学年高中物理鲁科版选修31教学案第3章 实验描绘小灯泡的伏安特性曲线 Word版含答案正式版.docx

学年高中物理鲁科版选修31教学案第3章 实验描绘小灯泡的伏安特性曲线 Word版含答案正式版.docx

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学年高中物理鲁科版选修31教学案第3章实验描绘小灯泡的伏安特性曲线Word版含答案正式版

实验：

描绘小灯泡的伏安特性曲线

一、实验目的

1．会正确选择实验器材和实验电路。

2．学会描绘小灯泡的伏安特性曲线并掌握分析图线的方法。

二、实验原理

图1

1．实验电路

小灯泡的电阻很小，电流表采用外接法；因电压要求从零开始连续变化，故滑动变阻器采用分压式接法。

2．曲线形状

以I为纵轴、U为横轴画出小灯泡的IU图线，由于金属的电阻率（电阻）随温度的升高而增大，其伏安特性曲线不是一条直线。

3．滑动变阻器的两种接法比较

接法

项目　　

限流式

分压式

电路组成

变阻器接入电路的特点

采用“一上一下”的接法

采用“两下一上”的接法

调压范围

E～E

（不计电源内阻）

0～E

（不计电源内阻）

适用情况

负载电阻的阻值Rx与滑动变阻器的总电阻R相差不多，或R稍大，且电压、电流变化不要求从零调起

（1）要求负载上电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调

（2）负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器的总电阻R

三、实验器材

小灯泡、4～6V学生电源、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线、坐标纸。

四、实验步骤

1．连电路：

按图1连接电路，且使滑动变阻器的触头P滑动至A端。

2．测数据：

闭合开关，逐渐使P向B端移动，记录不同状态时的电压表、电流表示数，取12组，而后拆除电路。

五、数据处理

1．列表格：

将记录的12组U、I值记录在表格中

实验次数

1

2

3

4

5

6

U

I

实验次数

7

8

9

10

11

12

U

I

2.描曲线：

在如图2所示坐标纸上以电流I为纵轴、电压U为横轴建立直角坐标系，描点绘出IU曲线。

图2

3．析规律：

分析曲线变化规律，分析曲线不为直线的原因。

六、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值比真实值偏大。

2．测量时读数不准，描绘IU图线时作图不准确造成的偶然误差。

七、注意事项

1．因本实验要作出IU图线，要求测出一组包括零在内的电压、电流值，因此，变阻器要采用分压接法。

2．本实验中，因被测小灯泡电阻较小，因此实验电路必须采用电流表的外接法。

3．开关闭合后，调节变阻器滑片的位置，使灯泡的电压逐渐增大，可在电压表读数每增加一个定值（如0.5V）时，读取一次电流值；调节滑片时应注意使电压表的示数不要超过小灯泡的额定电压。

4．开关闭合前，变阻器滑片移到使小灯泡分得电压为零处。

5．在坐标纸上建立坐标系，横纵坐标所取的分度比例应该适当，尽量使测量数据画出的图线占满坐标纸。

连线一定要用平滑的曲线，不能画成折线。

[例1]　有一个小灯泡上标有“4V　2W”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的IU图线。

现有下列器材供选用：

A．电压表（0～5V，内阻为10kΩ）

B．电压表（0～15V，内阻为20kΩ）

C．电流表（0～3A，内阻为1Ω）

D．电流表（0～0.6A，内阻为0.4Ω）

E．滑动变阻器（10Ω，2A）

F．滑动变阻器（500Ω，1A）

G．学生电源（直流6V）、开关、导线若干

（1）实验时，选用图3甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：

________________________________________。

图3

（2）实验中所用电压表应选用________，电流表应选用______，滑动变阻器应选用________。

（用序号字母表示）

（3）把图4中所示的实验器材用实线连接成实物电路图。

图4

[解析]

（1）因实验目的是要描绘小灯泡的伏安特性曲线，需要多次改变小灯泡两端的电压，故采用题图甲所示的分压式电路合适，这样电压可以从零开始调节，且能方便地测多组数据。

（2）因小灯泡额定电压为4V，则电压表选0～5V的电压表A，而舍弃0～15V的电压表B，因为15V的量程太大，读数误差大。

小灯泡的额定电流I＝0.5A，则电流表选D。

滑动变阻器F的最大阻值远大于小灯泡的电阻8Ω，调节不方便，故舍去。

（3）小灯泡电阻为电流表内阻的

＝20倍，电压表内阻是小灯泡的

＝1250倍，故电流表采用外接法。

[答案]

