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2021届高考物理粤教版一轮学案:第八章实验九描绘小电珠的伏安特性曲线
展开实验九 描绘小电珠的伏安特性曲线
一、基本原理与操作
原理电路图 | 操作要领 |
(1)电路:电流表外接;滑动变阻器采用分压式接法 (2)连接电路:用导线进行实物连线 (3)测量与记录:移动滑动变阻器滑片位置,测出12组左右不同的电压值U和电流值I,填入自己设计的表格中 (4)画图象:画I-U图线,I-U图象为曲线(温度升高,灯丝电阻增大) |
二、数据处理
(1)在坐标纸上以U为横轴,以I为纵轴,建立坐标系。
(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,就得到小电珠的伏安特性曲线。
注意事项
1.电流表外接法:本实验中被测小电珠灯丝的电阻值较小,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
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。
教材原型实验
命题角度 仪器选择及电路设计
【例1】 有一个小灯泡上标有“4 V 2 W”的字样,现在要用伏安法描绘这个小灯泡的I-U图线。有下列器材供选用:
A.电压表(0~5 V,内阻约10 kΩ)
B.电压表(0~10 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(5 Ω,1 A)
F.滑动变阻器(500 Ω,0.2 A)
(1)实验中电压表应选用________,电流表应选用________。为使实验误差尽量减小,要求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)。
(2)请在方框内画出满足实验要求的电路图,并把图1中所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图。
图1
解析 (1)因小灯泡的额定电压为4 V,所以电压表应选用A,小灯泡的额定电流I==0.5 A,所以电流表应选用D;小灯泡正常工作时的电阻为R==8 Ω,
因为>Rx,Rx为小电阻,电流表应采用外接法,要求电压从零开始变化,故滑动变阻器采用分压接法,为便于调节,滑动变阻器应选用E。
(2)电路图和实物图如图所示。
答案 (1)A D E (2)见解析
拓展训练1 (2019·凉山市一诊)某同学在实验室把滑动变阻器与一只“3 V 0.9 W”的小灯泡L及开关S按图2接在电动势为3 V的电源上。
图2
(1)当S闭合时,灯泡发光。若将滑片P向右滑动,灯泡将________。
A.变暗 B.变亮
C.亮度不变 D.可能烧坏
(2)继续探究该小灯泡在不同电压下的电阻值及功率变化,有下列器材供选用:
电流表G:满偏电流10 mA,内阻r1=30 Ω;
电压表V:量程3 V,内阻约2 kΩ;
标准电阻R1:阻值4 Ω;
标准电阻R2:阻值1 Ω;
滑动变阻器R3:阻值范围为0~10 Ω;
学生电源:电动势4 V;
开关S及导线若干。
为了准确地测出小灯泡从0开始在不同电压下的阻值,标准电阻应选________(填器材符号)。
(3)在图中虚线框中画出实验电路图,并在图上标明所选器材代号。
解析 (1)当S闭合时,灯泡发光。若将滑片P向右滑动,阻值变小,故灯变亮,选项B正确。
(2)小灯泡参数,“3 V 0.9 W” 可知其电阻约为10 Ω,额定电流约为0.3 A。电流表G的满偏电流10 mA,量程太小,故把电流表G,改装为大量程电流表。选标准电阻R2时,量程为10 mA+ mA=310 mA=0.31 A。改装后的量程扩大了31倍,较为合适,故选择标准电阻R2。
(3) 继续探究该小灯泡在不同电压下的电阻值及功率变化,要求电压、电流从0开始调节,故滑动变阻器采用分压式。由于改装后的电流表内阻已知,故用内接法。电路如图所示。
答案 (1)B (2)R2 (3)见解析
命题角度 数据处理及实验结果的应用
【例2】 (2017·全国Ⅰ卷,23)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,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3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”),灯丝的电阻率________(填“增大”“不变”或“减小”)。
(3)用另一电源E0(电动势4 V,内阻1.00 Ω)和题给器材连接成图4所示的电路,调节滑动变阻器R的阻值,可以改变小灯泡的实际功率。闭合开关S,在R的变化范围内,小灯泡的最小功率为________ W,最大功率为________ W。(结果均保留2位小数)
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,小灯泡正常工作的电阻RL== Ω=11.875 Ω,所以<,故电流表用外接法,如图所示。
(2)由I-U图象知,图象中的点与坐标原点连线的斜率在减小,表示灯泡的电阻随电流的增大而增大,根据电阻定律R=ρ知,灯丝的电阻率增大。
(3)当滑动变阻器的阻值最大为9.0 Ω时,电路中的电流最小,灯泡实际功率最小,由E=U+I(R+r)得I=-U+,作出图线①如图所示。
由交点坐标可得U1=1.78 V,I1=221 mA,P1=U1I1=0.39 W;当滑动变阻器电阻值R=0时,灯泡消耗的功率最大,由E=U+I(R+r)得,I=-U+,即I=-U+4,作出图线②如图所示。由交点坐标可得,U2=3.68 V,I2=0.318 A,最大的功率为P2=U2I2=1.17 W。
答案 (1)见解析 (2)增大 增大 (3)0.39 1.17
拓展训练2 如图5是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图。
图5
图6
(1)根据图5在虚线框内画出实验电路图;
