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

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 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 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 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_(“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，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： 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 (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 1.0×103 I 。 答案 (1)甲 (2)很大 1.0×103 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 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 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，灯泡实际功率增大，灯丝温度升高， 电压与电流的比值增大，灯丝电阻增大，由此可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而增大。 (3)根据表中实验数据作出电源 UI 图象如图所示， U 6 由图象可知，电源内阻 r R0 9 1 。 I 0.6 (4)由图象可知，灯泡两端电压为 2.1 V，电流为 0.39 A，灯泡的电功率为 PUI 2.1×0.39 W0.82 W。 1“”在 描绘小灯泡的伏安特性曲线 的实验中，可供选择的实验仪器如下： 10 (1)在上述器材中，滑动变阻器应选_，电流表应选_。 (2)在图甲中用笔画线代替导线，把实验仪器连接成完整的实验电路。 (3)利用实验中得到的实验数据在 IU 坐标系中描绘出了如图乙所示的小灯泡的伏安特性 曲线。根据此图给出的信息，可以判断出下图中正确的是(图中 P 为小灯泡功率)( ) 11 答案 (1)R1 A2 (2)图见解析 (3)BD 解析 (1)为方便电路调节，滑动变阻器应选择电阻小的 R1；小灯泡正常工作时 I 额0.3 A300 mA100 mA，故电流表应选 A2。 (2)因为要求小灯泡上的电压从 0 开始增大，滑动变阻器应选用分压式接法；而小灯泡正 U 3.8 常工作时 R 灯 13 ，RV5 k，R 灯 ，故电流表应选择外接法，其实验 RA2RV I 0.3 电路如图所示。 U2 (3)在 IU 图象中，图线斜率逐渐减小，小灯泡的 R 逐渐增大；由 P 知在 PU2图象中， R 1 图线的斜率 应逐渐减小，故 B 正确；由 PI2R 知在 PI2图象中图线的斜率 R 应逐渐增大， R 故 D 正确。 2“在 研究标有 9 V 5 W ”的小灯泡的伏安特性 的实验中，要求测量从 0 V 到 9.0 V 的电压下通过小灯泡的电流，实验室提供了下列器材： 12 A电流表 (量程 100 mA，内阻 1 ) B电流表 (量程 0.6 A，内阻 0.3 ) C电压表 (量程 3.0 V，内阻 3 k) D电压表 (量程 15.0 V，内阻 10 k) E滑动变阻器 R1(最大阻值为 50 ) F滑动变阻器 R2(最大阻值为 500 ) G电源 E(电动势 15 V，内阻可忽略) H开关、导线若干 (1)为了提高测量准确度和有效性，应选择的器材为(只需填写器材前面的字母即可)：电 流表_，电压表_，滑动变阻器_。 (2)下列给出的测量电路图中，最合理的是_。 (3)某同学连接好的电路如图甲所示，其中两个不当之处是：_； _。 (4)某同学用正确的方法分别得到两个灯泡 L1和 L2的 UI 图象如图乙中 和 所示，然 后又将灯泡 L1、L2与某电池组连成如图丙所示电路。测得通过 L1和 L2的电流分别为 0.30 A 和 0.60 A，则电池组的电动势为_V，内阻为_。(数值取到小数点下一位) 13 答案 (1)B D E (2)B (3) 开关闭合 滑动变阻器的滑片位置在中间 (4)10.0 6.8 解析 (1)分析可得小灯泡的额定电流不到 0.6 A，为了提高测量准确度和有效性，应选择 量程为 0.6 A 的电流表 (代号 B)，选择量程为 15 V 的电压表 (代号 D)。研究小灯泡 的伏安特性，应该设计成分压电路，滑动变阻器选择最大阻值较小的 R1(代号 E)。 (2)由于小灯泡电阻较小，电流表应采用外接法，所以给出的测量电路图中，最合理的是 B。 (3)连接电路时开关应断开，滑动变阻器应调到使小灯泡两端电压最小处，所以该同学连 接好的电路中的不当之处是：开关闭合；滑动变阻器的滑片位置在中间。 (4)在灯泡 L1和 L2的 UI 图象上标出电流分别为 0.30 A 和 0.60 A 的两点，过这两点作直 线，如图所示，直线与纵轴的交点纵坐标值等于电源电动势，故 E10.0 V；直线斜率的大小 等于电源内阻，故 r6.8 。 3(2017·厦门模拟)在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，小灯泡的规格为“3.8 V 0.3 A”，除了开关、导线外，还有如下器材： 电压表 V：量程 05 V，内阻约 5 k 电流表 A1：量程 0500 mA，内阻约 0.5 电流表 A2：量程 0100 mA，内阻约 4 滑动变阻器 R1：最大阻值 10 ，额定电流 2.0 A 滑动变阻器 R2：最大阻值 100 ，额定电流 1.0 A 直流电源 E：电动势约 6 V，内阻约 0.5 14 (1)上述器材中，电流表应选_，滑动变阻器应选_。