【物理】2019届一轮复习人教版实验八　描绘小灯泡的伏安特性曲线学案 17页

实验八 描绘小灯泡的伏安特性曲线 注意事项 1.电流表外接法：本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小，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 U－I 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 实验原理与实验操作 【例 1】 (2017·镇江一模)有一个额定电压为 3.8 V，额定功率约为 1 W 的小灯 泡，现要用伏安法描绘这只灯泡的 I－U 图线，有下列器材可供选用： A.电压表 V1(0～6 V、内阻约为 5 kΩ) B.电压表 V2(0～15 V、内阻约为 30 kΩ) C.电流表 A1(0～3 A、内阻约为 0.1 Ω) D.电流表 A2(0～0.6 A、内阻约为 0.5 Ω) E.滑动变阻器 R1(10 Ω、5 A) F.滑动变阻器 R2(200 Ω、0.5 A) G.蓄电池(电动势 6 V、内阻不计) H.开关、导线 (1)请在方框内画出该实验的原理电路图。 (2)实验中，电压表选________，电流表选________，滑动变阻器选________。(用 序号字母表示) (3)测得该灯泡的伏安特性曲线如图所示。由图线可求得此灯泡在正常工作时的 电阻为________ Ω；若将此灯泡与电动势 12 V、内阻为 1 Ω的电源相连，要使 灯泡正常发光，需串联一个阻值为________ Ω的电阻。(结果保留 2 位有效数字) 解析 (1)描绘伏安特性曲线，电压、电流从零开始变化，所 以滑动变阻器选用分压式；根据 R< RARV说明小灯泡是小电 阻，采用电流表外接法。 (2)根据小灯泡的额定电压和额定电流，电压表选 A，电流表选 D，滑动变阻器分 压式应选用阻值小的 E。 (3)正常工作的电阻即为图中电压为 3.8 V 时的电阻，为 R＝ 3.8 0.24 Ω＝15.83 Ω≈ 16 Ω，根据闭合电路欧姆定律计算出串联电阻阻值 Rx＝E I －r－R＝ 12 0.24 Ω－1 Ω －15.83 Ω≈33 Ω。 答案 (1)见解析图 (2)A D E (3)16 33 热点二 数据处理与分析 【例 2】 某学习小组探究一小电珠在不同电压下的电功率大小，实验器材如图 1 甲所示，现已完成部分导线的连接。 图 1 (1)实验要求滑动变阻器的滑片从左到右移动过程中，电流表的示数从零开始逐 渐增大，请按此要求用笔画线代替导线在图甲实物接线图中完成余下导线的连 接； (2)某次测量，电流表指针偏转如图乙所示，则电流表的示数为________A； (3)该小组描绘出的伏安特性曲线如图丙所示，根据图线判断，将________只相 同的小电珠并联后，直接与电动势为 3 V、内阻为 1 Ω的电源组成闭合回路，可 使小电珠的总功率最大，其总功率的值约为________W(保留两位小数)。 解析 (1)电流表示数要从零开始逐渐增大，滑动变阻器要用分压接法，如图甲 所示。 甲 (2)电流表示数为 0.44 A。 (3)当外电路的总电阻与电源内阻相等时，电源有最大的输出功率，即小电珠的 总功率最大，此时 R 外＝r＝1 Ω，I＝ E R 外＋r ＝3 2 A＝1.5 A，U 外＝E 2 ＝1.5 V，即每 只小电珠两端的电压为 1.5 V，通过图象可知每只小电珠的电流为 I0＝0.38 A，n ＝ I I0 ≈4(只)；通过每只小电珠的电流为 I0，两端电压为 U，根据闭合电路欧姆定 律得：U＋nI0r＝E，而 U＋4I0＝3 V，U＝－4I0＋3 V，如图乙所示，图线的交点 纵、横坐标分别为 U≈1.5 V，I0≈0.38 A，P＝UI0＝0.57 W，P 总＝nP＝4×0.57 W ＝2.28 W。 乙 答案 (1)见解析图甲 (2)0.44 (3)4 2.28 热点三 实验的改进与创新 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 3】 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 3 kΩ)、电流表(内阻约为 1 Ω)、定值电阻等。 