资源描述
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,
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