描绘小灯泡的伏安特性曲线学案与练习.docx
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描绘小灯泡的伏安特性曲线学案与练习
描绘小灯泡的伏安特性曲线学案
学习目标
1.描绘小灯泡的伏安特性曲线.
2.分析伏安特性曲线的变化规律.
实验原理
1.用________测出流过小灯泡的电流,用________测出小灯泡两端的电压,测出多组(U,I)值,在U-I坐标系中描出各对应点,用________的曲线将这些点连接起来.
图1
2.电路的选择:
本实验用伏安法测量在不同电压下灯丝的电流和电压,描绘出伏安特性曲线.由于使用的小灯泡是“3.8V,0.3A”的,正常发光时灯丝电阻约为13Ω,阻值较小,因此应该用电流表________电路;由于要测小灯泡在不同电压下的电流、电压,电压取值范围要尽量大,因此滑动变阻器应该用________接法电路.电路图如图1所示.
实验器材
学生电源(4~6V直流)、小灯泡“4V,0.7A”或“3.8V,0.3A”、电流表(内阻较小)、电压表(内阻很大)、开关和导线、____________、坐标纸、铅笔.
实验步骤
1.确定电流表、电压表的量程,照图1连好电路.(注意开关应______,滑动变阻器与灯泡并联部分电阻为____)
2.闭合开关S,调节滑动变阻器,使电流表、电压表有较小的明显示数,记录一组电压U和电流I的值.
3.用同样的方法测量并记录约12组U值和I值.
4.断开开关S,整理好器材.
5.在坐标纸上,以U为横坐标、I为纵坐标建立直角坐标系,并根据表中数据描点,连接各点得到I-U图线.(注意:
连接各点时,不要出现折线)
数据处理
根据测量的数据把电压表和电流表的各组数据填入下表中,然后作出I-U图线.
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
电压U/V
电流I/A
实验结论
描绘出的图线是一条______.它的斜率随电压的增大而______,这表明小灯泡的电阻随电压(温度)升高而______.灯丝的电阻率随温度的升高而增大.灯丝不发光时温度是室温,正常发光时温度很高,其电阻率的变化是很显著的,所以灯丝的阻值随小灯泡两端电压的升高而明显增大,其I-U图线不再是过原点的直线.
注意事项
1.本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小,因此测量电路必须采用电流表外接法.
2.滑动变阻器应采用分压式接法:
目的是为了使小灯泡两端的电压能从0开始连续变化.
3.I-U图线在U0=1.0V左右将发生明显弯曲,故在U=1.0V左右绘点要密,以防出现较大误差.
4.建立坐标系时,纵轴表示电流,横轴表示电压,两坐标轴选取的标度要合理,使得根据测量数据画出的图线尽量占满坐标纸.
误差分析
1.测量电路存在系统误差,未考虑电压表的分流,造成测得的I值比真实值大.
2.描绘I-U图线时作图不准确造成的偶然误差.
3.测量时读数不准确和在坐标纸上描点不准确引起的误差.
题型一 实验仪器及电路的选择
【例1】(2010·海淀模拟)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:
器材
规格
器材
规格
小灯泡
标有“3.8V,
0.3A”字样
滑动变阻器R1
最大阻值10Ω,额定电流1.0A
电压表V
量程0~5V,内阻约5kΩ
滑动变阻器R2
最大阻值1kΩ,额定电流0.5A
电流表A1
量程0~100mA,内阻约4Ω
直流电源E
电动势约为6V,内阻约为0.5Ω
电流表A2
量程0~500mA,内阻约0.4Ω
导线、电键等
(1)在上述器材中,滑动变阻器应选________,电流表应选________.
(2)在图2中用笔画线代替导线,把实验仪器连接成完整的实验电路.
图2
图3
(3)利用实验中得到的实验数据在I-U坐标系中,描绘出了如图3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)( )
[规范思维]
题型二 伏安特性曲线的描绘及实验结果的应用
【例2】影响物质材料电阻率的因素很多,一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大,而半导体材料的电阻率则与之相反,随温度的升高而减小.某课题研究组需要研究某种导电材料的导电规律,他们用该种导电材料制作成电阻较小的元件Z做实验,测量元件Z中的电流随两端电压从零逐渐增大过程中的变化规律.
