第二章 实验一.docx
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第二章实验一
实验 描绘小灯泡的伏安特性曲线
一、实验原理
1.实验方法原理
由于灯丝的电阻率随温度的升高而增大,因此灯丝的电阻随温度的升高而增大。
由R=
得,在I-U坐标系中,图线上点与原点连线的斜率等于电阻的倒数,故画出的小灯泡的I-U图线为曲线。
2.实验电路选择原理
(1)电流表的内接法和外接法的比较
内接法
外接法
电流表的分压
电压表的分流
R测=
=Rx+RA
测量值大于真实值
R测=
=
测量值小于真实值
测大电阻或
>
测小电阻或
>
两种电路的选择
①阻值比较法:
当
>
时,选用电流表外接法;当
>
时,选用电流表内接法。
②临界值计算法:
当Rx<
时,用电流表外接法;当Rx>
时,用电流表内接法。
(2)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
二、实验器材
学生电源(4~6V直流)或电池组、小灯泡(“4V 0.7A”或“3.8V 0.3A”)、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干、铅笔、坐标纸。
三、实验过程
1.实验步骤
(1)根据小灯泡上所标的额定值,确定电流表、电压表的量程,在方框中画出实验的电路图,并按图1所示的电路图连接好实物图。
图1
(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。
(3)用同样的方法测量并记录几组U和I,填入下表。
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
电压U/V
电流I/A
(4)断开开关,整理好器材。
2.数据处理
(1)在坐标纸上以U为横轴、I为纵轴建立直角坐标系。
(2)在坐标纸中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,就得到小灯泡的伏安特性曲线。
3.实验结果与数据分析
(1)结果:
描绘出的小灯泡的伏安特性曲线不是直线,而是曲线。
(2)分析:
曲线上的点与坐标原点连线的斜率变小,即电阻变大,说明小灯泡的电阻随温度升高而增大。
四、误差分析
(1)系统误差:
由于电压表不是理想电表,内阻并非无穷大,对电路的影响会带来误差。
(2)测量误差:
测量时读数带来误差。
(3)作图误差:
在坐标纸上描点、作图带来误差。
五、注意事项
(1)本实验要作I-U图线,要求测出多组包括零在内的电压值、电流值,因此滑动变阻器应采用分压式接法。
(2)由于小灯泡的电阻较小,故采用电流表外接法。
(3)画I-U图线时纵轴、横轴的标度要适中,以所描绘图线占据整个坐标纸为宜,不要画成折线,应该用平滑的曲线连接,对个别偏离较远的点应舍去。
[精典示例]
一、实验原理和实验数据的处理
[例1]图2为“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图,已知小灯泡额定电压为3V。
图2
(1)在方框图中画出与实物电路相应的电路图。
(2)完成下列实验步骤
①闭合开关前,调节滑动变阻器的滑片,应停留在滑动变阻器________端;(选填“左”或“右”)
②闭合开关后,逐渐移动变阻器的滑片,增加小灯泡两端的电压,记录电流表和电压表的多组读数,直至电压达到额定电压;
③记录如下一组U和I的数据,断开开关。
根据实验数据在图3中作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。
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
图3
(3)数据分析
①从图线上可以得出,当电压逐渐增大时,灯丝电阻的变化情况是_____________。
②图线表明导体的电阻随温度升高而____________。
③小灯泡正常工作时的电阻约为________。
(保留小数点后一位有效数字)
解析
(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压与电流要从零开始变化,滑动变阻器应采用分压式接法,灯泡电阻较小,约为几欧姆到十几欧姆,远小于电压表内阻,电流表应采用外接法。
(2)①为保护电路安全,开关闭合之前,图乙中滑动变阻器的滑片应该置于左端。
③根据表格中的数据,画出小灯泡的I-U图线
(3)①从图线上可以得出,当电压逐渐增大时,灯丝电阻的变化情况是先不变,后逐渐增大。
②图线表明导体的电阻随温度升高而增大。
③根据I-U图线得当灯泡两端电压U=3V时,I=0.205A,所以小灯泡正常工作时的电阻约为R=
Ω≈14.6Ω。
答案
(1)见解析图
(2)①左 ③见解析图
(3)①先不变,后逐渐增大 ②增大 ③14.6
