高中物理教科版 (2019)必修 第三册5 实验:描绘I-U特性曲线学案
展开实验:描绘IU特性曲线
学习目标:
1.进一步掌握滑动变阻器的两种接法与电流表内接法、外接法的选择。
2.能根据需要正确选择测量仪器及电表量程。
3.会根据所得的实验数据分析小灯泡的伏安特性曲线,并进行相关分析。
4.尝试进行实验误差的分析,了解测量中减小误差的方法。
一、实验原理与方法
用电流表测出流过小灯泡的电流,用电压表测出小灯泡两端的电压,测出多组(I,U)值,在IU坐标系中描出各对应点,用一条平滑的曲线将这些点连起来,即得小灯泡的伏安特性曲线,电路图如图所示。
二、实验器材
学生电源(4~6 V直流)或电池组、小灯泡(“4 V 0.7 A”或“3.8 V 0.3 A”)、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,按图所示的电路图连接好实物图。(注意开关应断开,滑动变阻器与小灯泡并联部分电阻为零)
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。
四、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。
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.结果:描绘出的小灯泡灯丝的伏安特性曲线不是直线,而是向横轴弯曲的曲线。
5.分析:灯泡灯丝的电阻随温度变化而变化。曲线向横轴弯曲,即曲线上的点与原点的连线的斜率变小,电阻变大,说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大。
五、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。
六、注意事项
1.因IU图线是曲线,本实验要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IU图线时纵轴、横轴的标度要适中,使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,个别偏离较远的点应舍去。
【例1】 一个小灯泡上标有“4 V 0.5 A”的字样,现在要用伏安法描绘这个灯泡的IU图线。现有下列器材供选择:
A.电压表(0~5 V,内阻约10 kΩ)
B.电压表(0~15 V,内阻约20 kΩ)
C.电流表(0~3 A,内阻约1 Ω)
D.电流表(0~0.6 A,内阻约0.4 Ω)
E.滑动变阻器(10 Ω,2 A)
F.滑动变阻器(500 Ω,1 A)
G.电源(直流6 V)、开关、导线若干
甲 乙
(1)实验时,选用图中________(填“甲”或“乙”)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)把图所示的实验器材用实线连接成实物电路图。
[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)小灯泡额定电压为4 V,因15 V的量程太大,读数误差大,则电压表选0~5 V的A而舍弃0~15 V的B。小灯泡的额定电流I=0.5 A,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8 Ω,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,选用E。
(3)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=1 250倍,故电流表应选用外接法。
[答案] (1)甲 描绘灯泡的IU图线所测数据需从零开始,并要多测几组数据
(2)A D E
(3)如图所示
【例2】 图甲为“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图,已知小灯泡的额定电压为3 V。
甲 乙
丙
(1)在图乙方框图中画出与实物电路相对应的电路图。
(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,滑片应停留在滑动变阻器的最________(选填“左”或“右”)端;
②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;
