02第三章学生实验3文档格式.docx
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A.电压表(0~5V,内阻2.0kΩ)
B.电压表(0~10V,内阻3.0kΩ)
C.电流表(0~0.3A,内阻2.0Ω)
D.电流表(0~6A,内阻1.5Ω)
E.滑动变阻器(30Ω,2A)
F.滑动变阻器(100Ω,0.5A)
G.学生电源(直流9V)及开关、导线等
(1)实验中所用的电压表应选,电流表应选,滑动变阻器应选.
(2)画出实验电路图,要求电压从0V开始测量.
解析
(1)电压表的量程应大于小灯泡的额定电压6V,故电压表选B.小灯泡的额定电流0.1A,故电流表选C.由题目要求可知变阻器用分压式(要求电压从0V开始测量),故选电阻较小的E.
(2)小灯泡的电阻R=
=60Ω,故电流表应用外接法,变阻器接成分压式,电路如图2所示。
例2某同学在做测定小灯泡的功率实验中得到如下一组U和I的数据:
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
U/V
0.20
0.60
1.00
1.40
1.80
2.20
2.60
3.00
I/A
0.020
0.060
0.100
0.140
0.170
0.190
0.200
0.205
灯泡发光情况
不亮
微亮
逐渐变亮
正常发光
(1)在图3中画出I—U图线.
(2)在图线上可以看出,当功率增大时灯丝电阻的变化情况是。
(3)这表明导体的电阻随温度升高而。
解析
(1)根据I、U数据,在坐标纸上找出对应的点,用平滑曲线连接;
即得到I—U图线,如图4所示.
(2)在I—U图线中,任一点与原点连线的斜率倒数即为这一状态的电阻值,即R=
,从图线上看出开始灯丝的电阻不变(直线);
后来图线变成曲线且斜率越来越小,即电阻越来越大.故后来灯丝的电阻随功率增加而变大.
(3)当I、U变化时灯丝的功率增大,温度也升高,电阻增大,所以本实验可以说明:
灯丝的电阻随温度的升高而增大.
例3使用如图5所示的器材测定小灯泡在不同电压下的电功率,并且作出小灯泡的电功率与它两端电压的平方的关系曲线.已知小灯泡上标有“6V,3W”字样,电源是3个铅蓄电池串联组成的电池组,测动变阻器的规格是“5Ω,2A”.要求:
(1)把图中实物连成实验电路;
(2)图6的4个图象中哪个可能是正确的?
简单说明理由.
答:
。
解析
变阻器通常用来控制电路中的电流或电压,可以有限流与分压两种接法,根据题意,由欧姆定律易得灯泡电阻约为12Ω。
若采用限流,即使变阻器阻值用到最大,灯泡电压最小值可达4V左右,其电压调节范围约在4~6V,显然不宜选取合理数据范围作电功率与两端电压平方关系图线.而采用分压接法则灯泡两端电压变化范围为0~6V,便于选取数据作相应图线,至于电压表与电流表采用内接、外接,题目未给表的内阻,但实验学生用表的电阻为10Ω左右时,内、外接表误差差别不大,本题不作要求,连线时应注意量程选择与表“+”“-”接线柱接法,接线如图7.
图6中所绘图线,由横、纵坐标可知为P—U2图线,小灯泡在点亮时灯丝温度可高达上千摄氏度.随电压升高,灯丝温度升高,相应电阻率增大,电阻增大,与相应电阻不变时的功率相比要减少,或者说由P=
=
·
U2知,该图线斜率为
,随U增大,R增大,斜率
减小,因此D图可能正确,而B图是R不变时的图线.
【实验拓展】
1.热敏电阻及其用途
例4图8为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I—U关系曲线图.
(1)为了通过测量得到图8所示I—U关系的完整曲线,在图9(a)和(b)两个电路中应选择的是图;
简要说明理由:
(电源电动势为9V,内阻不计,滑线变阻器的阻值为0~100Ω.
(2)图9(c)电路中,电源电压恒为9V,电流表读数为70mA,定值电阻R1=250Ω.由热敏电阻的I—U关系曲线可知,热敏电阻两端的电压为V;
电阻R2的阻值为Ω.
(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子:
解析
(1)为了获得更多的实验数据,应采用图9(a)的分压式电路.电压可从0V调到所需电压,调节范围较大.