滑动变阻器必须采用分压式接法的四种情况
(1)要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时(如:
测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路),或要求大范围内测量电压和电流时,必须采用分压式接法。
(2)当待测用电器的电阻R远大于滑动变阻器的最大值R0时,必须采用分压式接法。
(3)当电压表或电流表的量程太小时,若采用限流接法,电路中实际电压(或电流)的最小值仍超过电压表或电流表的量程,只能采用分压式接法。
(4)在题目中有以下语言暗示时,比如:
要求多测几组测量数据,要求精确测量等,一般也采用分压式接法。
二、实验器材的选择及实物图连线
[例2]有一个小电珠上标有“4V,2W”的字样,现在要用伏安法描绘这个电珠的U-I图线,有下列器材供选用:
A.电压表(0~5V,电阻10kΩ)
B.电压表(0~10V,内阻20kΩ)
C.电流表(0~0.3A,内阻1Ω)
D.电流表(0~0.6A,内阻0.4Ω)
E.滑动变阻器(5Ω,10A)
F.滑动变阻器(500Ω,0.2A)
(1)实验中电压表应选用________,电流表应选用____________。
(用序号字母表示)
(2)为使实验误差尽量减小,要求小电珠两端的电压从零开始变化且多取几组数据,滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)。
(3)请在方框内画出满足实验要求的电路图,并把图4所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图。
图4
解析
(1)因小电珠的额定电压为4V,为了保证安全,选用的电压表量程应稍大于4V,但不能大太多,量程太大则示数不准确,故只能选用0~5V的电压表,故选A;由P=UI得,小电珠的额定电流I=
=0.5A,故应选择0~0.6A量程的电流表,故选D。
(2)由题意可知,小电珠两端的电压要从零开始变化且多取几组数据,故只能采用滑动变阻器的分压式接法,而分压式接法中应选总阻值小的滑动变阻器,故选E。
(3)小电珠内阻R=
=8Ω,小于R0=
,故采用电流表外接法,故电路图和实物连接图如图所示。
答案
(1)A D
(2)E (3)见解析
1.(电流表内、外接法的选择)(多选)在图5中,甲、乙两图分别为测灯泡电阻R的电路图,下列说法正确的是( )
图5
A.甲图的接法叫电流表外接法,乙图的接法叫电流表内接法
B.甲中R测>R真,乙中R测 C.甲中误差由电压表分流引起,为了减小误差,应使R≪RV,故此法测较小电阻好 D.乙中误差由电流表分压引起,为了减小误差,应使R≫RA,故此法测较大电阻好 解析 题图甲采用电流表外接法,题图乙采用电流表内接法,A正确;题图甲由于电压表的分流导致电流的测量值偏大,由R= 可知,R测 题图乙由于电流表的分压导致电压的测量值偏大。 由R= 可知,R测>R真;R越大,电流表的分压越小,误差越小,因此这种接法适用于测大电阻,B错误,C、D正确。 答案 ACD 2.(实验原理和实验方法的理解)“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,提供的实验器材有: A.小灯泡(额定电压为3.8V,额定电流约为0.3A) B.电流表A(0~0.6A,内阻约为0.5Ω) C.电压表V(0~6V,内阻约为5kΩ) D.滑动变阻器R1(0~10Ω,2A) E.滑动变阻器R2(0~100Ω,0.2A) F.电源(6V,内阻不计) G.开关及导线若干 (1)实验中滑动变阻器选________(填“R1”或“R2”) (2)该同学设计了实验测量电路,通过改变滑动变阻器滑片的位置,使电流表的读数从零开始变化,记录多组电压表的读数U和电流表的读数I。 请在图6甲中用笔画线代替导线将实验电路连接完整。 图6 (3)该同学根据实验数据作出了如图乙所示的U-I图象,根据图象可知小灯泡的电阻随着电流的增大而________(选填“增大”、“减小”或“不变”) 解析 “测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验应该设计成分压电路,滑动变阻器选择阻值范围小的R1。 由于小灯泡电阻小,采用电流表外接电路。 根据图象可知小灯泡的电阻随着电流的增大而增大。 答案 (1)R1 (2)如图所示 (3)增大 基础过关 1.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: 小灯泡L(“3.8V 0.3A”) 电压表V(量程0~5V,内阻5kΩ) 电流表A1(量程0~100mA,内阻4Ω) 电流表A2(量程0~500mA,内阻0.4Ω) 滑动变阻器R1(最大阻值10Ω,额定电流1.0A) 滑动变阻器R2(最大阻值500Ω,额定电流0.5A) 直流电源E(电动势约为6V,内阻约为0.5Ω) (1)在上述器材中,滑动变阻器应选________;电流表应选________。 (2)在虚线框内画出实验的电路图,并在图中注明各元件的符号。 解析 (1)本题变压器采用分压式接法, 通常应当选用最大阻值较小的滑动变阻器,故滑动变阻器应选R1。 电流表A1的量程太小,故电流表应选A2。 (2)电路图如图所示,由于电压要从0开始调节,滑动变阻器用分压式接法;因为灯泡的电阻比较小,电流表用外接法。 答案 (1)R1 A2 (2)电路图见解析图 2.在探究小灯泡的伏安特性曲线的实验中,所用器材有: 灯泡L、量程恰当的电流表A和电压表V、直流电源E、滑动变阻器R、开关S等,要求灯泡两端电压从0开始变化。 (1)实验中滑动变阻器应采用________(选填“分压式”或“限流式”)接法。 (2)某同学已连接如图1所示的电路,在连接最后一根导线的c端到直流电源正极之前,请指出其中仅有的2个不当之处,并说明如何改正。 图1 ①___________________________________________________________________。 ②___________________________________________________________________。 答案 (1)分压式 (2)①开关S不应闭合,应处于断开状态 ②滑动变阻器滑动触头P位置不当,应将其置于a端 3.一个小灯泡上标有“4V 2W”的字样,现在要用伏安法描绘这个灯泡的I-U图线。 现有下列器材供选择: A.电压表(0~5V,内阻10kΩ) B.电压表(0~15V,内阻20kΩ) C.电流表(0~3A,内阻1Ω) D.电流表(0~0.6A,内阻0.4Ω) E.滑动变阻器(10Ω,2A) F.滑动变阻器(500Ω,1A) G.电源(直流6V)、开关、导线若干 图2 (1)实验时,选用图2中________电路图来完成实验,请说明理由: _____________。 (2)实验中所用电压表应选______,电流表应选______,滑动变阻器应选________。 (用字母序号表示) (3)把图3所示的实验器材用实线连接成实物电路图。 图3 解析 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。 因小灯泡额定电压为4V,则电压表选量程为0~5V的A而舍弃量程为0~15V的B,因15V的量程太大,读数误差大,小灯泡的额定电流I=0.5A,则电流表只能选D。 滑动变阻器F的最大阻值远大于小灯泡内阻8Ω,调节不方便,电压变化与滑动变阻器使用部分的长度线性关系差,故舍去。 小灯泡内阻为电流表内阻的 =20倍,电压表内阻是小灯泡内阻的 =1250倍,故电流表采用外接法。 答案 (1)甲 描绘灯泡的I-U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 能力提升 4.(2017·甘肃天山泰安二中期末)有一个小灯泡上标有“4V2W”的字样,现在要用伏安法描绘这个灯泡的I-U图线。 现有下列器材供选用: A.电压表(0~5V,内阻约10kΩ) B.电压表(0~15V,内阻约20kΩ) C.电流表(0~3A,内阻约1Ω) D.电流表(0~0.6A,内阻约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)实验中所用电压表应选________,电流表应选用________,滑动变阻器应选用________。 (2)在虚线框内画出实验电路图,并根据所画电路图进行实物连接。 图4 (3)利用实验数据绘出小灯泡的伏安特性曲线如图5甲所示,分析曲线说明小灯泡电阻变化的特点: ________________________________。 (4)若把电器元件Z和小灯泡接入如图乙所示的电路中时,通过Z的电流为0.22A,已知A、B两端电压恒为2.5V,则此时灯泡L的功率约为________W。 (保留两位有效数字) 图5) 解析 (1)根据小灯泡的规格“4V 2W”可知,电压表应选A;电流I= =0.5A,所以电流表应选D;由于描绘小灯泡伏安特性曲线实验要求电流从0调节,所以变阻器应用分压式接法,应选阻值小的变阻器E。 (2)由于小灯泡电阻较小,满足 > ,所以电流表应用外接法,又变阻器采用分压式接法,所以电路图和实物连线图如图所示。 (3)根据I= = U可知,小灯泡电阻与I-U图象上各点与原点连线的斜率倒数成正比,所以小灯泡电阻随温度的升高而增大。 (4)由I-U图象可知,I=0.22A时对应的电压U=1.4V,所以小灯泡的功率P=UI=0.31W。 答案 (1)A D E (2)图见解析 (3)小灯泡电阻随温度的升高而增大 (4)0.31
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