③记录如下8组U和I的数据,断开开关。根据实验数据在图丙方格纸上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 |
小灯泡发光情况 | 不亮 微亮 逐渐变亮 正常发光 |
(3)数据分析:
①从图线上可以得知,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的升高而________。
③小灯泡正常工作时的电阻约为________。(保留到小数点后一位)
[解析] (1)与实物电路相对应的电路图如图(a)所示。
(a)
(2)①为保护实验器材,开关闭合之前,题图甲中滑动变阻器的滑片应该置于最左端。
③根据表格中的数据,画出小灯泡的IU图线如图(b)所示。
(b)
(3)①从图线上可以得知,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的升高而增大。
③电压U=3 V时,I=0.205 A,所以小灯泡正常工作时的电阻R= Ω≈14.6 Ω。
[答案] (1)见解析图(a) (2)①左 ③见解析图(b) (3)①先不变,后逐渐增大 ②增大 ③14.6 Ω
1.现要测定一个铭牌上标有“3 V,0.4 A”的小灯泡的伏安特性曲线,要求所测电压范围为0~3 V。现有器材:
直流电源E(电动势4.5 V,内阻不计)
电压表V1(量程3 V,内阻约为3 kΩ)
电压表V2(量程15 V,内阻约为15 kΩ)
电流表A1(量程200 mA,内阻约为2 Ω)
电流表A2(量程400 mA,内阻约为1 Ω)
滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)
开关S,导线若干。
(1)如果既要满足测量要求,又要测量误差较小,应该选用的电压表是________(填“V1”或“V2”),选用的电流表是________(填“A1”或“A2”)。
(2)将测量小灯泡电阻的实验电路图画在方框内,并在图中标明各元件的符号。
[解析] (1)灯泡的额定电压为3 V,则电压表选V1;小灯泡的额定电流I=0.4 A=400 mA,故电流表应选量程为400 mA的A2;
(2)小灯泡的电阻R==7.5 Ω,由于R≪RV1,故应选电流表外接法,滑动变阻器采用分压式接法,电路图如图所示。
[答案] (1)V1 A2 (2)见解析图
2.为描绘小灯泡的伏安特性曲线,实验室备有下列器材:
A.小灯泡(额定电压6 V,额定电流600 mA)
B.电流表(量程0~0.6 A,内阻约为0.5 Ω)
C.电流表(量程0~3 A,内阻约为0.1 Ω)
D.电压表(量程0~6 V,内阻约为10 kΩ)
E.滑动变阻器R1(0~10 Ω,2 A)
F.滑动变阻器R2(0~100 Ω,1.5 A)
G.直流电源E(约6 V)
H.开关、导线若干
(1)实验中电流表应选用________,滑动变阻器应选用______。(填器材前的字母代号)
(2)请用笔画线代替导线,将图甲电路连接完整。
甲
乙
(3)实验电路连接正确,闭合开关,从最左端向最右端调节滑动变阻器滑片,记录电流表和电压表相应示数,根据实验数据在坐标系中描点,如图乙所示,则电路发生的故障是__________________________________________________
____________________________________________________________________。
[解析] (1)由于小灯泡的额定电流为600 mA=0.6 A,因此电流表选用;由于滑动变阻器采用分压式接法,为了调节方便,应选用最大阻值较小的滑动变阻器,即选用R1。
(3)闭合开关以后,调节滑动变阻器的滑片从最左端向最右端移动的过程中,由题图乙的描点可以看出,电压调节范围小且没有从零开始变化,由此可以判断电源负极与滑动变阻器左下接线柱间的电路断路,使电路变成了限流电路。
[答案] (1)B E (2)如图所示 (3)电源负极和滑动变阻器左下接线柱间的电路断路
3.某物理学习小组描绘一只小灯泡(2.5 V 0.48 A)的伏安特性曲线,有下列器材供选用:
A.电压表(0~3 V,内阻6 kΩ)
B.电压表(0~15 V,内阻30 kΩ)
C.电流表(0~3 A,内阻0.1 Ω)
D.电流表(0~0.6 A,内阻0.5 Ω)
E.滑动变阻器(0~10 Ω,5 A)
F.滑动变阻器(0~1 kΩ,0.1 A)
G.电源(3 V,内阻不计)
H.开关一个,导线若干。