(填器材符号) (2)在电路中所有元器件都完好，且电压表和电流表已调零，闭合开关后，发现反复调节 滑动变阻器，小灯泡亮度发生变化，但电压表、电流表的示数不能调为零，则断路的导线为 _(用图中给出的导线符号表示)。 (3)通过实验得出了小灯泡的 IU 图线如图乙，可知在小灯泡上的电压为 2.0 V 时，小灯 泡的电阻是_。 (4)如果把该小灯泡直接接在电动势是 2 V、内阻是 8 的电源上组成闭合回路，则通过 小灯泡的电流为_A。 答案 (1)A1 R1 (2)c (3)8 (4)0.16(0.150.17 均正确) 解析 (1)小灯泡的额定电流为 0.3 A，所以电流表应选 A1，滑动变阻器采用分压式接法， 应选阻值较小的滑动变阻器，所以滑动变阻器应选 R1。 (2)电压表、电流表都有示数，说明 a、b、d、e、g、h、f 各条导线良好，示数不能调为 零，说明滑动变阻器为限流式接法，所以导线 c 断路。 (3)小灯泡上的电压为 2.0 V 时，对应的电流为 0.25 A，由欧姆定律可得小灯泡的电阻 R U 8 。 I (4)如果把该小灯泡直接接在电动势是 2 V，内阻是 8 的电源上组成闭合回路，可在图 乙上画出该电源的 IU 曲线，该曲线与小灯泡的伏安特性曲线的交点对应的纵坐标即为通过小 灯泡的电流，为 0.16 A。 4(2015·浙江高考)图 1 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 15 接图。 (1)根据图 1 在虚线框中画出实验电路图； (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 2 中的、所示， 电流表量程为 0.6 A，电压表量程为 3 V。所示读数为：_、_、 _、_。两组数据得到的电阻分别为_和_。 答案 (1)图见解析 (2)0.10 A 0.24 A 2.00 V 0.25 V 83 (8.28.4 均可) 16 25 (2.42.6 均可)(最后两空答案互换位置也正确) 解析 (1)根据实物图，滑动变阻器起分压作用，电压表测量小灯泡两端的电压，电流表 外接，故画出的电路图如图所示。 (2)电流表量程为 0.6 A，电压表量程为 3V，因此的读数为 0.10 A，的读数为 0.24 A， U1 2.00 的读数为 2.00 V，的读数为 0.25 V。两组数据得到的电阻 R1 8.3 ，R2 I1 0.24 U2 0.25 2.5 。 I2 0.10 5(2016·天津高考)“某同学想要描绘标有 3.8 V,0.3 A”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 03 V，内阻等于 3 k)； 电压表 V2(量程 015 V，内阻等于 15 k)； 电流表 A1(量程 0200 mA，内阻等于 10 )； 电流表 A2(量程 03 A，内阻等于 0.1 )； 滑动变阻器 R1(010 ，额定电流 2 A)； 滑动变阻器 R2(01 k，额定电流 0.5 A)； 定值电阻 R3(阻值等于 1 )； 定值电阻 R4(阻值等于 10 )； 定值电阻 R5(阻值等于 1 k)； 电源 E(E6 V，内阻不计)。 (1)请在虚线框内画出实验电路图，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_。 17 答案 (1)图见解析 (2)B 解析 (1)首先考虑测量电路：由于小灯泡的规格为“3.8 V，0.3 A”，可知电表 V2、A2量 程太大而不能选用；电表 V1、A1则需要改装才能获得小灯泡完整的伏安特性曲线。A1与 R4并 联可得量程为 00.4A 的电流表，V1与 R5串联可得量程为 04 V 的电压表，因小灯泡电阻值 较小，测量电路应采用电流表外接的方式。再考虑控制电路：首先由调节的方便性可知滑动变 阻器应选用阻值较小的 R1，再 “由 绘制曲线完整”可知测量电压与电流应从零开始变化，故连 接方法应选用分压式接法。实验电路图如图所示。 (2)在 IU 图象中，图线上某点与原点连线的斜率表示该状态下电阻的倒数。由于小灯泡 灯丝的阻值是随温度升高而增大的，故只有 B 正确。 6(2017·全国卷 )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 3.8 V，额定电流 0.32 A)；电压表 (量程 3V，内阻 3 k)；电流表 (量程 0.5 A， 内阻 0.5 )；固定电阻 R0(阻值 1000 )；滑动变阻器 R(阻值 09.0 )；电源 E(电动势 5 V，内阻不计)；开关 S；导线若干。 (1)实验要求能够实现在 03.8 V 的范围内对小灯泡的电压进行测量，请在虚线框内画出 实验电路原理图。 18 (2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图 a 所示。 图 a 图 b 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 4 V，内阻 1.00 )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)图见解析 (2)增大 增大 (3)0.39(0.370.41 均正确) 1.17(1.151.19 均正确) 19 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 L ，得灯丝的电阻率增大。 S (3)当 R0 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 R9 时，将 R 看作电源内阻，则等效电源内阻为 10 ，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： U13.66 V，I10.319 A， 小灯泡的最大功率 P1U1I11.17 W。 取图线乙与小灯泡伏安特性曲线交点： U21.77 V，I20.222 A， 小灯泡的最小功率 P2U2I20.39 W。 20