高考物理二轮实验专题复习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 [实验目的] 1.描绘小电珠的伏安特性曲线． 2.分析伏安特性曲线的变化规律． [实验原理] 1.测多组小电珠的U、I的值，并绘出I－U图象． 2.由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系． [实验器材] 学生电源(4～6 V直流)或电池组、小电珠(3.8 V 0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐标纸、导线若干． [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，按实验原理图连接好实验电路． 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. U/V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 I/A U/V 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 I/A 4.拆除电路，整理仪器． [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，就得到小电珠的伏安特性曲线． [误差分析] 1.由于电压表、电流表不是理想电表，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、作图带来操作误差． [注意事项] 1.电路的连接方式 (1)电流表应采用外接法：小电珠(3.8 V　0.3 A)的电阻很小，与0～0.6 A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：目的是使小电珠两端的电压能从零开始连续变化． 2.闭合开关S前，滑动变阻器的滑片应移到使小电珠分得电压为零的一端，使开关闭合时小电珠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电珠两端电压过大而烧坏灯丝． 3.I－U图线在U0＝1.0 V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0 V左右绘点要密，以防出现较大误差． 4.当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加，到额定值记录I后马上断开开关． 5.误差较大的点舍去，I－U图线应是平滑曲线而非折线． [实验改进] 1.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． 2.与原数据处理方式的比较 (1)原方案 ①优点：由学生读出电压表、电流表的数据，并动手绘出伏安特性曲线，可锻炼学生的读数、动手操作能力． ②缺点：学生读数、绘图带来较大误差． (2)改进方案 ①优点：电压、电流由传感器测出，由计算机进行数据分析，再进行绘图，快捷、准确且误差较小． ②缺点：一切在计算机上进行，学生的动手能力得不到锻炼． 热点一　实验原理与电路连接 [典例1]　小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大．某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据(I和U分别表示小灯泡上的电流和电压)．实验时用到的器材有：电压表、电流表、滑动变阻器(变化范围0～10 Ω)、电源、小灯泡、开关、导线若干． I/A 0.12 0.21 0.29 0.34 0.38 0.42 0.45 0.47 0.49 0.50 U/V 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 (1)在虚线框中画出实验电路图．要求尽量减少实验误差． (2)在方格图中画出小灯泡的U－I曲线． 解析：(1)要研究小灯泡的伏安特性曲线，需要电压从零开始，所以采用滑动变阻器的分压接法，因为小灯泡的电阻和电流表的内阻相接近，所以采用电流表的外接法，如图所示． (2)将测得的数据在图象上用描点法描出来，然后用平滑的曲线连接. 答案：(1)图见解析　(2)图见解析 1.某学习小组的同学探究小灯泡L的伏安特性曲线，可供选用的器材如下： 小灯泡L，规格“4.0 V　0.7 A”； 电流表A1，量程3 A，内阻约为0.1 Ω； 电流表A2，量程0.6 A，内阻r2＝0.2 Ω； 电压表V，量程3 V，内阻rV＝9 kΩ； 标准电阻R1，阻值1 Ω； 标准电阻R2，阻值3 kΩ； 滑动变阻器R，阻值范围0～10 Ω； 学生电源E，电动势6 V，内阻不计；开关S及导线若干． (1)甲同学设计了如图甲所示的电路来进行测量，当通过L的电流为0.46 A时，电压表的示数如图乙所示，请问读数为 V，此时L的电阻为 Ω. (2)乙同学又设计了如图丙所示的电路来进行测量，电压表指针指在最大刻度时，加在L上的电压值是 V． (3)学习小组认为要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线，需要重新设计电路．请你在乙同学的基础上利用所供器材，在图丁所示的虚线框内补画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号． 解析：(1)因为电压表的量程为3 V，所以分度值为0.1 V，故示数为2.30 V，根据欧姆定律R＝＝5 Ω. (2)串联一个定值电阻，相当于增加了电压表的量程，因为电压表内阻和R2之比为3∶1，故根据欧姆定律可得电压表两端的电压与电阻R2两端的电压之比为3∶1，因为电压表满偏，故电压表示数为3 V，所以定值电阻R2两端的电压为1 V，故L上的电压为4 V． (3)首先电流表A1的量程太大，误差太大，应使用电流表A2，而A2的量程小于小灯泡的额定电流，所以需要将电流表的量程增大，所以给电流表A2并联一个分流电阻，实验电路图如图所示. 