02第三章学生实验3.docx
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02第三章学生实验3
实验十一:
描绘小灯泡的伏安特性曲线
【实验播放】
1、实验目的:
(1)理解实验原理,掌握伏安特性曲线的描绘方法.
(2)知道小灯泡的灯丝电阻是随温度的升高而增大的.会根据实验所需器材选择正确的实验电路.
(3)了解小灯泡特性曲线不是直线的原因,并会利用伏安特性曲线求电阻.
2、实验原理:
根据欧姆定律,在纯电阻电路中,当电阻的阻值恒定时,电阻两端的电压和通过电阻的电流成线性关系,U一I图线是一条直线;如果电阻的阻值是变化的,U一I图线不再是一条直线.本实验用伏安法测出小灯泡两端电压及电流,描绘出小灯泡的U一I图线.实验电路如图1所示.对一只灯泡来说,不正常发光和正常发光时灯丝的电阻值可以相差几倍到几十倍,所以,它的伏安特性曲线是一条曲线.
3、实验器材
小灯泡、直流电源、电压表、电流表、变阻器、开关、坐标纸、铅笔、导线若干
4、实验步骤
(1)按图1连接电路,在闭合开关前变阻器的滑片靠近图中所示的A端.
(2)闭合开关,移动滑片P,读出十几组U、I值,并记录在表格中。
(3)建立U一I坐标系,将所得几组U、I值在坐标上描出所对应的点.
(4)用平滑的曲线将各点连接起来,即为U一I图线.
5、数据处理
实验中,在调节滑动变阻器的滑片位置改变灯泡两端电压时,尽量使灯泡的电压变换有规律,然后再对应地读电流值.然后在根据所取的电压、电流的最大值,选取适当的横纵坐标分度,描点画图,这样可以使所取的点在坐标平面内分布的尽量大而且点子分布疏密程度均匀一些.
6、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)本实验要作出U一I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)为保护元件不被烧毁,电键闭合前变阻器滑片应位于图中的A端.
(4)加在灯泡两端的电压不要超过灯泡的额定电压.
(5)连图线时曲线要平滑,不在图线上的数据点应均匀分布在图线两侧,绝对不要画成折线。
7、误差分析
本实验所描绘的小灯泡的U一I特性曲线本身就包含了一定的定性特征,所以误差分析不是本实验的主要实验目的。
本实验的误差主要来源于测量电路存在系统误差,即未考虑电压表的分流,测得的电流值比真实值大;其次还在着读数误差和作图时的描点误差.
【试题解析】
例1有一灯泡L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.由题目要求可知变阻器用分压式(要求电压从0V开始测量),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,变阻器接成分压式,电路如图2所示。
例2某同学在做测定小灯泡的功率实验中得到如下一组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
灯泡发光情况
不亮
微亮
逐渐变亮
正常发光
(1)在图3中画出I—U图线.
(2)在图线上可以看出,当功率增大时灯丝电阻的变化情况是。
(3)这表明导体的电阻随温度升高而。
解析
(1)根据I、U数据,在坐标纸上找出对应的点,用平滑曲线连接;即得到I—U图线,如图4所示.
(2)在I—U图线中,任一点与原点连线的斜率倒数即为这一状态的电阻值,即R=
,从图线上看出开始灯丝的电阻不变(直线);后来图线变成曲线且斜率越来越小,即电阻越来越大.故后来灯丝的电阻随功率增加而变大.
(3)当I、U变化时灯丝的功率增大,温度也升高,电阻增大,所以本实验可以说明:
灯丝的电阻随温度的升高而增大.
例3使用如图5所示的器材测定小灯泡在不同电压下的电功率,并且作出小灯泡的电功率与它两端电压的平方的关系曲线.已知小灯泡上标有“6V,3W”字样,电源是3个铅蓄电池串联组成的电池组,测动变阻器的规格是“5Ω,2A”.要求:
(1)把图中实物连成实验电路;
(2)图6的4个图象中哪个可能是正确的?
简单说明理由.
答:
。
解析
变阻器通常用来控制电路中的电流或电压,可以有限流与分压两种接法,根据题意,由欧姆定律易得灯泡电阻约为12Ω。
若采用限流,即使变阻器阻值用到最大,灯泡电压最小值可达4V左右,其电压调节范围约在4~6V,显然不宜选取合理数据范围作电功率与两端电压平方关系图线.而采用分压接法则灯泡两端电压变化范围为0~6V,便于选取数据作相应图线,至于电压表与电流表采用内接、外接,题目未给表的内阻,但实验学生用表的电阻为10Ω左右时,内、外接表误差差别不大,本题不作要求,连线时应注意量程选择与表“+”“-”接线柱接法,接线如图7.