(2)流过R1的电流I1=
mA=36mA,流过R2及热敏电阻的电流I2=I-I1=34mA,从I—U曲线图上可读出对应此时的热敏电阻的电压Ux=5.2V,则R2=
≈111.8Ω.
(3)热敏电阻有很多用途,如热敏温度计、温控开关等.
2.压敏电阻的应用
例5有一种电阻叫做“压敏电阻”,它是以氧化锌为主要材料,掺人少量的氧化铋、氧化锑、氧化钴等经烧结制成,其伏安特性图线如图10所示,它经常被用作家用电器的保护电路,图11是某影碟机(VCD)的电源电路的一部分,CT表示电源插头,S是电源开关,BX是保险丝,R是压敏电阻,试通过伏安特性图线说明压敏电阻对变压器的保护作用.
从图10所示图线上看,无论加正向电压还是反向电压,当电压低于250V时,电阻上流过的电流几乎是零,即电阻可看作无限大,压敏电阻R对电路无任何影响.等电源电压突然升高,高于250V时(250V以上的电压会威胁变压器的安全).流过该电阻的电流会迅速增大,电阻几乎是零,使得a、b两点短路,这时保险丝立即熔断,电源被切断,保护了变压器的安全.正是压敏电阻这一独特的性质,使它在用电器的保护电路里获得了广泛的应用.
3.发光二极管特性曲线的研究与应用
例6发光晶体二极管是电器上作指示灯用的一种电子元件.它的电路符号如图12所示,正常使用时,带“+”号的一端接高电势,带“-”的一端接低电势.某同学用实验的方法测得它两端的电压U和通过它的电流I的关系数据如表中所示.
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
I/mA
0.9
1.5
2.3
3.2
4.3
5.4
6.8
9.3
12
15
19
24
30
37
(1)在图13中的虚线框内画出该同学的实验电路图.(实验用电压表内阻RV约为10kΩ,电流表内阻RmA约为100Ω)
(2)在图14中的小方格纸上用描点法画出U—I图线.
(3)若发光二极管的最佳工作电压为2.0V,而电源是由内阻不计、电动势为1.5V的两节干电池串联而成.根据画出的伏安特性曲线上的信息分析,应该串联一个阻值多大的电阻后与电源接成闭合电路,才能使二极管工作在最佳状态?
(1)我们知道同时测定二极管上的电流和电压时,有电流表的内接法和外接法两种接法.而用滑动变阻器改变电压又有分压式和限流式两种接法.画电路前,首先必须对这两个问题作出选择.内、外接法要根据二极管的电阻大小确定,但题目没有直接提供电阻的大致数值.分压还是限流要根据电压调节的需要确定.这两个问题为表格信息的分析提供了方向.由欧姆定律分析表格中的每一组数据,可以看出发光二极管的电阻是变化的,变化的范围大约在100~500Ω之间,与
=1000Ω比较,属于小电阻,应采用电流表外接法;
又从表格中得到信息,实验时,电压必须从0开始增大,因此滑动变阻器必须接成分压器的形式.所以实验电路如图15所示.
(2)将表格提供的数据在方格纸上描点,可画出U—I图线如图16中的曲线所示.
(3)根据串联电路的特点,由UD=E-IR还可以画出一条发光二极管的伏安特性曲线,该图线是一条直线.其物理意义是:
它的斜率的绝对值就是需串联电阻的数值,找出两点即能画出该线.因为两条曲线都是二极管必须遵守的,所以实际的工作点必定是它们的交点,按题意应是UD=2V的点,这可以从已画出的特性曲线上找到,即图16中的P点.另一点是当I=0时,UD=E=3V的点.由这两点连成的直线即图16中的MN.由其斜率得应串的电阻为R=83.3Ω.
