2019版高考物理总复习实验创新增分专题九描绘小灯泡的伏安特性曲线学案20180517375.wps
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1、实验九 描绘小灯泡的伏安 特性曲线 一、实验目的 1掌握滑动变阻器的使用方法及连接方式。 2掌握伏安特性曲线的描绘方法。 3理解小灯泡的伏安特性曲线为什么是曲线。 二、实验原理 1用电流表测出流过小灯泡的电流,用电压表测出小灯泡两端的电压,测出多组(U,I) 值,在 IU坐标系中描出各对应点,用一条平滑的曲线将这些点连起来。 2滑动变阻器两种接法的对比 方式 内容 限流接法 分压接法 对比说明 两种接法 串、并联关系 电路图 不同 负载 R上 电压调节 范围 RE UE RR0 0UE 分压电路调 节范围大 负载 R上 电流调节 范围 E E I RR0 R E 0I R 分压电路调 节范围大
2、 闭合 S 前 触头位置 b端 a端 都是为了保 护电路元件 3两种接法的选择 1 (1)选择不同接法的原则 (2)下列情况下滑动变阻器应采用限流接法 测量时电路中的电流或电压没有要求从零开始连续调节,只是在小范围内变化,且 R 与 R0接近或 R 略小于 R0,采用限流接法。 电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小,不能满足分压接法的要求时,采用限流 接法。 没有很高的要求,仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时,考虑安装简便和节能 因素常采用限流接法。 (3)下列情况下滑动变阻器应采用分压接法 题设条件中所提供的电表量程或电阻的最大允许电流不够。 题设条件中的滑动变阻器的最大阻值远小于
3、被测电阻或电路中串联的其他电阻的阻值。 题设要求回路中某部分电路两端的电压从零开始连续变化。 三、实验器材 小灯泡(3.8 V,0.3 A)或(2.5 V,0.6 A)一个、电压表(03 V15 V)与电流表(00.6 A 3 A)各一个、滑动变阻器(最大阻值 20 )一个、学生低压直流电源(或电池组)、开关一个、 导线若干、坐标纸、铅笔。 四、实验步骤 1确定电流表、电压表的量程,采用电流表外接法,滑动变阻器采用分压式接法,按实 验中的原理图连接好实验电路。 2 2把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端,接线经检查无误后,闭合开关 S。 3移动滑动变阻器滑片位置,测出 12 组左右不同的电压值
4、U和电流值 I,并将测量数据 填入表格中,断开开关 S。 次数 0 1 2 电压 U/V 电流 I/A 五、数据处理 1在坐标纸上以 U为横轴,以 I为纵轴,建立坐标系。 2在坐标纸上描出各组数据所对应的点(坐标系纵轴和横轴的标度要适中,以使所描图线 充分占据整个坐标纸为宜)。 3将描出的点用平滑的曲线连接起来,就得到小灯泡的伏安特性曲线。 六、误差分析 1系统误差:由于采用的是电流表外接法,电流表的测量值大于小灯泡电流的真实值。 2偶然误差 (1)电压表、电流表读数时存在误差。 (2)在坐标纸上描点、作图时存在误差。 七、注意事项 1电路的连接方式 (1)电流表应采用外接法:小灯泡(3.8
5、V,0.3 A)的电阻很小,与 00.6A 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:目的是能使小灯泡两端的电压从零开始连续变化。 2闭合开关 S 前,滑动变阻器的滑片应移到使小灯泡分得电压为零的一端,使开关闭合 时小灯泡的电压从零开始变化,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。 3IU图线在 U01.0V 左右将发生明显弯曲,故在 U1.0V 左右绘点要密,以防出现较 大误差。 4当小灯泡的电压接近额定电压值时要缓慢增加,到额定电压值记录额定电流 I后马上 断开开关。 5误差较大的点舍去,IU图线应是平滑曲线而非折线。 考点 1 基础
6、实验 例 1 (2017甘肃一诊)有一个额定电压为 2.8 V、功率约为 0.8W 的小灯泡,现要用伏 安法描绘这个小灯泡的 IU 图线,有下列器材供选用: 3 A电压表(03 V,内阻 6 k) B电压表(015 V,内阻 30 k) C电流表(03 A,内阻 0.1 ) D电流表(00.6 A,内阻 0.5 ) E滑动变阻器(010 ,2 A) F滑动变阻器(0200 ,0.5 A) G蓄电池(电动势 6 V,内阻不计) (1)某同学误将电流表和电压表接成如图甲所示的电路,其他部分连接正确,接通电源后, 小灯泡的发光情况是_。要求小灯泡两端的电压从零开始增大,应选择图乙中的电路图 是_(“
7、填 a”“或 b”)。 (2)用正确的电路进行测量,电压表应选用_,电流表应选用_。(用序号字 母表示) (3)滑动变阻器应选用_(用序号字母表示)。 (4)通过实验测得此小灯泡的伏安特性曲线如图丙所示,由图线可求得此小灯泡在正常工 作时的电阻为_。 (5)若将此小灯泡与电动势 6V、内阻不计的电源相连,要使小灯泡正常发光,需串联一个 阻值为_ 的电阻(结果保留三位有效数字)。 解析 (1)由题图甲可知,电压表串联在电路中,电路中的电阻很大,小灯泡不亮;要使 小灯泡两端的电压从零开始调节,滑动变阻器应采用分压接法,故电路图应选择 b。 (2)小灯泡的额定电压为 2.8 V,故电压表的量程应略大