图6中所绘图线,由横、纵坐标可知为P—U2图线,小灯泡在点亮时灯丝温度可高达上千摄氏度.随电压升高,灯丝温度升高,相应电阻率增大,电阻增大,与相应电阻不变时的功率相比要减少,或者说由P=
=
·U2知,该图线斜率为
,随U增大,R增大,斜率
减小,因此D图可能正确,而B图是R不变时的图线.
【实验拓展】
1.热敏电阻及其用途
例4图8为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I—U关系曲线图.
(1)为了通过测量得到图8所示I—U关系的完整曲线,在图9(a)和(b)两个电路中应选择的是图;简要说明理由:
。
(电源电动势为9V,内阻不计,滑线变阻器的阻值为0~100Ω.
(2)图9(c)电路中,电源电压恒为9V,电流表读数为70mA,定值电阻R1=250Ω.由热敏电阻的I—U关系曲线可知,热敏电阻两端的电压为V;电阻R2的阻值为Ω.
(3)举出一个可以应用热敏电阻的例子:
。
解析
(1)为了获得更多的实验数据,应采用图9(a)的分压式电路.电压可从0V调到所需电压,调节范围较大.
(2)流过R1的电流I1=
=
mA=36mA,流过R2及热敏电阻的电流I2=I-I1=34mA,从I—U曲线图上可读出对应此时的热敏电阻的电压Ux=5.2V,则R2=
≈111.8Ω.
(3)热敏电阻有很多用途,如热敏温度计、温控开关等.
2.压敏电阻的应用
例5有一种电阻叫做“压敏电阻”,它是以氧化锌为主要材料,掺人少量的氧化铋、氧化锑、氧化钴等经烧结制成,其伏安特性图线如图10所示,它经常被用作家用电器的保护电路,图11是某影碟机(VCD)的电源电路的一部分,CT表示电源插头,S是电源开关,BX是保险丝,R是压敏电阻,试通过伏安特性图线说明压敏电阻对变压器的保护作用.
解析
从图10所示图线上看,无论加正向电压还是反向电压,当电压低于250V时,电阻上流过的电流几乎是零,即电阻可看作无限大,压敏电阻R对电路无任何影响.等电源电压突然升高,高于250V时(250V以上的电压会威胁变压器的安全).流过该电阻的电流会迅速增大,电阻几乎是零,使得a、b两点短路,这时保险丝立即熔断,电源被切断,保护了变压器的安全.正是压敏电阻这一独特的性质,使它在用电器的保护电路里获得了广泛的应用.
3.发光二极管特性曲线的研究与应用
例6发光晶体二极管是电器上作指示灯用的一种电子元件.它的电路符号如图12所示,正常使用时,带“+”号的一端接高电势,带“-”的一端接低电势.某同学用实验的方法测得它两端的电压U和通过它的电流I的关系数据如表中所示.
U/V
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
2.8
3.0
I/mA
0
0.4
0.9
1.5
2.3
3.2
4.3
5.4
6.8
9.3
12
15
19
24
30
37
(1)在图13中的虚线框内画出该同学的实验电路图.(实验用电压表内阻RV约为10kΩ,电流表内阻RmA约为100Ω)
(2)在图14中的小方格纸上用描点法画出U—I图线.
(3)若发光二极管的最佳工作电压为2.0V,而电源是由内阻不计、电动势为1.5V的两节干电池串联而成.根据画出的伏安特性曲线上的信息分析,应该串联一个阻值多大的电阻后与电源接成闭合电路,才能使二极管工作在最佳状态?
解析
(1)我们知道同时测定二极管上的电流和电压时,有电流表的内接法和外接法两种接法.而用滑动变阻器改变电压又有分压式和限流式两种接法.画电路前,首先必须对这两个问题作出选择.内、外接法要根据二极管的电阻大小确定,但题目没有直接提供电阻的大致数值.分压还是限流要根据电压调节的需要确定.这两个问题为表格信息的分析提供了方向.由欧姆定律分析表格中的每一组数据,可以看出发光二极管的电阻是变化的,变化的范围大约在100~500Ω之间,与
=1000Ω比较,属于小电阻,应采用电流表外接法;又从表格中得到信息,实验时,电压必须从0开始增大,因此滑动变阻器必须接成分压器的形式.所以实验电路如图15所示.
(2)将表格提供的数据在方格纸上描点,可画出U—I图线如图16中的曲线所示.