(1)他们应选用下图中所示的哪个电路进行实验.( )
(2)①由
(1)实验测得元件Z的电压与电流的关系如下表所示.根据表中数据请在图4中作出元件Z的I-U图线.
U/V
0
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.50
1.60
I/A
0
0.20
0.45
0.80
1.25
1.80
2.80
3.20
图4
②根据Z的I-U图线可判断元件Z是金属材料还是半导体材料?
图5
③把元件Z和电阻R接入如图5所示的电路中,由实验测得电阻R的I-U图线如图4所示.已知电源的电动势E=1.5V,内阻不计.闭合电键S,电路稳定时,元件Z消耗的电功率为________W.
[规范思维]
[针对训练] (2011·广东·34
(2))在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中,所用器材有:
小电珠(2.5V,0.6W),滑动变阻器,多用电表,电流表,学生电源,开关,导线若干.
①粗测小电珠的电阻,应选择多用电表________倍率的电阻挡(请填写“×1”、“×10”或“×100”);调零后,将表笔分别与小电珠的两极连接,示数如图6,结果为________Ω.
图6
②实验中使用多用电表测量电压,请根据实验原理图7完成实物图8中的连线.
图7
图8
③开关闭合前,应将滑动变阻器的滑片P置于________端,为使小电珠亮度增加,P应由中点向______________端滑动.
④下表为电压等间隔变化测得的数据,为了获得更准确的实验图象,必须在相邻数据点________间多测几组数据(请填写“ab”、“bc”、“cd”、“de”或“ef”).
数据点
a
b
c
d
e
f
U/V
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
I/A
0.000
0.122
0.156
0.185
0.216
0.244
图9
1.(2009·天津理综·3)为探究小灯泡L的伏安特性,连好如图9所示的电路后闭合开关,通过移动变阻器的滑片,使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大,直到小灯泡正常发光,由电流表和电压表得到的多组读数描绘出的U-I图象应是( )
2.(2009·浙江高考·22Ⅰ)如图10所示,在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,同组同学已经完成部分导线的连接,请你在实物接线图中完成余下导线的连接.
图10
3.(2011·天津塘沽区模拟)表格中所列数据是测量小灯泡U-I关系的实验数据:
U(V)
0.0
0.2
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
I(A)
0.000
0.050
0.100
0.150
0.180
0.195
0.205
0.215
(1)分析表格内实验数据可知,应选用的实验电路图是图11中的________(选填“甲”或“乙”);
图11
(2)在如图12所示的方格纸内画出小灯泡的U-I曲线.分析曲线可知小灯泡的电阻值随I变大而________(选填“变大”、“变小”或“不变”);
图12
图13
(3)如图13所示,用一个定值电阻R和两个上述小灯泡组成串并联电路,连接到内阻不计、电动势为3V的电源上.已知流过电阻R的电流是流过灯泡L2电流的两倍,则流过灯泡L1的电流约为________A.
4.(2009·福建理综·19
(2))某研究性学习小组为了制作一种传感器,需要选用一电器元件.图14为该电器元件的伏安特性曲线,有同学对其提出质疑,现需进一步验证该伏安特性曲线,实验室备有下列器材:
器材(代号)
规格
电流表(A1)
量程0~50mA,内阻约为50Ω
电流表(A2)
量程0~200mA,内阻约为10Ω
电压表(V1)
量程0~3V,内阻约为10kΩ
电压表(V2)
量程0~15V,内阻约为25kΩ
滑动变阻器(R1)
阻值范围0~15Ω,允许最大电流1A
滑动变阻器(R2)
阻值范围0~1kΩ,允许最大电流100mA
直流电源(E)
输出电压6V,内阻不计
开关(S)、导线若干
图14
(1)为提高实验结果的准确程度,电流表应选用______;电压表应选用________;滑动变阻器应选用__________.(以上均填器材代号)
(2)为达到上述目的,请在虚线框图15中画出正确的实验电路原理图,并标明所用器材的代号.