答案：(1)2.30　5　(2)4　(3)图见解析 热点二　实验数据处理与分析 [典例2]　某学习小组探究一小灯泡在不同电压下的功率大小，实验器材如图甲所示，现已完成部分导线的连接． (1)实验要求滑动变阻器的滑片从左向右移动过程中，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中完成余下导线的连接； (2)实验测得的数据如下表记录： 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 电压U/V 0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 电流I/A 0 0.10 0.20 0.28 0.35 0.40 0.45 0.48 0.50 0.51 请将剩余两个点描在图乙的坐标图中，并画出小灯泡的伏安特性曲线； (3)根据所画伏安特性曲线判断； ①将该灯泡直接接在一电动势为3 V、内阻为1 Ω的电源两端，小灯泡的功率为 W；(结果保留两位小数) ②将 只相同的小灯泡并联后，与①中电源以及一定值电阻R0＝0.25 Ω串联成闭合回路，可使灯泡消耗的总功率最大，最大值约为 W．(结果保留两位小数) 解析：(1)探究小灯泡在不同电压下的功率大小，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，实物电路图如图所示： (2)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后作出图象如图所示： (3)①在灯泡U－I图象中作出电源的U－I图象如图所示：由图示图象可知，灯泡两端电压U＝2.5 V，通过灯泡的电流I＝0.5 A，灯泡功率P＝UI＝2.5×0.5 W＝1.25 W． ②电源与电阻R0整体可以看作等效电源，等效电源内阻为(1＋0.25) Ω＝1.25 Ω，当灯泡并联电阻为1.25 Ω时灯泡总功率最大，此时路端电压为1.5 V，由灯泡U－I图象可知，此时通过灯泡的电流为0.4 A，灯泡的电阻：RL＝＝ Ω＝3.75 Ω，则三只灯泡并联电阻为1.25 Ω，三只灯泡并联时灯泡总功率最大，Pmax＝3UI＝1.80 W. 答案：(1)图见解析　(2)图见解析　(3)①1.25(1.25～1.30)　②3　1.80 2.某物理学习小组的同学在研究性学习过程中，用伏安法研究某电子元件R1(6 V　2.5 W)的伏安特性曲线，要求多次测量并尽可能减小实验误差，备有下列器材 A.直流电源(6 V，内阻不计) B.电流表G(满偏电流3 mA，内阻10 Ω) C.电流表A(0～0.6 A，约3 Ω) D.滑动变阻器R(0～20 Ω，5 A) E.滑动变阻器R′(0～200 Ω，1 A) F.定值电阻R0(阻值为1990 Ω) G.开关与导线若干 (1)根据题目提供的实验器材，请你设计测量电子元件R1伏安特性曲线的电路原理图，R1可用“”表示．(请画在方框内) (2)在实验中，为了操作方便且能够准确地进行测量，滑动变阻器应选用 ．(填写器材前面的字母序号) (3)将上述电子元件R1和另一个电子元件R2接入如图甲所示电路中，他们的伏安特性曲线分别如图乙中Oa、Ob所示．电源的电动势E＝7.0 V，内阻忽略不计，调节滑动变阻器R3，使电子元件R1和R2消耗的电功率恰好相等，则此时电子元件R1的阻值为 Ω，R3接入电路的阻值为 Ω.(结果保留两位有效数字) 解析：(1)描绘伏安特性曲线，需要电压从零开始，所以采用滑动变阻器的分压接法，没有电压表，需要用已知内阻的电流表G与定值电阻R0串联测电压，灯泡电阻R＝ Ω＝14.4 Ω，电压表内阻为(10＋1990) Ω＝2000 Ω，电压表内阻远大于灯泡电阻，电流表应采用外接法，电路图如图所示． (2)选用阻值小的滑动变阻器便于操作，所以选D. (3)因为两个电子元件消耗的电功率相等，说明两者的电压和电流相等，所以根据图乙可知，此时电阻两端的电压为U＝2.5 V，I＝0.25 A，根据欧姆定律得R1＝ Ω＝10 Ω，根据串并联电路特点可知，此时流过R3的电流为I′＝I＝0.25 A，两端的电压为U′＝E－2U＝7 V－2.5×2 V＝2 V，故R3＝ Ω＝8.0 Ω. 答案：(1)图见解析　(2)D　(3)10　8.0 热点三　实验的拓展与创新 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． [典例3]　(2015·广东卷)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． (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(a)所示，读数为 Ω.据此应选择图中的 (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． (3)图(d)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(e)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，可得E＝ V，r＝ Ω.(结果均保留两位有效数字，电压表为理想电压表)． 解析：(1)因倍率为“×1”，故指针所指的数字即为读数，为10 Ω；由于待测电阻的阻值比电压表的内阻小得多，故采用电流表外接的方式测量电阻，即选择b. (2)滑动变阻器的滑片P向右滑动时，由于加在待测电阻两端的电压逐渐增大，故电流表的示数也逐渐增大． (3)由图(d)知，元件X的电流与电压成正比，故为线性元件；而元件Y的电流与电压不成正比，