（1）描绘灯泡的IU图线所测数据需从零开始，并要多取几组数据　

（2）A　D　E　（3）如图所示

[例2]　某同学在研究标有“3V　0.3A”字样的小灯泡的伏安特性曲线的实验中得到一组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

（1）在方框内画出实验电路图。

（2）在图5中的方格纸内画出IU图线。

图5

（3）根据IU图线分析小灯泡的电阻随温度升高而________。

（4）小灯泡工作电压为3V时，测得实际电功率为________W。

[解析]

（1）描绘元件的伏安特性曲线，滑动变阻器应采用分压接法，由实验数据知小灯泡的电阻为10Ω左右，故电流表应外接。

实验电路如图所示。

（2）描点连线之后IU图线如图所示。

（3）由所绘图像知，曲线的斜率减小，故电阻增大，电阻率增大。

（4）U＝3.00V时I＝0.205A，故功率为0.615W。

[答案]

（1）

（2）见解析　（3）增大

（4）0.615

1.为探究小灯泡L的伏安特性，连好图6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UI图像是（　　）

图6

解析：

选C　灯丝电阻随电压的增大而增大，在图像上某点到原点连线的斜率应越来越大。

C正确。

2．在测量电珠伏安特性实验中，同学们连接的电路中有四个错误电路，如图7所示。

电源内阻不计，导线连接良好，若将滑动变阻器的触头置于左端，闭合S，在向右端滑动触头过程中，会分别出现如下四种现象：

图7

a．电珠L不亮；电流表示数几乎为零

b．电珠L亮度增加；电流表示数增大

c．电珠L开始不亮，后来忽然发光；电流表从示数不为零到线圈烧断

d．电珠L不亮；电流表从示数增大到线圈烧断

与上述abcd四种现象对应的电路序号为（　　）

A．③①②④　　　　　B．③④②①

C．③①④②D．②①④③

解析：

选A　电珠不亮、电流表示数几乎为零，说明电珠和电流表与电压表具有串联关系，a对应③图；电珠亮度增加，电流表示数增大，说明电珠与电流表具有串联关系，b对应①图；电流表线圈烧断，说明最后电流表短路，但是电珠L不亮，可知，d对应④图，故选项A正确。

3．有一灯泡上标有“6V　0.1A”字样，现要测量该灯泡的伏安特性曲线，有下列器材供选用：

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。

结合

（2）的分析可知变阻器用分压式，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；实验数据包括电压在零附近的数值，故变阻器只能接成分压式，电路如图所示。

