78实验六描绘小灯泡的伏安特性曲线.docx
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78实验六描绘小灯泡的伏安特性曲线
实验六 描绘小灯泡的伏安特性曲线
考纲解读
1.掌握滑动变阻器的使用方法及连接方式.2.掌握伏安特性曲线的描绘方法.3.理解小灯泡的伏安特性曲线为什么不是一条直线.
►基本实验要求
1.实验原理
(1)测多组小灯泡的U、I,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.
2.实验器材
小灯泡“3.8V,0.3A”、电压表“0~3V~15V”、电流表“0~0.6A~3A”、滑动变阻器、学生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔.
3.实验步骤
(1)画出电路图(如图甲).
(2)将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如实验原理图乙所示电路.
(3)测量与记录
移动滑动变阻器触头位置,测出12组左右不同的电压值U和电流值I,并将测量数据填入自己设计的表格中.
(4)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在坐标纸上描出各组数据所对应的点.
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.
4.实验器材选取
(1)原则:
①安全;②精确;③操作方便.
(2)具体要求
①电源允许的最大电流不小于电路中的实际最大电流.干电池中电流一般不允许超过
0.6A.
②用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流.
③电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值.
④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的
以上.
⑤从便于操作来考虑,限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器,分压式接法要选用小阻值滑动变阻器.
►规律方法总结
1.滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比较
两种接法的电路图
负载R上电压的调节范围
≤U≤E
0≤U≤E
负载R上电流的调节范围
≤I≤
0≤I≤
2.两种接法的适用条件
(1)限流式接法适合测量阻值较小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小).
(2)分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的总电阻要大).
3.注意事项
(1)电流表外接法:
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:
本实验要作出U-I图象,要求测出多组包括零在内的电流、电压值,故控制电路必须采用分压式接法.
(3)保护元件安全:
为保护元件不被烧毁,开关闭合前滑动变阻器的滑片应位于最大电阻处,加在小灯泡两端的电压不要超过其额定电压.
4.误差分析
(1)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,电流表外接,由于电压表的分流,使测得的电流值大于真实值.
(2)测量时读数带来误差.
(3)在坐标纸上描点、作图带来误差.
考点一 对实验原理和电路设计的考查
例1
(2012·四川理综·22
(2))某学习小组的同学拟探究小灯泡L的伏安特性曲线,可供选用的器材如下:
小灯泡L,规格“4.0V 0.7A”;
电流表A1,量程3A,内阻约为0.1Ω;
电流表A2,量程0.6A,内阻r2=0.2Ω;
电压表V,量程3V,内阻rV=9kΩ;
标准电阻R1,阻值1Ω;
标准电阻R2,阻值3kΩ;
滑动变阻器R,阻值范围0~10Ω;
学生电源E,电动势6V,内阻不计;
开关S及导线若干.
①甲同学设计了如图1甲所示的电路来进行测量,当通过L的电流为0.46A时,电压表
的示数如图乙所示,此时L的电阻为________Ω.
甲 乙
图1
②乙同学又设计了如图2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.
图2 图3
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3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.
答案 ①5 ②4 ③见解析图
解析 ①电压表的示数U=2.30V,所以灯泡L的电阻RL=
=
Ω=5Ω.
②由题图知电压表V与R2串联,根据串联分压,当电压表V的示数为3V时,R2两端的电压U2=
R2=
×3000V=1V,所以灯泡两端的电压U′=UV+U2=(3+1)V=4V.
③要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线,则电压表的量程应变为4.0V,电流表的量程应变为0.7A,因此将电压表V与标准电阻R2串联改装成量程为4.0V的电压表,将电流表A2与标准电阻R1并联改装成量程为0.6A+
A=0.72A的电流表.故虚线框内实验电路如图所示.
考点二 对仪器选取、图象描绘及数据处理的考查
例2
物理兴趣小组的同学们从实验室中找到一只小灯泡,其标称功率值为0.75W,额定电压值已模糊不清.他们想测定其额定电压值,于是先用欧姆表直接测出该灯泡的电阻约为2Ω,然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U=
=
V=1.22V.他们怀疑所得电压值不准确,于是,再利用下面可供选择的实验器材设计一个电路,测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘灯泡的U-I图线,进而分析灯泡的额定电压.
A.电压表V(量程3V,内阻约3kΩ)
B.电流表A1(量程150mA,内阻约2Ω)
C.电流表A2(量程500mA,内阻约0.6Ω)
D.滑动变阻器R1(0~20Ω)
E.滑动变阻器R2(0~100Ω)
F.电源E(电动势4.0V,内阻不计)
G.开关S和导线若干
H.待测灯泡L(额定功率0.75W,额定电压未知)
(1)在下面所给的虚线框中画出他们进行实验的电路原理图,指出上述器材中,电流表选择________(填“A1”或“A2”);滑动变阻器选择________(填“R1”或“R2”).