图 2 (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 2(a)所 示，读数为________Ω。据此应选择图 2 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。 图 3 (3)图 3(a)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＝21 Ω的定值电阻，测量待测电 池的电动势 E 和内阻 r，电路如图 3(b)所示。闭合 S1 和 S2，电压表读数为 3.00 V； 断开 S2 ， 读 数 为 1.00 V， 结 合 图 3(a) 的 数 据 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)。 解析 (1)欧姆表的读数 R＝示数×倍率，得 R＝10 Ω；根据实验电路产生误差的 原因知应选用电流表外接，故选择“b”电路进行实验。 (2)滑动变阻器的滑片 P 从左向右滑动，R 左增大，待测电阻两端的电压增大，所 以电流表的示数增大。 (3)根据伏安特性曲线知，X 为线性元件，Y 为非线性元件，且 RX＝10 Ω。 (4)由闭合电路欧姆定律： S1、S2 均闭合，有 U1＝ E RX＋rRX S1 闭合，S2 断开，有 U2＝ E RX＋R＋rRX 解以上两式得 r＝0.50 Ω，E≈3.2 V 答案 (1)10 b (2)增大 (3)Y (4)3.2 0.50 【例 4】 为了探究某电阻 Rt 在不同温度下的阻值，某同学设计了如图 4 所示的 电路，其中 A 为内阻不计、量程为 3 mA 的电流表，E1 为电动势为 1.5 V、内阻 约为 1 Ω的电源，R1 为滑动变阻器，R2 为电阻箱， S 为单刀双掷开关。 图 4 (1)实验室中提供的滑动变阻器有两个：RA(0～150 Ω)，RB(0～500 Ω)，本实验中 滑动变阻器 R1 应选用________(选填“RA”或“RB”)。 (2)完成下面实验步骤： ①调节温度，使 Rt 的温度达到 t1； ②将 S 拨向接点 1，调节________，使电流表的指针偏转到适当位置，记下此时 电流表的读数 I； ③将 S 拨向接点 2，调节________，使电流表的读数仍为 I，记下此时电阻箱的 读数 R0，则当温度为 t1 时，电阻 Rt＝________； ④改变 Rt 的温度，重复步骤②③，即可测得电阻 Rt 的阻值随温度变化的规律。 (3)现测得电阻 Rt 随温度 t 变化的图象如图 5 甲所示。把该电阻与电动势为 3.0 V、 内阻不计的电源 E2，量程为 3.0 V 的理想电压表 V(图中未画出)和电阻箱 R2 连成 如图乙所示的电路，用该电阻作测温探头，将电压表的电压刻度改为相应的温度 刻度，就得到了一个简单的“电阻温度计”。若要求电压表的读数必须随温度的 升高而增大，则应在原理图乙中________(选填“a、b”或“b、c”)两点接入电 压表。如果电阻箱阻值 R2＝75 Ω，则电压表刻度盘 2.0 V 处对应的温度数值为 ________ ℃。 图 5 解析 (1)由电源的电动势为 1.5 V，电流表量程为 3 mA 可知，达到满偏时，电 路总电阻约为 500 Ω，故滑动变阻器选择 RB。 (2)实验中选用替代法测量电阻，第二步中，先将 S 拨向接点 1，调节滑动变阻器 R1，记录电流表读数；然后将 S 拨向接点 2，调节电阻箱 R2，使电流表读数仍为 I，此时电阻箱的读数即为待测电阻的阻值，即 Rt＝R0。 (3)由于电阻 Rt 随温度升高而增大，由闭合电路欧姆定律可知其两端电压也增大， 所以电压表与之并联，即电压表接在 b、c 两点。根据题图甲中图象可得 Rt＝(100 ＋t)Ω，由串联分压规律可得电压表示数为 2.0 V 时，Rt＝150 Ω，解得 t＝50℃。 答案 (1)RB (2)②R1 ③R2 R0 (3)b、c 50 如图 6 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 6 (1)根据图 6 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 7 中的①、②、③、 ④所示，电流表量程为 0.6 A，电压表量程为 3 V。