(3)根据串联电路的特点,由UD=E-IR还可以画出一条发光二极管的伏安特性曲线,该图线是一条直线.其物理意义是:
它的斜率的绝对值就是需串联电阻的数值,找出两点即能画出该线.因为两条曲线都是二极管必须遵守的,所以实际的工作点必定是它们的交点,按题意应是UD=2V的点,这可以从已画出的特性曲线上找到,即图16中的P点.另一点是当I=0时,UD=E=3V的点.由这两点连成的直线即图16中的MN.由其斜率得应串的电阻为R=83.3Ω.
【考点训练】
1.如图17所示为白炽灯L1(规格为“220V,100W”),L2(规格为“220V,60W”)的伏安特性曲线,则根据该曲线可确定将L1、L2两灯串联在220V的电源上时,两灯的实际功率之比大约为()
A.1:
2B.3:
5
C.5:
3D.1:
3
2.用P=
求出“220V40W”电灯泡的电阻为1210Ω,而用欧姆表测得其电阻只有90Ω.下列说法正确的是()
A.同一个电阻的阻值相差如此悬殊是不正常的,一定是测错了
B.两个阻值相差悬殊是正常的,因为欧姆表测电阻误差大
C.两个阻值相差悬殊是不正常的,可能是出厂时把灯泡的功率标错了
D.两个阻值相差悬殊是正常的,1210Ω是灯泡工作时的电阻,90Ω是常温下的电阻
3.一个标有“220V,60W”的白炽灯泡,加上的电压U由零逐渐增大到220V,在此过程中,电压U和电流I的关系可用图象表示.题中给出的四个图线如图18所示.其中肯定不符合实际的是()
4.某同学研究三种导电元件的伏安特性,他根据实验中所测得的数据,分别绘制了I—U图线,如图19所示,下列说法正确的是()
A.图19(a)的元件可以作为标准电阻使用
B.图19(b)的阻值随电压升高而增大
C.图19(c)的阻值随电压升高而增大
D.只有图19(b)才是可能的
5.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,使用的小灯泡为“6V3W”,其他供选择的器材有:
电压表V1(量程6V,内阻20kΩ)
电流表A1(量程3A,内阻0.2Ω)
电流表A2(量程0.6A,内阻1Ω)
变阻器R1(0~1000Ω,0.5A)
变阻器R2(0~20Ω,2A)
学生电源E(6~8V)
开关S及导线若干
实验中,要求在电压表0~6V范围内读取并记录下12组左右不同的电压值U和对应的电流值I,以便作出伏安特性曲线,则上述器材中,电流表应选择,变阻器应选择。
6.一个标有“220V40W”字样的白炽灯泡,在常温下测得其电阻值R1=80Ω,当它正常工作时其电阻应为R2=。
两者之间差别如此大,原因在于。
7.如图20电路中R1=R2=100Ω,是阻值不随温度而变的定值电阻.白炽灯泡L的伏安特性曲线如图21所示I—U图线.电源电动势E=100V,内阻不计.求:
(1)当电键S断开时,灯泡两端的电压和通过灯泡的电流以及灯泡的实际电功率.
(2)当电键S闭合时,灯泡两端的电压和通过灯泡的电流以及灯泡的实际电功率.
8.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,用实验得到如下数据(I和U分别表示小灯泡上的电流和电压):
I/A
0.12
0.21
0.29
0.34
0.34
0.42
0.45
0.47
0.49
0.50
U/V
0.20
0.40
0.60
0.80
1.0
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
(1)在图22中画出实验电路图.可用的器材有:
电压表、电流表、滑线变阻器(变化范围0~10Ω)、电源、小灯泡、电键、导线若干.
(2)在图23中画出小灯泡的U—I曲线.
(3)如果图22实验中用电动势是1.5V,内阻是2.0Ω的电池.问:
将本题中的小灯泡接在该电池两端,小灯泡的实际功率是多少?
9.在研究灯丝电阻与电压关系实验中,用电压表、电流表、滑动变阻器、直流电源和一只灯泡组成一电路,得到几组实验数据,绘出灯泡的I—U图象如图24中实线所示.
(1)灯泡两端电压由3V变为6V时,其电阻改变了Ω.
(2)为完成该实验,请用笔画线代替导线,将图25中实物连接起来.要求滑动变阻器的滑动触头从左向右滑动时,灯泡两端的电压从0开始逐渐增大.
10.为了测定和描绘"220V,40W”白炽电灯灯丝的伏安特性曲线,可以利用调压变压器供电.调压变压器是一种自耦变压器,它只有一组线圈L,绕在闭合的环形铁心上,输入端接在220V交流电源的火线与零线间,输出端有一个滑动触头P,移动它的位置,就可以使输出电压在0~250V之间连续变化,图26画出的是调压变压器的电路图符号.实验室内备有交流电压表、交流电流表、滑动变阻器、开关、导线等实验器材.