答案：

（1）B　C　E　

（2）见解析图

4．以下是“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的操作步骤：

图8

A．闭合开关，记下电流表、电压表的一组示数（I，U），移动滑动变阻器的滑动触头位置，每移动一次记下一组（I，U）值，共测出12组左右的数据

B．将电流表、电压表、滑动变阻器、小灯泡、电源、开关正确连接成电路。

电流表外接，滑动变阻器采用分压式，如图8所示

C．调节触头位置，使闭合开关前触头处于滑动变阻器的左端

D．按所测数据，在坐标纸上描点并将各点用直线段连接起来，得出小灯泡的伏安特性曲线

（1）以上各步骤中存在错误或不妥之处的是________，应如何改正_______________。

（2）将各步骤纠正后，按实验先后顺序排列起来：

________。

解析：

（1）错误或不妥的步骤是A、C、D。

A步骤：

测量不同电压下的电流值I时，应先预设各组数据中的电压U或电流I值，而不是随意测，随意测时会使描点疏密不均匀，画图线时出现较大误差，甚至无法画出IU图线。

C步骤：

闭合开关前应使小灯泡两端电压为零，即滑动变阻器触头应置于滑动变阻器最右端。

D步骤：

应将各点用平滑的曲线连接起来。

（2）正确操作步骤顺序为B、C、A、D。

答案：

（1）见解析　

（2）B、C、A、D

5．有一个小灯泡上标有“4V　2W”的字样，现在要用伏安法测量这个小灯泡的伏安特性曲线。

现有下列器材供选用：

A．电压表V1（0～5V，内阻约10kΩ）

B．电压表V2（0～10V，内阻约20kΩ）

C．电流表A1（0～0.3A，内阻约1Ω）

D．电流表A2（0～0.6A，内阻约0.4Ω）

E．滑动变阻器R1（0～10Ω，2A）

F．滑动变阻器R2（0～100Ω，0.3A）

G．学生电源（直流6V）、开关及导线

（1）为了调节方便，测量尽可能准确，实验中应选用电压表________，电流表________，滑动变阻器________。

（填器材前的选项符号，如A、B）

（2）为使实验误差尽量减小，要求从零开始多取几组数据；请在方框中画出实验电路图。

图9

（3）P为图9中图线上的一点，PN为图线上P点的切线，PQ为U轴的垂线，PM为I轴的垂线，则由图可知：

随着所加电压的增加，小灯泡的电阻将________（填“增大”“减小”或“不变”）；对应P点，小灯泡的电阻值约为________Ω。

（保留三位有效数字）

解析：

（1）由灯泡“4V　2W”可知，I＝

＝0.5A，选用A、D项，要求电压从0开始增大，可知用分压接法，选用E项。

（2）由

＜

可知电流表外接，电路图如图所示：

（3）IU图像中图线的斜率为电阻的倒数，所以随着电压的增加，电阻增大，结合图像和R＝

，可得R＝

Ω≈5.33Ω。

答案：

（1）A　D　E　

（2）见解析　（3）增大　5.33

6．某同学用如图10甲所示电路，测绘标有“3.8V0.3A”的小灯泡的灯丝电阻R随电压U变化的图像。

（1）除了导线和开关外，有以下一些器材可供选择：

电流表：

A1（量程100mA，内阻2Ω）、A2（量程0.6A，内阻约0.3Ω）；

电压表：

V1（量程5V，内阻约5kΩ）、V2（量程15V，内阻约15kΩ）；

滑动变阻器：

R1（阻值范围0～100Ω）、R2（阻值范围0～2kΩ）；

电源：

E1（电压为1.5V）、E2（电压为4V）。

为了调节方便，测量准确，实验中应选用电流表________，电压表________，滑动变阻器________，电源________。

（填器材的符号）

图10

（2）根据实验数据，计算并描绘出RU的图像如图乙所示。

由图像可知，此灯泡在不工作时，灯丝电阻为________；当所加电压为3.00V时，灯丝电阻为________，灯泡实际消耗的电功率为________W。

（3）根据RU图像，可确定小灯泡耗电功率P与外加电压U的关系。

符合该关系的示意图是______。

解析：

（1）由于灯泡的额定电压为3.8V，额定电流为0.3A，电流表应选择A2；电压表应选择V1，电源应选择E2。

由于电路为分压电路，为便于调节，滑动变阻器应选用阻值较小的R1。

（2）由RU图像可以读出，当灯泡不工作时，其电阻为1.5Ω。

当电压为3.00V时，其电阻为11.5Ω，实际功率为P＝

＝0.78W。

（3）由P＝

可以排除C、D，由于灯泡不工作时电阻不为零，但电功率为零，所以选项A正确，B错误。

答案：

（1）A2　V1R1E2　

（2）1.5Ω　11.5Ω　0.78（0.7～0.8均正确）　（3）A

第3章　恒定电流

（时间：

50分钟　满分：

100分）

一、选择题（本题共8小题，每小题6分，共48分，第1～5题只有一项符合题目要求，第6～8题有多项符合题目要求，全都选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错的得0分）

1.三个电阻R1＝2Ω，R2＝3Ω，R3＝5Ω，将它们并联后加一恒定电压U，电路如图1所示。

流过每个电阻的电流分别是I1、I2、I3，每个电阻两端电压分别是U1、U2、U3，则下列说法正确的是（　　）

图1

A．I1∶I2∶I3＝5∶3∶2

B．U1∶U2∶U3＝2∶3∶5

C．若再并联一个100Ω的电阻，则并联的总阻值增大

D．若减小R1的阻值，则电路中并联的总阻值减小

解析：

选D　三个电阻并联，电压相等，选项B错误；根据I＝

得，I1∶I2∶I3＝

∶

∶

＝15∶10∶6，选项A错误；若再并联一个100Ω的电阻，则并联的总阻值将减小，选项C错误；根据

＝

＋

＋

可知，R1减小则并联的总阻值R也减小，选项D正确。

2.某同学用伏安法测小灯泡的电阻时，误将电流表和电压表接成如图2所示的电路，接通电源后，可能出现的情况是（　　）

图2

A．电流表烧坏　　　　　B．电压表烧坏

C．小灯泡烧坏D．小灯泡不亮

解析：

选D　电压表内阻很大，所在支路电流非常小，电压表和电流表均不会被烧坏，所以A、B错；电流表内阻远小于小灯泡的电阻，通过小灯泡的电流几乎为零，故小灯泡不亮，选项C错，D对。

3.（2015·安徽高考）一根长为L、横截面积为S的金属棒，其材料的电阻率为ρ，棒内单位体积自由电子数为n，电子的质量为m、电荷量为e。

在棒两端加上恒定的电压时，棒内产生电流，自由电子定向运动的平均速率为v，则金属棒内的电场强度大小为（　　）

图3

A.