图15
(3)若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合,请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点?
相同点:
________________________________________________________________________.
不同点:
________________________________________________________________________.
5.(2011·梅州模拟)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,用实验描绘小灯泡的伏安特性曲线.实验可供选择的器材有:
A.小灯泡(规格为“2.5V,1.2W”)
B.电流表A(量程为0~0.6A,内阻为1Ω)
C.电压表V(量程为0~3V,内阻未知)
D.滑动变阻器(0~10Ω,额定电流为1A)
E.滑动变阻器(0~5Ω,额定电流为0.5A)
F.电源(E=3V,内阻不计)
G.定值电阻R0(阻值R0=6Ω)
H.开关一个和导线若干
(1)要求小灯泡两端的电压从零开始变化,且能尽量消除系统误差,在方框内画出实验电路图.
(2)实验中,应该选用的滑动变阻器是______(填写器材前字母代号).
图16
(3)按照正确的电路图,该同学测得实验数据如下:
(I是电流表A的示数,U是电压表V的示数,U灯是小灯泡两端的实际电压).请通过计算补全表格中的空格,然后在图16中画出小灯泡的伏安特性曲线.
I/A
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.48
U/V
0.08
0.15
0.25
0.40
0.60
0.90
1.30
1.85
2.50
3.00
U灯/V
(4)该同学将与本实验中一样的两个小灯泡以及给定的定值电阻R0三者一起串联接在本实验中提供的电源两端,则每个灯泡的实际功率是________W.
6.(2011·济南市高三模拟)某学习小组通过实验来研究电器元件Z的伏安特性曲线.他们在实验中测得电器元件Z两端的电压与通过它的电流的数据如下表:
U/V
0.00
0.20
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
I/A
0.00
0.10
0.20
0.30
0.36
0.38
0.40
现备有下列器材:
A.低压直流电源:
电压6V,内阻不计
B.电流表:
量程为0~0.6A~3A,0.6A内阻约为10Ω,3A内阻约为2Ω
C.电压表:
量程为0~3V~15V,3V内阻约为7.2kΩ,15V内阻约为36kΩ
D.滑动变阻器:
阻值为0~10Ω,额定电流为3A
E.电键K,导线若干
(1)按提供的器材,在实物图17(a)上连接正确的实验电路,要求测量误差尽可能小.
图17
(2)利用这些数据绘出的电器元件Z的伏安特性曲线如图17(b)所示,分析曲线说明通过电器元件Z的电流随电压变化的特点.
(3)若把电器元件Z接入如图17(c)所示的电路中时,通过Z的电流为0.10A,已知A、B两端电压恒为1.5V,则此时灯泡L的功率为________W.
实验学案36 描绘小灯泡的伏安特性曲线
【基础自主落实】
实验原理
1.电流表 电压表 一条平滑
2.外接法 分压式
实验器材
滑动变阻器
实验步骤
1.断开 零
实验结论
曲线 减小 增大
【热点题型精析】
例1
(1)R1 A2
(2)见解析图 (3)BD
解析
(1)为方便电路调节,滑动变阻器应选择R1;小灯泡正常工作时I额=0.3A=300mA>100mA,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;而小灯泡正常工作时R灯=
=
Ω≈13Ω
RV=5kΩ,故电流表应选择外接法,其实验电路如图所示.
(3)在I-U图象中,图线斜率逐渐减小,小灯泡的R逐渐增大;由P=
知在P-U2图象中,图线的斜率
应逐渐减小,故B正确;由P=I2R在P-I2图象中图线的斜率R应逐渐增大,故D正确.
[规范思维]
(1)电路选择要根据具体的情况来进行确定.
(2)实验原理是确定电路的首要条件.(3)各个用电器的作用要明确,选择电路要根据需要来进行选择.
例2
(1)A
(2)①见解析图 ②半导体材料
③0.64(0.60~0.68)
解析
(1)由测量的数据及题目要求可知,滑动变阻器应采取分压式接法.因为元件Z的电阻较小,所以电流表应外接,因此实验电路应选A图.