(1)在图26中完成实验电路图.
(2)说明按你的实验电路图进行测量,如果电表内阻的影响不能忽略,在电压较高段与电压较低段相比较,哪段的误差更大?
为什么?
(3)如果根据测量结果作出的伏安特性曲线如图27所示,试根据图线确定,把两个完全相同的“220V,40W”白炽电灯串联在220V交流电源的火线与零线间,这两只电灯消耗的总电功率是多大?
【答案与提示】
1.将B图象的横纵坐标互换,反转描出,如图28中的虚线所示.则其与A图象的交点横坐标即为A图象对应的L1两端的电压,L2两端的电压即用220V减去L1两端的电压,U1:
U2=55:
(220-55)=1:
3.所以两灯的实际功率之比为P1:
P2=(IU1):
(IU2)=1:
3.
2.D
3.ACD
4.AB
5.A2R2
6.1210灯泡正常工作时,温度可达摄氏1000多度,而金属丝的电阻率随温度的升高而增大。
7.
(1)40V0.6A24W
(2)26V0.46A12W
8.
(1)如图29
(2)见图30(3)作出U=E-Ir图线,可得小灯泡的工作电流为0.35A,工作电压为0.80V,故小灯泡的实际功率为0.28W
9.
(1)10
(2)滑动变阻器接成分压式,并利用其左半部分与灯泡并联,电流表内接、外接均正确.连接图见图31
10.
(1)如图32所示.开关应安在火线一边,否则将扣分.火线与公共端相连的可不扣分.电流表外接与内接都可以.(本题电源输出电压可调,因此用不着滑动变阻器)
(2)如果采用电流表外接的,电压较高段误差更大,因为电压越高,灯丝电阻越大,由于电压表分流而造成的误差越大;如果采用电流表内接的,电压较低段误差更大,因为电压越小,灯丝电阻越小,由于电流表分压造成的误差越大.
(3)两个相同电灯串联在电路中,每个灯两端的电压都是110V,在图象上找到电压为110V时的电流值是0.22A,每一个灯消耗的功率约为24W,两灯消耗的总功率为48W.因此答案为48W±1W.
实验十二:
测定金属的电阻率
【实验播放】
1、实验目的:
(1)掌握电流表、电压表的使用原则和读数方法,掌握滑动变阻器在电路中的两种常用的连接方式。
(2)学会使用螺旋测微器,并会读螺旋测微器的读数.
(3)理解伏安法测电阻的原理及如何减小误差.
(4)间接测定金属的电阻率.
2、实验原理:
由电阻定律R=
可知,金属的电阻率为ρ=
,因此,测出金属导线的长度l、横截面积S和导线的电阻R,便可求出制成导线的金属的电阻率ρ.
3、实验器材
毫米刻度尺,螺旋测微器,待测金属丝,电压表,电流表,滑动变阻器,干电池(2节),开关,导线若干..
4、实验步骤
(1)用螺旋测微器在金属丝上的三个不同位置上各测直径一次,求出直径d的平均值.
(2)用米尺测量连入电路的金属丝的长度l(以保证其测量长度为有效长度),共测三次,再求出平均值.
(3)依照图1所示的实验线路图,用导线把器材连好(图中的Rx表示待测金属丝),并把滑动变阻器的滑键置于正确的位置.
(4)电路经检查无误后合上开关S,调节变阻器,记录几组合适的U、I值.
(5)断开开关,拆除导线,整理好器材.
5、数据处理
(1)将各测量值记入相应有表格:
①电阻丝的长度
次数
1
2
3
平均值
长度l/(m)
②电阻丝的直径与横截面积
次数
1
2
3
平均值
直径d/(mm)
面积S(mm)2
③电阻的测量(R=
)
次数
电压U
电流I
电阻R
平均值
1
2
3
(2)计算电阻率公式(用所测量的物理量表示):
ρ=
。
(3)计算金属导体的电阻R,可以直接利用公式R=
,算出对应的各组U、I的值所求出的R,最后求R的平均值.也可以用第二种方法,图像法求电阻的平均值,建立U一I坐标,把所测量的数据描点,画出U一I曲线,U一I曲线的斜率,就是金属丝的电阻平均值,在画U一I曲线时应注意U一I曲线应该是一条过原点的直线,所以要让所描的点尽量落在所画的直线上,或均匀分布于线的两侧,对于个别明显偏离直线的点,可以省略掉不予以考虑.
把实验中所测得的l、d及所得到的电阻的平均值代入公式ρ=
即可求得金属丝的电阻率.