B.

C．ρnevD.

解析：

选C　由电流定义可知：

I＝

＝

＝neSv，

由欧姆定律可得：

U＝IR＝neSv·ρ

＝ρneLv，

又E＝

，故E＝ρnev，选项C正确。

4.如图4所示，两个电阻串联后接在电路中a、b两点，已知a、b两点间电压不变。

某同学将一个实验室里的电压表并联在R1两端时，读数为9V；将该电压表并联在R2两端时，读数为7V，则a、b两点间电压（　　）

图4

A．大于16VB．等于16V

C．小于16VD．无法确定

解析：

选A　将电压表并联在R1两端时，并联电阻小于R1，R1两端的电压小于不接电压表时的电压，即R1两端的实际电压大于9V，同理，R2两端的实际电压大于7V，所以a、b两点间的电压大于16V，选项A正确。

5.如图5为通过某种半导体材料制成的电阻的电流随其两端电压变化的关系图线，在图线上取一点M，其坐标为（U0，I0），其中过M点的切线与横轴正向的夹角为β，MO与横轴的夹角为α。

则下列说法正确的是（　　）

图5

A．将该电阻接在电路中，其消耗的电功率随电压的增大而增大

B．该电阻阻值随其两端电压的升高而增大

C．当该电阻两端的电压U＝U0时其阻值为

Ω

D．当该电阻两端的电压U＝U0时其阻值为tanβΩ

解析：

选A　由题图知，U增大时，电功率P＝UI增大，所以A正确；由电阻R＝

知，IU曲线上U＝U0点对应的电阻阻值为

，与

Ω的大小关系不确定，所以C、D均错；由IU图线知，曲线切线的斜率随U的增大而不断增大，同时电阻阻值不断减小，B错误。

6．下列关于电功、电功率和焦耳定律的说法中正确的是（　　）

A．电功率越大，电流做功越快，电路中产生的焦耳热一定越多

B．W＝UIt适用于任何电路，而W＝I2Rt＝

t只适用于纯电阻的电路

C．在非纯电阻电路中，UI>I2R

D．焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路

解析：

选BCD　电功率公式P＝

，功率越大，表示电流做功越快。

对于一段电路，有P＝UI，I＝

，焦耳热Q＝

2Rt，可见Q与P、U、t都有关。

所以，P越大，Q不一定越大，A错误。

W＝UIt是电功的定义式，适用于任何电路，而I＝

只适用于纯电阻电路，B正确。

在不是纯电阻的电路中，电流做的功＝焦耳热＋其他形式的能，所以W＞Q，即UI＞I2R，C正确。

焦耳热Q＝I2Rt适用于任何电路，D正确。

7．将分压电阻串联在电流计上，改装成电压表，下列说法中正确的是（　　）

A．接上分压电阻后，增大了原电流计的满偏电压

B．接上分压电阻后，电压按一定比例分别加在电流计和分压电阻上，电流计的满偏电压不变

C．若分压电阻是电流计内阻的n倍，则电压表量程扩大为n倍

D．通电时，电流计和分压电阻通过的电流一定相等

解析：

选BD　接上分压电阻后，电压按一定比例分别加在电流计和分压电阻上，电流计的满偏电压不变，选项A错误，B正确；分压电阻是电流计内阻的n倍，则分压电阻分担的电压为nUg，则电压表的量程为（n＋1）Ug，选项C错误；通电时，电流计和分压电阻串联，故通过的电流一定相等，选项D正确。