(2)①描点画出元件Z的I-U图线如下图曲线所示.②由I-U图线可知,Z是半导体材料.③当电流强度为0.80A时,元件Z两端的电压为0.80V,定值电阻R上的电压为0.70V,此时元件Z上消耗的电功率为0.64W.
[规范思维]
(1)在描绘伏安特性曲线时应连成平滑的曲线,而不能是折线.如果这些点大致在一条直线上,则应描成一条直线,让不在直线上的点均匀分布在直线两侧.
(2)从I-U图线判断元件的电阻变化,进而判断材料性质.
[针对训练]
①×1 7.5 ②如解析图所示
③a b ④ab
解析 ①小电珠(2.5V,0.6W)对应电阻为R=
Ω=10.4Ω,所以选“×1”挡.
②电流表的电阻也就几欧,与电压表几千欧相比,小电珠的电阻算小电阻,所以电流表必须外接,伏安特性曲线要求电压从0开始逐渐变大,所以滑动变阻器必须采用分压接法.
③从a端开始,电压为零,向b端移动,对小电珠所加电压逐渐变大.
④ab之间电流增加了0.122A,其他各段电流增加了0.03A左右.所以需要在ab之间将电流分为0.030A、0.060A、0.090A,分别测出相应的电压值.
【课时效果检测】
1.C [小灯泡中的电流逐渐增大时灯丝的温度升高,其电阻率增大,导致电阻R增大.只有C选项对.]
2.见解析
解析 滑动变阻器应采用分压式接法,如图所示
3.
(1)甲
(2)U-I曲线见解析 变大 (3)0.21
解析
(1)从表中数据可看出,小灯泡两端电压可以从零开始调节,这说明滑动变阻器应选用分压式接法,故应选用甲图.
(2)在方格纸上根据U-I数据描点、连线,其U-I图象如下图所示.随U和I的增大,图线上各点与坐标原点连线的斜率越来越大,故其电阻变大.
(3)因流过电阻R的电流是流过灯泡L2电流的两倍,则流过灯泡L1的电流是流过灯泡L2电流的3倍,而灯泡L1、L2两端的电压之和为3V,在
(2)描出的U-I图象中,找出一个电流I对应的电压U1,再找出3I对应的电压U2,直到U1+U2=3V为止.
最后得出结果,流过灯泡L1的电流约为0.21A.
4.
(1)A2 V1 R1
(2)电路图如下图所示
(3)伏安特性曲线都是非线性的. 小电珠的伏安特性曲线表明随电流和电压的增大电阻值增大,而该元件的伏安特性曲线表明随电流和电压的增大电阻值减小
解析
(1)从图中所给的伏安特性曲线看出,最大电流不超过0.14A,大于电流表A1的量程,小于电流表A2的量程,所以电流表选择A2.图中的最大电压不超过V1的量程,且V1的测量更精确,R1的最大阻值与所给的伏安特性曲线反映的元件的电阻值相当,且I1=
=
A=0.4A<1A,而R2的阻值太大,所以选择R1.
(2)待测元件的电阻满足RA 5. (1)见解析 (2)D (3)见解析图 (4)0.18 解析 (1)要使小灯泡两端电压从零开始变化,滑动变阻器应采用分压式接法,为测量更准确,应采用电流表内接法,实验电路图如下图所示. (2)由于采用分压式接法,若选E,则滑动变阻器的电流I= = A=0.6A>0.5A,故滑动变阻器应选用D. (3)由第 (1)问中所画电路图分析可得: U灯=U-IRA,则可根据表中数据求出U灯,并画出U灯-I图线如下图所示. I/A 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.48 U/V 0.08 0.15 0.25 0.40 0.60 0.90 1.30 1.85 2.50 3.00 U灯/V 0.03 0.05 0.10 0.20 0.35 0.60 0.95 1.45 2.05 2.52 (4)在同一坐标系中作出2U灯+IR0=E的图线,根据此图线与灯泡的U灯-I图线的交点可得此时灯泡的电压U灯=0.6V,电流I=0.3A.所以,灯泡的实际功率为P=U灯I=0.6V×0.3A=0.18W. 6. (1)如下图所示 (2)电流随电压的增大非线性增大 (3)0.13
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