【考点训练】
1.如图17所示为白炽灯L1(规格为“220V,100W”),L2(规格为“220V,60W”)的伏安特性曲线,则根据该曲线可确定将L1、L2两灯串联在220V的电源上时,两灯的实际功率之比大约为()
A.1:
2B.3:
C.5:
3D.1:
2.用P=
求出“220V40W”电灯泡的电阻为1210Ω,而用欧姆表测得其电阻只有90Ω.下列说法正确的是()
A.同一个电阻的阻值相差如此悬殊是不正常的,一定是测错了
B.两个阻值相差悬殊是正常的,因为欧姆表测电阻误差大
C.两个阻值相差悬殊是不正常的,可能是出厂时把灯泡的功率标错了
D.两个阻值相差悬殊是正常的,1210Ω是灯泡工作时的电阻,90Ω是常温下的电阻
3.一个标有“220V,60W”的白炽灯泡,加上的电压U由零逐渐增大到220V,在此过程中,电压U和电流I的关系可用图象表示.题中给出的四个图线如图18所示.其中肯定不符合实际的是()
4.某同学研究三种导电元件的伏安特性,他根据实验中所测得的数据,分别绘制了I—U图线,如图19所示,下列说法正确的是()
A.图19(a)的元件可以作为标准电阻使用
B.图19(b)的阻值随电压升高而增大
C.图19(c)的阻值随电压升高而增大
D.只有图19(b)才是可能的
5.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,使用的小灯泡为“6V3W”,其他供选择的器材有:
电压表V1(量程6V,内阻20kΩ)
电流表A1(量程3A,内阻0.2Ω)
电流表A2(量程0.6A,内阻1Ω)
变阻器R1(0~1000Ω,0.5A)
变阻器R2(0~20Ω,2A)
学生电源E(6~8V)
开关S及导线若干
实验中,要求在电压表0~6V范围内读取并记录下12组左右不同的电压值U和对应的电流值I,以便作出伏安特性曲线,则上述器材中,电流表应选择,变阻器应选择。
6.一个标有“220V40W”字样的白炽灯泡,在常温下测得其电阻值R1=80Ω,当它正常工作时其电阻应为R2=。
两者之间差别如此大,原因在于。
7.如图20电路中R1=R2=100Ω,是阻值不随温度而变的定值电阻.白炽灯泡L的伏安特性曲线如图21所示I—U图线.电源电动势E=100V,内阻不计.求:
(1)当电键S断开时,灯泡两端的电压和通过灯泡的电流以及灯泡的实际电功率.
(2)当电键S闭合时,灯泡两端的电压和通过灯泡的电流以及灯泡的实际电功率.
8.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):
0.12
0.21
0.29
0.34
0.42
0.45
0.47
0.49
0.50
0.40
0.80
1.20
1.60
2.00
(1)在图22中画出实验电路图.可用的器材有:
电压表、电流表、滑线变阻器(变化范围0~10Ω)、电源、小灯泡、电键、导线若干.
(2)在图23中画出小灯泡的U—I曲线.
(3)如果图22实验中用电动势是1.5V,内阻是2.0Ω的电池.问:
将本题中的小灯泡接在该电池两端,小灯泡的实际功率是多少?
9.在研究灯丝电阻与电压关系实验中,用电压表、电流表、滑动变阻器、直流电源和一只灯泡组成一电路,得到几组实验数据,绘出灯泡的I—U图象如图24中实线所示.
(1)灯泡两端电压由3V变为6V时,其电阻改变了Ω.
(2)为完成该实验,请用笔画线代替导线,将图25中实物连接起来.要求滑动变阻器的滑动触头从左向右滑动时,灯泡两端的电压从0开始逐渐增大.
10.为了测定和描绘"
220V,40W”白炽电灯灯丝的伏安特性曲线,可以利用调压变压器供电.调压变压器是一种自耦变压器,它只有一组线圈L,绕在闭合的环形铁心上,输入端接在220V交流电源的火线与零线间,输出端有一个滑动触头P,移动它的位置,就可以使输出电压在0~250V之间连续变化,图26画出的是调压变压器的电路图符号.实验室内备有交流电压表、交流电流表、滑动变阻器、开关、导线等实验器材.
(1)在图26中完成实验电路图.
(2)说明按你的实验电路图进行测量,如果电表内阻的影响不能忽略,在电压较高段与电压较低段相比较,哪段的误差更大?
为什么?
(3)如果根据测量结果作出的伏安特性曲线如图27所示,试根据图线确定,把两个完全相同的“220V,40W”白炽电灯串联在220V交流电源的火线与零线间,这两只电灯消耗的总电功率是多大?