8．把标有“220V　40W”和“220V　15W”的甲、乙两盏灯串联接在220V电压下，则下列分析正确的是（　　）

A．两盏灯的总功率等于55W

B．两盏灯的总功率小于15W

C．甲灯的实际功率大于乙灯的实际功率

D．乙灯的实际功率大于甲灯的实际功率

解析：

选BD　由公式R＝

知R甲

由于两灯都达不到额定电压，所以功率都达不到额定功率，故A错误。

由公式P＝

计算两灯串联的总功率可知，故B正确。

二、计算题（本题共2小题，共22分）

9．（8分）一个小灯泡的额定电压为6.3V，额定电流为0.25A，用以下所给的实验器材描绘出小灯泡的伏安特性曲线。

A．电源E1：

输出电压恒为8V；

B．电源E2：

输出电压恒为12V；

C．电压表V：

量程为0～10V，内阻约为10kΩ；

D．电流表A1：

量程为0～3A，内阻约为0.1Ω；

E．电流表A2：

量程为0～300mA，内阻约为1Ω；

F．滑动变阻器R：

最大阻值为10Ω，额定电流为1.0A；

开关S，导线若干。

（1）实验中电源应选用__________，电流表应选用__________。

（选填器材前面字母序号）

（2）在虚线框内画出实验电路原理图。

解析：

（1）要描绘出小灯泡的伏安特性曲线，小灯泡两端的电压至少要能从0调节到6.3V，所以滑动变阻器应采用分压式接法；若电源选用12V，由于

＝1.2A>1.0A；若电源选用8V，则有

＝0.8A<1.0A，所以电源只能选用A；选择电流表或电压表时在不超过量程的情况下应选择小量程以提高测量的精确度，由于小灯泡额定电流是0.25A，则电流表应选择量程为0～300mA的电流表A2，即电流表应选E。

（2）额定电压下小灯泡的电阻Rx＝

Ω≈25Ω，由于25Ω与电流表内阻（约1Ω）可比，且远小于电压表内阻（约10kΩ），所以电流表应采用外接法，实验电路原理图如图所示。

答案：

（1）A　E　

（2）见解析图

10．（14分）在“测定金属的电阻率”的实验中，待测金属导线的电阻Rx约为5Ω。

实验室备有下列实验器材：

A．电压表V1（量程3V，内阻约为15kΩ）

B．电压表V2（量程15V，内阻约为75kΩ）

C．电流表A1（量程3A，内阻约为0.2Ω）

D．电流表A2（量程600mA，内阻约为1Ω）

E．变阻器R1（0～10Ω，0.6A）

F．变阻器R2（0～200Ω，0.1A）

G．电池E（电压为3V，内阻约为0.3Ω）

H．开关S，导线若干

（1）为了使电阻的测量尽量精确，电压表应选________，电流表应选________，变阻器应选________。

（均选填器材代号）

（2）为减小实验误差，应选用图6中________（选填“甲”或“乙”）为该实验的电路图，并按所选择的电路图把实物图7用导线连接起来。

图6

图7

图8

（3）若用刻度尺测得金属丝长度为60.00cm，用螺旋测微器测得导线的直径为0.635mm，两电表的示数分别如图8所示，则电阻值为__________Ω，电阻率为__________Ω·m。

解析：

（1）电源电动势为3V，因此电压表选A，最大电流Imax＝

＝

A＝0.6A，所以电流表选D，变阻器F的额定电流太小，同时阻值太大，故变阻器选E。

（2）因电流表的内阻不能满足远小于Rx，故选图乙。

（3）Rx＝

＝

Ω＝2.40Ω，

由Rx＝ρ

得

ρ＝

＝

Ω·m

＝1.27×10－6Ω·m。

答案：

（1）A　D　E　

（2）乙　实物连接如图所示

（3）2.40　1.27×10－6

三、计算题（本题共2小题，共30分）

11.（14分）如图9所示，两电容器的电容分别为C1＝6μF，C2＝3μF，电阻R1＝6Ω，R2＝3Ω，电路两端电压U＝18V。

则

图9

（1）当开关S断开时，A、B两点间的电压UAB为多少？

（2）当开关S闭合时，电容器C1的带电量变化了多少？

解析：

（1）当S断开时，由于电容器相当于断路，则A点与D点的电势相等，B点与C点的电势相等，则有UAB＝U＝18V

此时两电容器极板间的电压均为U＝18V，C1所带电荷量为Q1＝C1U＝6×10－6×18C＝1.08×10－4C。

（2）当S闭合时，R1与R2串联，U1＝

U＝

×18V＝12V，则电容器C1两端的电压也为U1＝12V

此时电容器C1所带电荷量为Q1′＝C1U1＝6×10－6×12C＝7.2×10－5C

故C1的带电量变化了ΔQ1＝Q1－Q1′＝1.08×10－4C－7.2×10－5C＝3.6×10－5C。

答案：

（1）18V　

（2）3.6×10－5C

12．（16分）一台小型电动机在3V电压下工作，用此电动机提升重力为4N的物体时，通过它的电流是0.2A，在30s内将该物体匀速提升3m。

若不计除电动机线圈生热之外的能量损失，求：

（1）电动机的输入功率；

（2）在提升物体的30s内，电动机线圈产生的热量；

（3）线圈的电阻。

解析：

（1）电动机的输入功率P入＝IU＝0.2×3W＝0.6W。

（2）电动机提升物体的机械功率P机＝Fv＝G·

＝0.4W

由能量守恒定律得P入＝P机＋P热

得P热＝P入－P机＝（0.6－0.4）W＝0.2W

30s内线圈产生的热量Q＝P热t＝0.2×30J＝6J。