8、于 2.8 V,故电压表应选 A;由 P P 0.8 W UI 得,电流 I 0.29 A,故电流表应选 D。 U 2.8 V (3)本实验中滑动变阻器是分压接法,为了方便调节,滑动变阻器选最大阻值较小的,故 应选 E。 U (4)由题图丙可知,当电压为 2.8 V 时,电流为 0.28 A,则电阻 R 10 。 I (5)要使小灯泡串联在 6 V 的电源上正常工作,则与它串联的电阻所分电压为 6V2.8 V 3.2 V 3.2 V,串联的电阻 R 11.4 。 0.28 A 4 答案 (1)不亮 b (2)A D (3)E (4)10 (5)11.4 滑动变阻器的选择 从便于操作的角度来考虑
9、,限流式接法要选用与待测电阻相近或较大的滑动变阻器;分压 式接法要选用比待测电阻较小阻值的滑动变阻器。测量电压要求从零开始的,只能采用分压式 接法。描绘小灯泡的伏安特性曲线一般要求灯泡两端电压从零开始,一般采用分压接法,选用 较小的变压器。 “”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 0 0 0 0 1 1 1 2 2 U/V .00 .20 .40 .70 .00 .30 .70 .10 .50 电流 0 0 0 0 0 0 0 0 0 I/A .00 .14 .24 .26 .37 .40 .43 .45 .46 (1)实验室有两种滑动变阻器供选择:
10、 A滑动变阻器(阻值范围 010 、额定电流 3 A) B滑动变阻器(阻值范围 02000 、额定电流 1 A) 实验中选择的滑动变阻器是_。(填写字母序号) (2)在图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最_(“”“”填 左 或 右 )端。 (4)利用表中数据,在图乙中画出小灯泡的 UI图线。 5 (5)他们在 UI 图象上找到小灯泡工作电压为 2.0 V 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_(“”“”填 小华 或 小明 )的方法正确。 答案
11、 (1)A (2)图见解析 (3)左 (4)图见解析 (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 010 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 UI 图线如图所示。 6 U (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。 I 考点 2 创新实验 例 2 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
12、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:_(“”“”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 2.0 V 时,太阳能电池的电阻_(“”填 很大 或 “”很小 );当电压为 2.8 V 时,太阳能电池的电阻约为_(结果保留两位有效数字)。 7 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
13、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 2.0 V 时,电流几乎为零,所以太阳能电池的电阻很大。当电 U 压为 2.8 V 时,对应电流为 2.8 mA,由欧姆定律可得太阳能电池的电阻约为 R 1.0103 I 。 答案 (1)甲 (2)很大 1.0103 熟练掌握实验的基本原理是解决创新性实验的前提。 创新实验一般就是:实验对象的变化。如例 2 把描述小灯泡的伏安特性曲线转化为太阳 能电池的伏安特性曲线。数据测量方式的变化和数据处理的变化。 实验室备有以下器材:电压传感器、电流传感器、滑动变阻器 R1(阻值变化范围 020)、 滑动变阻器
14、 R2(阻值变化范围 01000)、电动势大小合适的电源、小灯泡(4 V 2 W)、开关、 导线若干。 (1)要完整地描绘小灯泡的 UI 曲线,请在虚线框中画出实验电路图,并标出所用滑动变 阻器的符号。 8 (2)实验中描绘出的小灯泡 UI曲线如图甲所示,由图象可知,小灯泡灯丝电阻随温度升 高而_(“”“”“”填 增大减小 或 不变 )。 (3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内阻,实验电路如图乙所示,图中 R0是阻值 为 9.0 的保护电阻,实验中测得多组数据如表所示,试在同一坐标系中画出等效电源的 UI 图象,由图象可求出电源自身内阻约为_。 序 1 2 3 4 5 6 号 U 4 3
15、 2 2 1 0 /V .00 .40 .80 .00 .50 .80 I 0 0 0 0 0 0 /A .20 .25 .33 .40 .46 .52 (4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路,如图丙所示,此时小灯泡消耗 的电功率约为_W。 答案 (1)图见解析 (2)增大 (3)图见解析 1.0 (4)0.82(0.800.84 均正确) 解析 (1)描绘灯泡的伏安图象曲线,电压与电流应从零开始变化,滑动变阻器要采用分 压接法,变阻器应选用阻值较小的 R1,由于小灯泡的阻值较小,电流表应用外接法,电路图如 图所示。 9 (2)由图示 UI 图象可知,随着电压与电流的增大,灯泡实
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