【答案与提示】
1.将B图象的横纵坐标互换,反转描出,如图28中的虚线所示.则其与A图象的交点横坐标即为A图象对应的L1两端的电压,L2两端的电压即用220V减去L1两端的电压,U1:
U2=55:
(220-55)=1:
3.所以两灯的实际功率之比为P1:
P2=(IU1):
(IU2)=1:
3.
2.D
3.ACD
4.AB
5.A2R2
6.1210灯泡正常工作时,温度可达摄氏1000多度,而金属丝的电阻率随温度的升高而增大。
7.
(1)40V0.6A24W
(2)26V0.46A12W
8.
(1)如图29
(2)见图30(3)作出U=E-Ir图线,可得小灯泡的工作电流为0.35A,工作电压为0.80V,故小灯泡的实际功率为0.28W
9.
(1)10
(2)滑动变阻器接成分压式,并利用其左半部分与灯泡并联,电流表内接、外接均正确.连接图见图31
10.
(1)如图32所示.开关应安在火线一边,否则将扣分.火线与公共端相连的可不扣分.电流表外接与内接都可以.(本题电源输出电压可调,因此用不着滑动变阻器)
(2)如果采用电流表外接的,电压较高段误差更大,因为电压越高,灯丝电阻越大,由于电压表分流而造成的误差越大;
如果采用电流表内接的,电压较低段误差更大,因为电压越小,灯丝电阻越小,由于电流表分压造成的误差越大.
(3)两个相同电灯串联在电路中,每个灯两端的电压都是110V,在图象上找到电压为110V时的电流值是0.22A,每一个灯消耗的功率约为24W,两灯消耗的总功率为48W.因此答案为48W±
1W.
实验十二:
测定金属的电阻率
(1)掌握电流表、电压表的使用原则和读数方法,掌握滑动变阻器在电路中的两种常用的连接方式。
(2)学会使用螺旋测微器,并会读螺旋测微器的读数.
(3)理解伏安法测电阻的原理及如何减小误差.
(4)间接测定金属的电阻率.
由电阻定律R=
可知,金属的电阻率为ρ=
,因此,测出金属导线的长度l、横截面积S和导线的电阻R,便可求出制成导线的金属的电阻率ρ.
毫米刻度尺,螺旋测微器,待测金属丝,电压表,电流表,滑动变阻器,干电池(2节),开关,导线若干..
(1)用螺旋测微器在金属丝上的三个不同位置上各测直径一次,求出直径d的平均值.
(2)用米尺测量连入电路的金属丝的长度l(以保证其测量长度为有效长度),共测三次,再求出平均值.
(3)依照图1所示的实验线路图,用导线把器材连好(图中的Rx表示待测金属丝),并把滑动变阻器的滑键置于正确的位置.
(4)电路经检查无误后合上开关S,调节变阻器,记录几组合适的U、I值.
(5)断开开关,拆除导线,整理好器材.
(1)将各测量值记入相应有表格:
①电阻丝的长度
次数
平均值
长度l/(m)
②电阻丝的直径与横截面积
直径d/(mm)
面积S(mm)2
③电阻的测量(R=
)
电压U
电流I
电阻R
(2)计算电阻率公式(用所测量的物理量表示):
ρ=
。
(3)计算金属导体的电阻R,可以直接利用公式R=
,算出对应的各组U、I的值所求出的R,最后求R的平均值.也可以用第二种方法,图像法求电阻的平均值,建立U一I坐标,把所测量的数据描点,画出U一I曲线,U一I曲线的斜率,就是金属丝的电阻平均值,在画U一I曲线时应注意U一I曲线应该是一条过原点的直线,所以要让所描的点尽量落在所画的直线上,或均匀分布于线的两侧,对于个别明显偏离直线的点,可以省略掉不予以考虑.
把实验中所测得的l、d及所得到的电阻的平均值代入公式ρ=
即可求得金属丝的电阻率.
(1)本实验中,电流表应外接法.
(2)闭合开关前一定把滑动变阻器的滑键置于正确的位置.若采用限流式,应把滑片置于阻值最大的位置;
若采用分压式,应把滑片置于分出电压为零的那一端.
(3)测R时,应尽量多测几组U、I数据,并使数据变化范围适当大一些.
