届高考物理一轮 第4讲实验六 描绘小灯泡的伏安特性曲线.docx
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届高考物理一轮第4讲实验六描绘小灯泡的伏安特性曲线
第4讲 实验六 描绘小灯泡的伏安特性曲线
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连接
本实验要作出UI图线,要求测出一组包括零在内的电流、电压值,故控制电路必须采用分压接法.
3.保护元件安全:
为保护元件不被烧毁,开关闭合前变阻器滑片应位于图中的a端.加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压.
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.
热点 实物连线及数据处理
【典例1】一实验小组准备探究某种元件Q的伏安特性曲线,他们设计了如图7-4-1甲所示的电路图.请回答下列问题:
图7-4-1
(1)请将图乙中的实物连线按电路图补充完整.
(2)考虑电表内阻的影响,该元件电阻的测量值________(填“大于”、“等于”或“小于”)真实值.
(3)闭合开关S,电流表、电压表均有示数,但无论怎样移动变阻器滑片,总不能将电压表的示数调为零.原因可能是图中的________(填“a”、“b”、“c”、“d”、“e”或“f”)处接触不良.
(4)实验测得表格中的7组数据.请在图7-4-2中的坐标纸上作出该元件的I-U图线.
序号
电压/V
电流/A
1
0
0
2
0.40
0.02
3
0.80
0.05
4
1.20
0.12
5
1.60
0.20
6
2.00
0.31
7
2.40
0.44
图7-4-2
(5)为了求元件Q在I-U图线上某点的电阻,甲同学利用该点的坐标I、U,由R=
求得.乙同学作出该点的切线,求出切线的斜率k,由R=
求得.其中________(填“甲”或“乙”)同学的方法正确.
解析
(1)由电路图可知,电流表为外接法,滑动变阻器为分压式接法.
(2)由电流表外接的特点可知,该元件的测量值小于其真实值.
(3)当图中的f处接触不良时,控制电路由分压式变为限流式,故无法将电压表的示数调为零.
(4)根据表中的数据,先描点,再利用平滑的曲线连接起来.
(5)I-U图线上切线(即斜率)可反映电阻的大小,但不能用来计算电阻的大小,而R=
则可以用来计算电阻的大小.
答案
(1)如图所示
(2)小于 (3)f (4)如图所示
(5)甲
实物连线的原则
1.先串后并,接线到柱,注意量程和正负.
2.对限流电路,只需用笔画线代替导线,从电源正极开始,把电源、开关、滑动变阻器、“伏安法”四部分依次串联起来即可(注意电表的正负接线柱和量程,滑动变阻器应调到阻值最大处).
3.对分压电路,应该先把电源、开关和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来,然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头,比较该接头和滑动触头两点的电势高低,根据“伏安法”部分电表正负接线柱的情况,将“伏安法”部分接入该两点间.
【变式跟踪1】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7-4-3中作出灯泡的U-I图线.
图7-4-3
(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)
电路设计及电表的灵活选取
【典例2】已知一个标有
图7-4-4
“2.4V,0.06A”字样的电学元件的R-U特性如图7-4-4所示.某同学想利用下列可供选择的实验器材,设计一个电路验证该元件的电阻R随电压U变化的图象.
可供选择的器材有:
电流表A1(量程100mA,内阻约2Ω);
电流表A2(量程0.3A,内阻约0.3Ω);
电压表V1(量程1V,内阻500Ω);
电压表V2(量程15V,内阻1kΩ);
定值电阻R1(电阻为1kΩ);
定值电阻R2(电阻为10kΩ);
滑动变阻器R0(0~10Ω,2A);
电池E(电动势为3V,内阻很小);
导线若干和开关S一个.
(1)利用实验电路测量时,该同学为了提高准确度,测量了多组数据.他在实验中应选用电流表________,电压表________,定值电阻________(填所选器材的符号).
(2)在方框内画出该同学的实验电路图.
(3)在实验过程中,元件正常工作时电压表的示数应为________V.
解析 分析R-U特性可知,
该元件的最大电流为I=
=
A=0.06A=60mA,故应选电流表A1;电压最大值为2.4V,V1量程太小,而V2量程太大,将V1与定值电阻R1串联,当V1(内阻500Ω)为1V时,R1两端电压为2V,二者串联可等效为一个量程为3V的电压表,满足量程需求.电压要求从0开始调节,故滑动变阻器连接采用分压法.Rmax<
,因此电流表采用外接法.元件正常工作时,两端电压为2.4V,URV1=
U=
=0.8V.
答案
(1)A1 V1 R1
(2)如解析图所示 (3)0.8
预测高考命题视角
以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器设置题目,不脱离教材而又不拘泥教材,体现开放性、探究性等特点.