(1)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)
(2)如图所示,图中有几根导线已经接好,为完成本实验,请用笔画线代替导线,将电路补画完整,要求尽量减小实验误差。
(3)下表中的数据是该小组在实验中测得的,请在坐标纸上补齐未画出的数据点,用“×”表示,并绘出IU图线。根据IU图线可知,该小灯泡灯丝温度升高时,电阻________(填“变大”或“变小”)。
U/V | 0.00 | 0.40 | 0.80 | 1.00 | 1.20 | 1.50 | 1.80 | 2.00 | 2.20 | 2.50 |
I/A | 0.00 | 0.17 | 0.27 | 0.30 | 0.35 | 0.39 | 0.43 | 0.45 | 0.47 | 0.48 |
[解析] (1)灯泡额定电压2.5 V,电压表应选A;灯泡额定电流I=0.48 A,电流表选D;为方便操作,滑动变阻器应选总阻值较小的E。
(2)描绘小灯泡伏安特性曲线,电压与电流应从零开始变化,滑动变阻器应采用分压接法;灯泡正常发光时的电阻较小,故电流表应采用外接法。
(3)根据描点法得出对应的图像如图所示;由图可知,电阻随温度的升高而变大。
[答案] (1)A D E (2)如图所示
(3)如图所示 变大
4.某学习小组通过实验来研究电器元件Z的伏安特性曲线。他们在实验中测得电器元件Z两端的电压与通过它的电流的数据如下表:
U/V | 0.00 | 0.20 | 0.50 | 1.00 | 1.50 | 2.00 | 2.50 | 3.00 |
I/A | 0.000 | 0.050 | 0.100 | 0.150 | 0.180 | 0.195 | 0.205 | 0.215 |
现备有下列器材:
A.内阻不计的6 V电源;
B.量程为0~3 A的内阻可忽略的电流表;
C.量程为0~0.3 A的内阻可忽略的电流表;
D.量程为0~3 V的内阻很大的电压表;
E.阻值为0~10 Ω,额定电流为3 A的滑动变阻器;
F.开关和导线若干。
(1)这个学习小组在实验中的电流表应选________(填器材前面的字母)。
(2)请你从图中的实验电路图中选出最合理的一个________。
A B C D
(3)利用表格中数据绘出的电器元件Z的伏安特性曲线如图所示,分析曲线可知该电器元件Z的电阻随U变大而________(填“变大”“变小”或“不变”);
(4)若把电器元件Z接入如图所示的电路中时,电流表的读数为0.150 A,已知A、B两端电压恒为2 V,则定值电阻R0阻值为________Ω。(结果保留两位有效数字)
[解析] (1)由数据表可知,电路中的最大电流为0.215 A,所以电流表应选择C;
(2)从数据表可知要求电流从零开始变化,所以滑动变阻器应采用分压式接法;由于电流表与电压表均为理想电表,所以电流表采用外接法和内接法都可,故选D;
(3)由IU图像可知,图像上的点与原点连线的斜率越来越小,而IU图像中图像上的点与原点连线的斜率表示电阻的倒数,故可知元件Z的电阻随U的变大而变大;
(4)由IU图像可读出电流I=0.150 A时,对应的电压U2=1.00 V,所以元件Z的电阻为:
RZ=
由电路图可知:R0+RZ=
代入数据解得:R0≈6.7 Ω。
[答案] (1)C (2)D (3)变大 (4)6.7
5.要描绘一个标有“3 V,0.3 A”小灯泡的伏安特性曲线,要求灯泡两端的电压由零逐渐增加,且尽量减小实验误差。已选用的器材除导线、开关外,还有:
电池组(电动势为4.5 V,内阻约为1 Ω)
电流表(量程为0~0.6 A,内阻约为1 Ω)
电压表(量程为0~3 V,内阻约为3 kΩ)
滑动变阻器(最大阻值为20 Ω,额定电流为1 A)
(1)实验电路应选用下列图中的________(填字母代号)。
A B C
(2)按照(1)中选择的电路进行连线,如图甲所示,其中应该去掉的导线是________(选填相应的字母)。
甲 乙
(3)闭合开关前滑动变阻器的滑片应该置于最________端(选填“左”或“右”)。
(4)以电压表的读数U为横轴,以电流表的读数I为纵轴,根据实验得到的多组数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线,如图乙所示。由图可知:随着电压的增大,小灯泡的电阻________(选填“增大”或“减小”)。