(4)求R的平均值有两种方法:
第一种是用R=
R算出各次测量值再取平均;
第二种是根据测量数据作出U一I图象,然后根据图象的斜率求出电阻.用此法描点时,要合适地选取坐标轴的单位,尽量使各点的距离拉大些.连线时要让尽可能多的点落在直线上,不落在直线上的点均匀分布在直线两侧.个别偏离直线较远的点应舍弃,以减小实验误差.
(5)测金属丝长度时,应先将金属丝连人电路后再测量.
(6)利用螺旋测微器测直径时,要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻线是否露出;
可动刻度的读数不要忘记估读一位数字.同时,测金属丝直径时,要选三个不同位置,不同方位测三次取其平均值.
(7)通电时间不宜太长,电流不宜过大.
(1)测金属丝直径时会出现误差,通过变换不同的位置和角度测量,然后再求平均值方法,达到减小误差的目的;
(2)测金属丝长度时出现的误差,一定要注意到测量的是连入电路中的电阻丝的长度;
(3)电压表、电流表读数时会出现偶然误差;
(4)不论是内接法还是外接法,电压表、电流表内阻对测量结果都会产生影响;
本实验中,由于金属丝的电阻不太大,应采用电流表外接法测电阻;
(5)电流过大,通电时间过长,会使电阻丝发热导致电阻发生变化,产生误差;
实验中应将电流控制在0.2~0.6A之间.
例1测定金属电阻率实验中,以下操作中错误的是()
A.用米尺量出金属丝的全长三次,算出其平均值
B.用螺旋测微器在金属丝三个不同部位各测量一次直径,算出平均值
C.用伏安法测电阻时,采用电流表内接电路,多次测量求平均值
D.实验中应保持金属丝的温度不变
解析A选项中应为量出金属丝接入电路中的长度三次,而不应测量全长,故应选A.B选项是对的,测金属丝的直径时,一定要在三个不同位置进行测量然后求其平均值,故不选.C选项中,因为通常情况下,金属导体的电阻很小与电压表内阻相差很大,满足RV>
>
R的条件,应使用安培表的外接法,以减小误差,故选C。
D选项中要求实验中保持温度不变,则金属导体的电阻率是确定的,如果不断改变温度则电阻率也在不断变化,则测出的ρ就没有大的实际意义了,故不选D.
例2
有一个电阻Rx,其阻值大约是10Ω,请选择适当的器材,以便测量其阻值.可供选择的电路如图2所示.
可供选择的器材是:
电动势4.5V、内阻不计的电源E
量程为5V、内阻10kΩ的电压表V1
量程为3V、内阻6kΩ,的电压表V2
量程为300mA、内阻4Ω的电流表A1
量程为500mA、内阻2Ω的电流表A2
最大阻值20Ω、额定电流1.5A的滑动变阻器Rl
最大阻值500Ω、额定电流0.5A的滑动变阻器R2
开关和若干根导线.
请问应选择哪些器材,以便测量待测电阻的值?
解析
(1)电压表、电流表的选择
因为电源的电动势是4.5V,根据安全性原则,我们不选量程仅3V的电压表V2,而要选择量程5V的电压表V1。
同时,因待测电阻两端的电压最大值是4.5V,所以用电压表V1测量时,可有很多数据超过电压表的半量程.这样结果较为精确,也符合精确性原则.因为测量时,最大电流Im=
A=0.45A,所以选符合安全性原则和精确性原则的电流表A2.
(2)滑动变阻器的选择
因为测量时,最大电流为Im=0.45A,没有超过两个滑动变阻器的额定电流,根据安全性原则,两个滑动变阻器都可以选用.
如果选用变阻器及R1,其值大约是待测电阻值的两倍,可以使待测电阻上的电压从1.5V变化到4.5V,范围足够大.如果选用变阻器R2,可以使待测电阻上的电压变化范围更大.它们都符合精确性原则.
但是变阻器R2的阻值是待测电阻的50倍,在实际操作过程中,用它调节电流跳跃性大,远不如变阻器R1好操作.按照简便性原则,我们选用变阻器R1。
(3)电路的选择(电流表内外接法的选择)
当用电流表外接法如图2(a)时,电流表测量结果将比待测电阻中的电流
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- 02 第三 学生 实验
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