所示读数为：①________、 ②________、③________、④________。两组数据得到的电阻分别为________ 和________。 图 7 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 0.6 A 时，最小刻度为 0.02 A，读数读到 小数点后两位，所以①表示数为 0.10 A，②表示数为 0.24 A；电压表量程为 3 V， 最小刻度为 0.1 V，应估读到 0.01 V，所以③表示数为 2.00 V，④表示数为 0.27 V， 由电路可知，U 大则 I 大，U 小，I 就小，根据欧姆定律 R1＝U1 I1 ＝2.00 V 0.24 A ＝8.3 Ω， R2＝U2 I2 ＝0.27 0.1 Ω＝2.7 Ω。 答案 (1)见解析 (2)①0.10 A ②0.24 A ③2.00 V ④0.27 V(0.27±0.01 均可)；8.3 Ω(8.3±0.1 均可) 2.7 Ω(2.7±0.1 均可) 活页作业 (时间：30 分钟) 1.(2017·江苏省南通市、泰州市、扬州市高三第三次模拟考试)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，将图 1 甲电路连接完整。 图 1 (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乙所示，则电路发 生的故障是________________。 解析 (1)小灯泡的额定电流为 600 mA，则实验中电流表应选用 A1，伏安特性曲 线的电流、电压应从(0，0)取起，则滑动变阻器应采用分压式，为使分压电路上 的电压比较稳定，滑动变阻器应选小阻值的 R1。 (2)为使伏安特性曲线的电流电压从(0，0)取起，滑动变阻器采用分压式，将小灯 泡的电阻 R 2x与电压表、电流表内阻的乘积 RARV 进行比较，R2x0.6 A，电路总电阻 R＝E I<12 0.6 Ω＝20 Ω，所以定值电阻只能选择 10 Ω。 (3)断开开关后，电路中没有电流，但电池的两根导线相碰可能会引起电池短路， 所以应该先拆除电池两端的导线。 (4)描点作图应该根据点的分布用平滑的曲线连接；画的图线应该尽量占满坐标 纸。 答案 (1)如解析图所示 (2)10 (3)电池 (4)图线画为直线；横坐标的标度不恰 当。 5.如图 6 甲所示的电路中，恒流源可为电路提供恒定电流 I0，R 为定值电阻，电 流表、电压表均可视为理想电表。某同学利用该电路研究滑动变阻器 RL 消耗的 电功率。改变 RL 的阻值，记录多组电流、电压的数值，得到如图乙所示的 U－I 关系图线。 图 6 回答下列问题： (1)滑动触头向下移动时，电压表示数________(填“增大”或“减小”)。 (2)I0＝________A。 (3)RL 消耗的最大功率为________W(保留 1 位有效数字)。 解析 (1)滑动触头向下移动时，RL 阻值减小，则总电阻减小，由于总电流不变， 因此总电压变小，则电压表读数变小。 (2)由电路图可知：I0＝I＋U R ，即 U＝I0R－IR，由 U－I 图线可知，I0R＝20，R＝k ＝20 1.0 Ω＝20 Ω，则 I0＝1.00 A(0.98、0.99、1.01 均正确)。 (3)RL 消耗的功率为 P＝IU＝20I－20I2，则当 I＝0.5 A 时，功率的最大值为 Pm＝5 W。 答案 (1)减小 (2)1.00(0.98、0.99、1.01 均正确) (3)5 6.(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 7 所示，控温箱用以调节金属电阻的温度。 图 7 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，在答题卡的方格纸上作出 R－t 图线。 由图线求得 R 随 t 的变化关系为 R＝________Ω。 解析 (1)电路中的最大电流约 I＝ E R＋Rm＋r ≈100 mA，故电流表应选用 A。 (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。 (3)R－t 图象如图所示 由 R－t 图象知，R＝0.04t＋8.8(Ω)。 答案 (1)A (2)①②③ (3)见解析图 0.04t＋8.8