6、注意事项
(1)本实验中,电流表应外接法.
(2)闭合开关前一定把滑动变阻器的滑键置于正确的位置.若采用限流式,应把滑片置于阻值最大的位置;若采用分压式,应把滑片置于分出电压为零的那一端.
(3)测R时,应尽量多测几组U、I数据,并使数据变化范围适当大一些.
(4)求R的平均值有两种方法:
第一种是用R=
R算出各次测量值再取平均;第二种是根据测量数据作出U一I图象,然后根据图象的斜率求出电阻.用此法描点时,要合适地选取坐标轴的单位,尽量使各点的距离拉大些.连线时要让尽可能多的点落在直线上,不落在直线上的点均匀分布在直线两侧.个别偏离直线较远的点应舍弃,以减小实验误差.
(5)测金属丝长度时,应先将金属丝连人电路后再测量.
(6)利用螺旋测微器测直径时,要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻线是否露出;可动刻度的读数不要忘记估读一位数字.同时,测金属丝直径时,要选三个不同位置,不同方位测三次取其平均值.
(7)通电时间不宜太长,电流不宜过大.
7、误差分析
(1)测金属丝直径时会出现误差,通过变换不同的位置和角度测量,然后再求平均值方法,达到减小误差的目的;
(2)测金属丝长度时出现的误差,一定要注意到测量的是连入电路中的电阻丝的长度;
(3)电压表、电流表读数时会出现偶然误差;
(4)不论是内接法还是外接法,电压表、电流表内阻对测量结果都会产生影响;本实验中,由于金属丝的电阻不太大,应采用电流表外接法测电阻;
(5)电流过大,通电时间过长,会使电阻丝发热导致电阻发生变化,产生误差;实验中应将电流控制在0.2~0.6A之间.
【试题解析】
例1测定金属电阻率实验中,以下操作中错误的是()
A.用米尺量出金属丝的全长三次,算出其平均值
B.用螺旋测微器在金属丝三个不同部位各测量一次直径,算出平均值
C.用伏安法测电阻时,采用电流表内接电路,多次测量求平均值
D.实验中应保持金属丝的温度不变
解析A选项中应为量出金属丝接入电路中的长度三次,而不应测量全长,故应选A.B选项是对的,测金属丝的直径时,一定要在三个不同位置进行测量然后求其平均值,故不选.C选项中,因为通常情况下,金属导体的电阻很小与电压表内阻相差很大,满足RV>>R的条件,应使用安培表的外接法,以减小误差,故选C。
D选项中要求实验中保持温度不变,则金属导体的电阻率是确定的,如果不断改变温度则电阻率也在不断变化,则测出的ρ就没有大的实际意义了,故不选D.
例2
有一个电阻Rx,其阻值大约是10Ω,请选择适当的器材,以便测量其阻值.可供选择的电路如图2所示.
可供选择的器材是:
电动势4.5V、内阻不计的电源E
量程为5V、内阻10kΩ的电压表V1
量程为3V、内阻6kΩ,的电压表V2
量程为300mA、内阻4Ω的电流表A1
量程为500mA、内阻2Ω的电流表A2
最大阻值20Ω、额定电流1.5A的滑动变阻器Rl
最大阻值500Ω、额定电流0.5A的滑动变阻器R2
开关和若干根导线.
请问应选择哪些器材,以便测量待测电阻的值?
解析
(1)电压表、电流表的选择
因为电源的电动势是4.5V,根据安全性原则,我们不选量程仅3V的电压表V2,而要选择量程5V的电压表V1。
同时,因待测电阻两端的电压最大值是4.5V,所以用电压表V1测量时,可有很多数据超过电压表的半量程.这样结果较为精确,也符合精确性原则.因为测量时,最大电流Im=
A=0.45A,所以选符合安全性原则和精确性原则的电流表A2.
(2)滑动变阻器的选择
因为测量时,最大电流为Im=0.45A,没有超过两个滑动变阻器的额定电流,根据安全性原则,两个滑动变阻器都可以选用.
如果选用变阻器及R1,其值大约是待测电阻值的两倍,可以使待测电阻上的电压从1.5V变化到4.5V,范围足够大.如果选用变阻器R2,可以使待测电阻上的电压变化范围更大.它们都符合精确性原则.
但是变阻器R2的阻值是待测电阻的50倍,在实际操作过程中,用它调节电流跳跃性大,远不如变阻器R1好操作.按照简便性原则,我们选用变阻器R1。
(3)电路的选择(电流表内外接法的选择)
当用电流表外接法如图2(a)时,电流表测量结果将比待测电阻中的电流
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- 02 第三 学生 实验