版高考物理总复习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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版高考物理总复习第八章恒定电流实验九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

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I－U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.由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，对电路的影响会带来误差，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。

热点一　教材原型实验

【例1】　有一个小电珠上标有“4V　2W”的字样，现在要用伏安法描绘这个电珠的I－U图线。

有下列器材供选用：

A.电压表（0～5V，内阻10kΩ）

B.电压表（0～10V，内阻20kΩ）

C.电流表（0～0.3A，内阻1Ω）

D.电流表（0～0.6A，内阻0.4Ω）

E.滑动变阻器（5Ω，1A）

F.滑动变阻器（500Ω，0.2A）

（1）实验中电压表应选用______，电流表应选用______。

（用序号字母表示）

（2）为使实验误差尽量减小，要求电压从零开始变化且多取几组数据，滑动变阻器应选用________。

（用序号字母表示）

（3）请在虚线框内画出满足实验要求的电路图，并把图1中所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图。

图1

解析　

（1）因小电珠的额定电压为4V，为保证安全，选用的电压表量程应稍大于4V，但不能大太多，量程太大则示数不准确，故选用0～5V的电压表，故选A；由P＝UI得，小电珠的额定电流I＝

＝0.5A，故应选择0～0.6A量程的电流表，故选D。

（2）由题意可知，电压从零开始变化，并要求多测几组数据，故只能采用滑动变阻器分压接法，而分压接法中应选总阻值小的滑动变阻器，故选E。

（3）小电珠内阻R＝

＝8Ω，电压表内阻远大于小电珠内阻，应采用电流表外接法，故电路图和实物连接图如图所示。

答案　

（1）A　D　

（2）E　（3）图见解析

1.滑动变器的选取：

在分压电路中，一般选用全电阻小于用电器电阻的滑动变阻器。

在限流电路中，一般选用全电阻和用电器电阻相差不多或大几倍的滑动变阻器。

2.滑动变阻器的两种连接方式

两种接法的电路图

负载R上电压

的调节范围

～E

0～E

3.两种接法的适用条件

（1）限流式接法适合测量阻值较小的电阻（跟滑动变阻器的最大电阻相比相差不多或比滑动变阻器的最大电阻还小）。

（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最大电阻要大）。

（3）若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式接法。

【变式训练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2a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）

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，所以

＜

，故电流表用外接法，如图所示。

（2）由I－U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E＝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E＝U＋I（R＋r）得，I＝－

U＋

，即I＝－U＋4，作出图线②如图所示。

由交点坐标可得，U2＝3.68V，I2＝0.318A，最大的功率为P2＝U2I2＝1.17W。

答案　

（1）见解析　

（2）增大　增大　（3）0.39W　1.17W

热点二　实验拓展创新

以本实验为背景，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。

【例2】　如图3甲所示为某同学实验得到的小灯泡灯丝电阻的U－I关系曲线图。

图3

（1）在图乙中画出实验电路图（根据该电路图可得到U－I关系的完整曲线），可用的器材有：

电压传感器、电流传感器、滑动变阻器（变化范围0～50Ω）、电动势为

6V的电源（不计内阻）、小灯泡、电键、导线若干。

（2）如果将该小灯泡分别接入图4甲、乙两个不同电路，其中甲电路的电源为一节干电池，乙电路的电源为三节干电池，每节干电池的电动势为1.5V，内电阻为1.5Ω，定值电阻R＝18Ω。

则接入________（填“甲”或“乙”）电路时，小灯泡较亮些。

图4

（3）在电路乙中，小灯泡消耗的电功率为________W。

（4）若将电路乙中的电阻R替换为另一个完全相同的小灯泡，其他条件不变，则此时电源内部的发热功率为________W。

解析　由于要画出U－I关系的完整曲线，必须用分压接法画出实验电路图。

分别在小灯泡灯丝电阻的U－I关系曲线图上画出电源的伏安特性曲线，与小灯泡灯丝电阻的U－I关系的曲线交点即为工作点。

显然接入图4甲电路时，灯泡中电流较大，小灯泡较亮些。

在电路乙中，小灯泡消耗的电功率为P＝UI＝1×0.15W＝0.15W。

若将电路乙中的电阻R替换为另一个完全相同的小灯泡，其他条件不变，可等效为电动势为2.25V、内阻为2.25Ω的电池连接一个灯泡，在小灯泡灯丝电阻的U－I关系曲线图上画出电源（电动势2.25V，内阻2.25Ω）的伏安特性曲线，与小灯泡灯丝电阻的U－I关系曲线交点对应的横坐标值为电源输出电流I＝0.26A，此时电源内部的发热功率为P＝I2r＝0.262×4.5W≈0.30W。

答案　

（1）实验电路图如图所示。

（2）甲　（3）0.15　（4）0.30

【变式训练2】　[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I－U图象应是下图中的________。

解析　

（1）用电压表V1和R5串联，可改装成量程为U＝

（rg＋R5）＝

×（3＋1）V＝4V的电压表；用量程为200mA的电流表A1与定值电阻R4并联可改装为量程为I＝Ig＋

＝0.2A＋

A＝0.4A的电流表；待测小灯泡的阻值较小，故采用电流表外接，电路图见答案。

（2）小灯泡的电阻随温度升高而变大，故该同学描绘出的I－U图象应该是B。

答案　

（1）如图所示　

（2）B

1.如图5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。

图5

图6

（1）根据图5在虚线框内画出实验电路图；

（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6中的①、②、③、④所示，电流表量程为0.6A，电压表量程为3V。

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）描绘小灯泡的伏安特性曲线需要测量电压范围大，变阻器用分压接法，小灯泡电阻比较小，电流表要外接，电路图如图所示。

（2）电流表量程为0.6A时，最小刻度为0.02A，读数读到小数点后两位，所以①表示数为0.10A，②表示数为0.24A；电压表量程为3V，最小刻度为0.1V，应估读到0.01V，所以③表示数为2.00V，④表示数为0.27V，根据欧姆定律R1＝

＝

＝8.3Ω，R2＝

＝

Ω＝2.7Ω。

答案　

（1）见解析　

（2）①0.10A（0.10±0.02均可）

②0.24A　③2.00V　④0.27V（0.27±0.01均可）；8.3Ω（8.3±0.1均可）　

2.7Ω（2.7±0.1均可）

2.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7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7

（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）将电路图在虚线框中补充完整；

（4）从表中数据可知，该电学元件的电阻的特点是：

_________________________

____________________________________________________________________。

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。

答案　

（1）A　

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