(2)在实验过程中,该同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加,当电压达到1.23V时,发现灯泡亮度很暗,当达到2.70V时,发现灯泡已过亮,便立即断开开关,并将所测数据记录在下边表格中.
次数
1
2
3
4
5
6
7
U/V
0.20
0.60
1.00
1.40
1.80
2.20
2.70
I/mA
80
155
195
227
255
279
310
请你根据实验数据在图4中作出灯泡的U-I图线.
图4
(3)由图象得出该灯泡的额定电压应为________V;这一结果大于1.23V,其原因是
________________________________________________________________________.
解析
(1)根据P=I2R,估算灯泡的电流大约是600mA,因此电流表应选A2;本实验要描绘出灯泡的U-I图线,需要测量多组数据,因此滑动变阻器应接成分压式,所以应选阻值较小的R1;小灯泡电阻不大,电流表应外接;
(2)如图所示
(3)由P=UI=0.75W,再结合图象可知U额=2.5V;大于1.23V的原因是由于灯泡冷态
电阻小于正常工作时的电阻.
答案
(1)电路原理图如图所示 A2 R1
(2)见解析图
(3)2.5(2.4~2.6) 灯泡冷态电阻小于正常工作时的电阻(或灯泡电阻随温度升高而变大)
37.电学实验电路设计的思路与方法
1.首先应明确题目的要求,看清题目要求测定什么物理量,验证、探究什么物理规律,或要求设计达到何种标准的电路等.其设计原则是:
安全、方便、经济.
2.在测量电路中,一般有电流表内接和外接两种方式,对于给定电表内阻的情况,应先比较R0与待测电阻Rx的关系,其中R0=
,若Rx>R0,则设计为内接;若Rx 3.在控制电路中,滑动变阻器有分压式、限流式两种接法,若变阻器阻值较小,一般设计为分压式;若变阻器阻值较大,一般设计为限流式,在二者都可行时,应先考虑限流方式,但下面三种情形必须设计为分压式接法: (1)数据要求从0开始变化; (2)变阻器阻值太小,限流限不住;(3)调节变阻器时,不能获取有区分度的多组数据. 答案 (1)A2 V1 R1 (2)如图所示 (3)减小 0.12 1.(2012·安徽理综·21Ⅱ)图6为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图,已知小灯泡额定电压为2.5V. 图6 (1)完成下列实验步骤: ①闭合开关前,调节滑动变阻器的滑片,______________; ②闭合开关后,逐渐移动滑动变阻器的滑片,__________; ③断开开关,……根据实验数据作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线. (2)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图. 答案 (1)①使它靠近滑动变阻器左端的接线柱 ②增加小灯泡两端的电压,记录电流表和电压表的多组读数,直至电压达到其额定电压 (2)见解析图 解析 (1)滑动变阻器为分压式接法,故闭合开关前,小灯泡两端的电压为零,调节滑动变阻器的滑片,使它靠近滑动变阻器左端的接线柱.闭合开关后,逐渐移动滑动变阻器的滑片,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. (2)与实物电路相应的电路图如图所示. 2.(2011·福建理综·19 (2))某同学在探究规格为“6V,3W”的小电珠伏安特性曲线实验中: (1)在小电珠接入电路前,使用多用电表直接测量小电珠的电阻,则应将选择开关旋至________挡进行测量.(填选项前的字母) A.直流电压10VB.直流电流5mA C.欧姆×100D.欧姆×1 图7 (2)该同学采用图7所示的电路进行测量.图中R为滑动变阻器(阻值范围0~20Ω,额定电流1.0A),L为待测小电珠, 为电压表(量程6V,电阻20kΩ), 为电流表(量程0.6A,内阻1Ω),E为电源(电动势8V,内阻不计),S为开关. Ⅰ.在实验过程中,开关S闭合前,滑动变阻器的滑片P应置于最______端;(填“左”或“右”) Ⅱ.在实验过程中,已知各元件均无故障,但闭合开关S后,无论如何调节滑片P,电压表和电流表的示数总是调不到零,其原因是________点至________点的导线没有连接好;(图中的黑色小圆点表示接线点,并用数字标记,空格中请填写图7中的数字) Ⅲ.该同学描绘出小电珠的伏安特性曲线示意图如图8所示,则小电珠的 电阻值随工作电压的增大而________.(填“不变”、“增大”或“减 小”) 答案 (1)D (2)Ⅰ.左 Ⅱ.1 5(或5 1) Ⅲ.增大图8 解析 (1)因小电珠正常发光时的电阻R= = Ω=12Ω,小电珠未接入电路的电阻要比正常发光时小得多(因温度的影响),故用多用电表测未接入电路的小电珠的电阻,应选D. (2)Ⅰ.在实验时,闭合开关前,应使用电器的电压、电流为最小值,故应使滑片P置于 最左端. Ⅱ.若1点到5点未接好,则电路成为滑动变阻器的限流式电路. Ⅲ.