的滑片应置于________（选填“A端”“B端”或“AB正中间”）。

（3）该同学通过实验作出灯丝的伏安特性曲线如图丙所示，则小灯泡的额定功率为________W。

解析：

（1）小灯泡电阻较小，所以，电流表外接，电路图及实物图如图所示。

（2）开关S闭合前，被测电路两端电压应最小，滑片应置于B端。

（3）由题图丙知，灯泡两端额定电压为2.5V时，电流为I＝0.44A，所以灯泡的额定功率P＝UI＝2.5×0.44W＝1.1W。

答案：

（1）见解析图　

（2）B端　（3）1.1

考向2　描绘其他物理量的变化曲线

（2018·全国卷Ⅰ·23）某实验小组利用如图（a）所示的电路探究在25℃～80℃范围内某热敏电阻的温度特性。

所用器材有：

置于温控室（图中虚线区域）中的热敏电阻RT，其标称值（25℃时的阻值）为900.0Ω；电源E（6V，内阻可忽略）；电压表

（量程150mV）；定值电阻R0（阻值20.0Ω），滑动变阻器R1（最大阻值为1000Ω）；电阻箱R2（阻值范围0～999.9Ω）；单刀开关S1，单刀双掷开关S2。

实验时，先按图（a）连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0℃。

将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数。

逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0℃。

实验得到的R2t数据见下表。

t/℃

25.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

R2/Ω

900.0

680.0

500.0

390.0

320.0

270.0

240.0

回答下列问题：

（1）在闭合S1前，图（a）中R1的滑片应移动到________（填“a”或“b”）端。

（2）在图（b）的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出R2t曲线。

（3）由图（b）可得到RT在25℃～80℃范围内的温度特性。

当t＝44.0℃时，可得RT＝________Ω。

（4）将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图（c）所示，该读数为________Ω，则手心温度为________℃。

解析：

（1）闭合开关S1前，应让滑片移动到b端，使滑动变阻器连入电路的阻值最大。

（3）由图象可知t＝44.0℃时，电阻的阻值为450Ω。

（4）由图（c）可得电阻箱阻值为620.0Ω，由图象可得温度约为33.0℃。

答案：

（1）b

（2）如图所示

（3）450　（4）620.0　33.0

1．在有光照时太阳能电池可以将光能转化为电能，在没有光照时，太阳能电池可以视为一个电学器件。

某实验小组用测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电池在没有光照时（没有储存电能）的IU特性。

所用的器材包括，太阳能电池，电源E，电流表A，电压表V，滑动变阻器R，开关S及导线若干。

（1）为了达到上述目的，应选用哪个电路图：

________（选填“甲”或“乙”）。

（2）该实验小组根据实验得到的数据，描点绘出了如图丙所示的IU图象。

由图可知，当电压小于2.0V时，太阳能电池的电阻________（选填“很大”或“很小”）；当电压为2.8V时，太阳能电池的电阻约为________Ω。

（保留两位有效数字）

丙

解析：

（1）用测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电池在没有光照射时（没有储存电能）的IU特性，应选用滑动变阻器分压接法，为电路图甲。

（2）由图可知，当电压小于2.0V时，电流几乎为零，所以太阳能电池的电阻很大。

当电压为2.8V时，对应电流为2.8mA，由欧姆定律可得太阳能电池的电阻约为R＝

＝1.0×103Ω。

答案：

（1）甲　

（2）很大　1.0×103

2.

某小组通过实验测绘一个标有“5.0V　7.5W”某元件的伏安特性曲线，电路图如图甲所示，备有下列器材：

A．电池组（电动势为6.0V，内阻约为1Ω）

B．电压表（量程为0～3V，内阻RV＝3kΩ）

C．电流表（量程为0～1.5A，内阻约为0.5Ω）

D．滑动变阻器R（最大阻值10Ω，额定电压1A）

E．定值电阻R1（电阻值为1.5kΩ）

F．定值电阻R2（电阻值为3kΩ）

G．开关和导线若干

（1）实验中所用定值电阻应选________（填“E”或“F”）。

（2）根据图甲电路图，用笔画线代替导线将图乙中的实物电路连接完整。

（3）某次实验时，电压表示数指针位置如图丙所示，则电压表读数是________V；元件两端电压是________V。

丁

（4）通过实验数据描绘出该元件的伏安特性曲线如图丁所示，若把两个同样的该元件并联后与电动势为4.5V，内阻为1.5Ω的电源相连接，则此时每个元件的电阻值均为________Ω。

（计算结果保留两位有效数字）

解析：

（1）由于该元件的额定电压为5V，而电压表的量程才3V，因此需要将电压表的量程扩大，且扩大后的量程应略大于5V，因此定值电阻应选F。

（2）实验原理图采用的是分压式、电流表外接法，因此滑动变阻器应接下面的两个接线柱和上面的一个接线柱，电压表串联定值电阻后并联到元件两端，实物电路图连接如答案所示。

（3）该电压表的最小分度值为0.1V，因此读数时需要往下估读一位，即2.20V，这样元件两端的电压应为4.40V。

（4）设该元件两端的电压为U，流经该元件的电流为I，则根据闭合电路欧姆定律可得：

E＝U＋2Ir，即：

U＝－3I＋4.5，将该一次函数画在该元件的伏安特性曲线的坐标图上，则两图线的交点即为该元件在此情况下的电压和电流，根据R＝

可得此时每个元件的电阻为1.7Ω。

答案：

（1）F　

（2）如图所示　（3）2.20　4.40　（4）1.7（1.5～1.9均对）

3．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，小灯泡的额定电压为2.5V，额定功率为0.5W，此外还有以下器材可供选择：

A．直流电源3V（内阻不计）

B．直流电流表0～300mA（内阻约为5Ω）

C．直流电流表0～3A（内阻约为0.1Ω）

D．直流电压表0～3V（内阻约为3kΩ）

E．滑动变阻器100Ω，0.5A

F．滑动变阻器10Ω，2A

G．导线和开关

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________。

（均填写仪器前的字母）

（2）在如图所示的虚线框中画出符合要求的实验电路图（虚线框中已将所需的滑动变阻器画出，请补齐电路的其他部分，要求滑片P向b端滑动时，灯泡变亮）。

（3）根据实验数据，画出的小灯泡IU图线如图所示。

由此可知，当电压为0.5V时，小灯泡的灯丝电阻是________Ω。

（4）根据实验测量结果可以绘制小灯泡的电功率P随其两端电压U或电压的二次方U2变化的图象，在图中所给出的甲、乙、丙、丁图象中可能正确的是________（选填“甲”“乙”“丙”或“丁”）。

解析：

（1）灯泡的额定电流I＝

＝200mA，

故电流表选择B。

因本实验要求电压从零开始变化，故用分压接法，故滑动变阻器选择小电阻F。

（2）根据实验要求可知，滑动变阻器采用分压接法，并且测量电路应与滑动变阻器的左半部分并联；电流表采用外接法，电路图如图所示。

（3）由画出的伏安特性曲线可知，U＝0.5V时，电流I＝0.10A，则对应的电阻R＝

＝5.0Ω。

（4）由P＝

可知，P与U为二次函数关系，图象开口向上，故甲正确。

P与U2在R不变时为正比例关系，由于

随电压的增大而减小，故丙图正确。

答案：

（1）B　F　

（2）图见解析　（3）5.0　（4）甲、丙