视角1 实验原理及实验方法的迁移(如典例2)
视角2 图象法处理数据及实物连线
视角3 实验仪器的选择及控制电路的选择
第4讲 实验六 描绘小灯泡的伏安特性曲线
1.一只小灯泡,标有“3V,1.5W”的字样.现要描绘小灯泡0~3V的伏安特性曲线.实验器材有:
A.最大阻值为10Ω的滑动变阻器
B.电动势为6V、内阻约为1.0Ω的电源
C.量程为0.6A、内阻约为1.0Ω的电流表A1
D.量程为3A、内阻约为0.1Ω的电流表A2
E.量程为3V、内阻约为6kΩ的电压表V1
F.量程为15V、内阻约为10kΩ的电压表V2
G.开关、导线若干
(1)电压表应选用________;电流表应选用________.(将选项代号的字母填在横线上)
(2)在该实验中,设计了如图所示的四个电路.为了减小误差,应选取的电路是________(将选项代号的字母填在横线上).
(3)以下是该实验的操作步骤:
A.将电流表、电压表、变阻器、小灯泡、电源、开关正确连接成电路;
B.调节滑动变阻器滑片的位置,保证闭合开关前使滑动变阻器与小灯泡并联部分的阻值最大;
C.闭合开关,记下电压表、电流表的一组示数(U1,I1),移动滑动变阻器的滑片,每移动一次记下一组(U,I)值,共测出12组数据;
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.
指出以上步骤中存在错误或不妥之处并修改.
解析
(1)因为小灯泡的额定电压为3V,故电压表选E;小灯泡的额定电流I=
=
A=0.5A,故电流表选C.
(2)小灯泡在额定电压下的电阻R=
=6Ω,由于
>
,故电流表外接.描绘伏安特性曲线时,电压从零开始,需用滑动变阻器的分压式接法,选C.
答案
(1)E C
(2)C (3)步骤B不妥,闭合开关前应使滑动变阻器与小灯泡并联部分的阻值为零;步骤D有错,应为按所测数据,在坐标纸上描点并将各点用一条平滑的曲线连接起来.
2.(2012·安徽卷,21Ⅱ)图7-4-5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7-4-5
(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,逐渐移动变阻器的滑片,________;
③断开开关,……根据实验数据在方格纸上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.
解析
(1)滑动变阻器为分压式接法,故闭合开关前,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.
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)如解析图所示
3.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I-U图线,现有下列器材供选用:
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0.4Ω)
D.电流表(0~0.6A,内阻1Ω)
E.滑动变阻器(最大阻值为10Ω,允许最大电流为2A)
F.滑动变阻器(最大阻值为500Ω,允许最大电流为1A)
G.学生电源(直流6V)、开关、导线若干
(1)实验时,选用图7-4-6甲而不选用图乙所示的电路图来完成实验,其理由是:
____________________________________________________________.
(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)
图7-4-6
解析
(1)因实验目的是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,故采用甲图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,0~15V的量程太大,读数误差大,所以电压表选0~5V的A;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电阻8Ω,调节不方便,故应选滑动变阻器E;又因RVRA>R
,所以电流表应外接.
答案
(1)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
4.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,现除了有一个标有“5V,2.5W”的小灯泡\,导线和开关外,还有:
A.直流电源(电动势约为5V,内阻可不计)
B.直流电流表(量程0~3A,内阻约为0.1Ω)
C.直流电流表(量程0~600mA,内阻约为5Ω)
D.直流电压表(量程0~15V,内阻约为15kΩ)
E.直流电压表(量程0~5V,内阻约为10kΩ)
F.滑动变阻器(最大阻值10Ω,允许通过的最大电流为2A)
G.滑动变阻器(最大阻值1kΩ,允许通过的最大电流为0.5A)
实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能测多组数据.
(1)实验中电流表应选用________,电压表应选用________,滑动变阻器应选用________(均用序号字母表示).
(2)请按要求将图7-4-7中所示的器材连成实验电路.
图7-4-7
(3)某同学通过实验正确作出的小灯泡的伏安特性曲线如图7-4-8所示.现把实验中使用的小灯泡接到如图7-4-9所示的电路中,其中电源电动势E=6V,内阻r=1Ω,定值电阻R=9Ω,此时灯泡的实际功率为________W.(结果保留两位有效数字)
图7-4-8
图7-4-9
解析
(1)由灯泡标识(5V,2.5W)知,I=
=0.5A,因此电流表选C,电压表选E.由于电路接成分压式,滑动变阻器选F.
(2)如图所示
(3)把定值电阻作为电源的内阻,则该电源短路时的电流为Imax=
=0.6A,在题图中的U-I图中,作出此电源的U-I图线如图中虚线所示
两图线交点即表示该灯泡的实际工作点.由图知
U=2.2V,I=0.38A,所以P=UI=2.2×0.38W=0.84W.
答案
(1)C E F
(2)见解析图 (3)0.84(0.81~0.87)皆可
5.(2012·四川卷,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7-4-10
(1)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
(2)所示,此时L的电阻为________Ω.
图7-4-10
②乙同学又设计了如图7-4-11a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.
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7-4-11b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.
图7-4-11
解析 ①电压表的示数U=2.30V,所以灯泡的电阻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=
×3V=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,则电压表的量程为4.0V,电流表的量程为0.7A,因此将电压表V与标准电阻R2串联改装为量程为4.0V的电压表,将电流表A2与标准电阻R1,并联改装量程为0.6A+
A=0.72A的电流表.故虚线框内实验电路如下图所示.
答案 ①5 ②4 ③如解析图所示
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