在I-U图象中的每一点与O点连线的斜率逐渐减小,即电阻的倒数减小,所以电阻 增大. 3.(2011·山东理综·23 (2))某同学利用图9所示电路,探究了电源在不同负载下的输出功率. 图9 ①所得实验数据如下表,请在图10上画出U-I图象. U/V 1.96 1.86 1.80 1.84 1.64 1.56 I/A 0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 图10 ②根据所画的U-I图象,可求得电流I=0.20A时电源的输出功率为__________W.(保留两位有效数字) ③实验完成后,该同学对实验方案进行了反思,认为按图9电路进行实验操作的过程中存在安全隐患,并对电路重新设计.在图11所示的电路中,你认为既能测出电源在不同负载下的输出功率,又能消除安全隐患的是________________.(Rx阻值未知) 图11 答案 ①如图所示 ②0.37 ③bc 解析 ①选择合适标度后描点,连接成图象时,应舍弃第四组数据点. ②在所画的U-I图象上读出与I=0.2A对应的电压U值,根据P=IU求解. ③题中“存在安全隐患”,意为缺乏保护措施.a电路中Rx起不到保护作用,d中Rx起保护作用,但不能测出电源的输出功率,b、c能满足题目要求,选b、c. 4.小亮同学为研究某电学元件(最大电压不超过2.5V,最大电流不超过0.55A)的伏安特性曲线,在实验室找到了下列实验器材: A.电压表(量程是3V,内阻是6kΩ) B.电压表(量程是15V,内阻是30kΩ) C.电流表(量程是0.6A,内阻是0.5Ω) D.电流表(量程是3A,内阻是0.1Ω) F.滑动变阻器(阻值范围0~5Ω),额定电流为0.6A G.滑动变阻器(阻值范围0~100Ω),额定电流为0.6A H.直流电源(电动势E=3V,内阻不计) I.开关、导线若干 该同学设计电路并进行实验,通过实验得到如下数据(I和U分别表示电学元件上的电流和电压). I/A 0 0.12 0.21 0.29 0.34 0.38 0.42 0.45 0.47 0.49 0.50 U/V 0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 (1)为了提高实验结果的准确程度,电流表选______;电压表选________;滑动变阻器选______.(以上均填写器材代号) (2)请在下面的虚线框中画出实验电路图; (3)在图12中描出该电学元件的伏安特性曲线; 图12 (4)据图中描出的伏安特性曲线可知,该电学元件的电阻随温度而变化的情况为: ________________________________________________________________________. 答案 (1)C A F (2)见解析图 (3)见解析图 (4)元件电阻随温度升高而增大 解析 (1)从表格中的实验数据可知,电流测量值I的范围为0~0.50A,电压测量值U的范围为0~2.00V,因此电流表应选C,电压表应选A.因为本实验要测量多组(U,I)值,需使电压U连续变化,因此,变阻器应接成分压式,且选阻值较小的滑动变阻器F. (2)由表格中的数据,根据R= ,估算电学元件的电阻值大约为几欧,因此电流表外接.电路图如图所示: (3)如图所示 (4)由图象知,图线的斜率逐渐变小,因此随着温度的变化,电学元件的电阻逐渐增大. 5.在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验时,所用器材有: 电动势为6V的电源、额定电压为2.5V的小灯泡、以及符合实验要求的滑动变阻器、电表、开关和导线.要求能测出尽可能多组数据.图13是没有连接完整的实物电路.(已连接好的导线有a、b、c、d、e、f六根) 图13 (1)请你用笔画线代替导线,在原图中将实物电路连接完整; (2)连好电路,闭合开关,移动变阻器滑片P,发现小灯泡始终不亮,但电压表有示数, 电流表几乎不偏转,则故障的原因可能是_____________________________________ ________________________________________________________________________; (3)排除故障后闭合开关,移动滑片P到某处,电压表的示数为2.2V,要测量小灯泡的 额定功率,应将滑片P向____端滑动(选填“左”或“右”); (4)通过移动滑片P,分别记下了多组对应的电压表和电流表的读数,并绘制成了如图14所示的U-I图象.根据U-I图象提供的信息,可计算出小灯泡的额定功率是______W; 图14 (5)图线是曲线而不是过原点的直线,原因是___________________________________ ________________________________________________________________________. 答案 (1)连线如图所示 (2)c段导线断路或灯泡损坏 (3)右 (4)0.5 (5)小灯泡的电阻随温度的升高而增大
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