[解析] (1)本实验要求小灯泡两端的电压从零逐渐增加,故滑动变阻器应采用分压式接法;由于灯泡内阻较小,因此应采用电流表外接法,故选择B电路。
(2)由题图可知,电压表左侧分别接了两条导线,由于本实验应采用电流表外接法,故应将导线b去掉。
(3)由题图可知,测量部分与滑动变阻器左侧并联,为了让电压从零开始调节,滑片开始时应置于最左端。
(4)IU图像中图线上的点与坐标原点的连线的斜率表示电阻的倒数,则可知,随着电压的升高,小灯泡的电阻增大。
[答案] (1)B (2)b (3)左 (4)增大
6.某同学研究小灯泡的伏安特性。所使用的器材有:小灯泡L(额定电压3.8 V,额定电流0.32 A);电压表(量程3 V,内阻3 kΩ);电流表(量程0.5 A,内阻0.5 Ω);固定电阻R0(阻值1 000 Ω);滑动变阻器R(阻值0~9.0 Ω);电源E(电动势5 V,内阻不计);开关S;导线若干。
(1)实验要求能够实现在0~3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量,在方框内画出实验电路原理图。
(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图所示。
由实验曲线可知,随着电流的增加小灯泡的电阻________(填“增大”“不变”或“减小”)。
[解析] (1)电压表量程为3 V,要求能够实现在0~3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量,需要给电压表串联一个定值电阻扩大量程,题目中要求小灯泡两端电压从零开始,故滑动变阻器用分压式接法,小灯泡的电阻RL== Ω=11.875 Ω,因<,故电流表用外接法,实验电路原理图如图所示。
(2)由IU图像知,随着电流的增加图像中的点与坐标原点连线的斜率在减小,则灯泡的电阻随电流的增加而增大。
[答案] (1)见解析图 (2)增大
7.某同学用下列器材描绘额定电压为3.0 V的小灯泡的伏安特性曲线(要求电压变化从零开始)。
A.电流表(0.6 A,1 Ω)
B.电压表(3 V,1 kΩ)
C.滑动变阻器(10 Ω,1 A)
D.电源(4 V,内阻不计)
甲 乙
丙
(1)请你在图甲的实物连接图中,把还需连接的导线补上。
(2)开关闭合前,滑动变阻器的滑片应置于________端(选填“左”或“右”)。
(3)闭合开关,移动滑动变阻器的滑片,电压表的示数逐渐增大,电流表指针却几乎不动,则电路的故障为__________________。
(4)排除故障后,某次测量时电流表的指针位置如图乙所示,其读数为________ A。
(5)小明完成实验后,由实验数据画出小灯泡的IU图像,如图丙中实线所示,由图可确定小灯泡在电压为2.0 V时的电阻为________ Ω(保留两位有效数字)。
[解析] (1)该实验要求电压从零调节,因此滑动变阻器应采用分压式接法,由于灯泡的电阻很小,因此电流表应采用外接法,由此可连接实物图,如图所示。
(2)开始实验之前,要使滑动变阻器的输出电压为零,根据电路图可知滑动变阻器的滑片应置于左端。
(3)电压表有示数,说明电压表的两个接线柱和电源的两极连接的电路中无断路;电流表指针几乎不动,说明电路中电阻很大,可能是断路了,故出现这种情况的可能性是小灯泡断路。
(4)本实验中电流表选择0.6 A量程,电流表的最小分度为0.02 A,故指针的示数为0.25 A。
(5)根据灯泡的IU图像可知,当灯泡的电压为2.0 V时,灯泡的电流约为0.185 A,因此此时灯泡的电阻R== Ω≈11 Ω。
[答案] (1)见解析图 (2)左 (3)小灯泡断路 (4)0.25 (5)11
高中物理教科版 (2019)必修 第三册5 实验:描绘I-U特性曲线优质学案设计: 这是一份高中物理教科版 (2019)必修 第三册5 实验:描绘I-U特性曲线优质学案设计,共13页。学案主要包含了实验原理与方法,实验器材,实验步骤,数据处理,误差分析,注意事项等内容,欢迎下载使用。
2020-2021学年第二章 电路及其应用4 实验:测量金属的电阻率优质学案: 这是一份2020-2021学年第二章 电路及其应用4 实验:测量金属的电阻率优质学案,共10页。学案主要包含了游标卡尺,螺旋测微器,两种电路的选择,数据处理,误差分析,注意事项等内容,欢迎下载使用。
高考物理一轮复习第8章恒定电流实验9描绘小电珠的伏安特性曲线学案: 这是一份高考物理一轮复习第8章恒定电流实验9描绘小电珠的伏安特性曲线学案,共14页。