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(2)改变滑动变阻器的阻值得到了两组电流表与电压表的示数如图6中的①、②、③、④所示,电流表量程为0.6 A,电压表量程为3 V。所示读数为:①________、②________、③________、④________。两组数据得到的电阻分别为________和________。
解析 (1)由实物连接图可知电路图如图所示。
(2)电流表量程为0.6 A时,最小刻度为0.02 A,读到小数点后两位,所以①表示数为0.10 A,②表示数为0.24 A;电压表量程为3 V,最小刻度为0.1 V,应估读到0.01 V,所以③表示数为2.00 V,④表示数为0.27 V,根据欧姆定律R1===8.3 Ω,R2== Ω=2.7 Ω。
答案 (1)见解析图 (2)①0.10 A ②0.24 A ③2.00 V
④0.27 V(0.27±0.01均可);8.3 Ω(8.3±0.1均可) 2.7 Ω(2.7±0.1均可)
实验拓展创新
命题角度 测小灯泡的额定功率
【例3】 (2019·4月浙江选考,18)小明想测额定电压为2.5 V的小灯泡在不同电压下的电功率,设计了如图7甲所示的电路。
图7
(1)在实验过程中,调节滑片P,电压表和电流表均有示数但总是调不到零,其原因是________的导线没有连接好(图中用数字标记的小圆点表示接线点,空格中请填写图中的数字,如“7点至8点”);
(2)正确连好电路,闭合开关,调节滑片P,当电压表的示数达到额定电压时,电流表的指针如图乙所示,则电流为________A,此时小灯泡的功率为________W;
(3)做完实验后,小明发现在实验报告上漏写了电压为1.00 V时通过小灯泡的电流,但在草稿纸上记录了下列数据,你认为最有可能的是________。
A.0.08 A B.0.12 A C.0.20 A
解析 (1)根据题意可知,1点至4点的导线没有连接好,使得滑动变阻器的分压接法变为限流接法。
(2)根据读数规则,电流表的读数为0.30 A,此时小灯泡的功率P=UI=0.75 W。
(3)电压较小时,灯丝温度不高,故阻值比电压较大时的阻值要小,根据I=可知,C可能正确。
答案 (1)1点至4点 (2)0.30 0.75 (3)C
命题角度 描绘其他物理量变化的曲线
【例4】 (2019·全国Ⅱ卷,23)某小组利用图8(a)所示的电路,研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系,图中和为理想电压表;R为滑动变阻器,R0为定值电阻(阻值100 Ω);S为开关,E为电源。实验中二极管置于控温炉内,控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出。图(b)是该小组在恒定电流为50.0 μA时得到的某硅二极管U-t关系曲线。回答下列问题:
图8
(1)实验中,为保证流过二极管的电流为50.0 μA,应调节滑动变阻器R,使电压表的示数为U1=________mV;根据图(b)可知,当控温炉内的温度t升高时,硅二极管正向电阻________(填“变大”或“变小”),电压表示数________(填“增大”或“减小”),此时应将R的滑片向________(填“A”或“B”)端移动,以使示数仍为U1。
(2)由图(b)可以看出U与t成线性关系。硅二极管可以作为测温传感器,该硅二极管的测温灵敏度为=________×10-3 V/℃(保留2位有效数字)。
解析 (1)、是理想电压表,则R0与硅二极管串联,电流相等,R0两端电压U1=IR0=50.0×10-6×100 V=5.00×10-3 V=5.00 mV。
由U-t图象知:控温炉内温度升高,硅二极管两端电压U2变小,又I=50.0 μA不变,故硅二极管正向电阻变小;当控温炉内温度升高时,硅二极管电阻变小,反过来影响电路中电流,由闭合电路欧姆定律知,电路中电流增大,示数增大;要保持示数不变,需增大滑动变阻器的阻值,即滑片向B端移动。
(2)由U-t图象的斜率可知
= V/℃=2.8×10-3 V/℃。
答案 (1)5.00 变小 增大 B (2)2.8
拓展训练3 (2018·全国Ⅰ卷,23)某实验小组利用如图9(a)所示的电路探究在25 ℃~80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有:置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT,其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω;电源E(6 V,内阻可忽略);电压表(量程150 mV);定值电阻R0(阻值20.0 Ω),滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω);电阻箱R2(阻值范围0~999.9 Ω);单刀开关S1,单刀双掷开关S2。
实验时,先按图(a)连接好电路,再将温控室的温度t升至80.0 ℃。将S2与1端接通,闭合S1,调节R1的滑片位置,使电压表读数为某一值U0;保持R1的滑片位置不变,将R2置于最大值,将S2与2端接通,调节R2,使电压表读数仍为U0;断开S1,记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t,得到相应温度下R2的阻值,直至温度降到25.0 ℃。实验得到的R2-t数据见下表。
t/℃ | 25.0 | 30.0 | 40.0 | 50.0 | 60.0 | 70.0 | 80.0 |
R2/Ω | 900.0 | 680.0 | 500.0 | 390.0 | 320.0 | 270.0 | 240.0 |
回答下列问题:
(1)在闭合S1前,图(a)中R1的滑片应移动到________(填“a”或“b ”)端;
(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点,并做出R2-t曲线;
图9
(3)由图(b)可得到RT在25 ℃~80 ℃范围内的温度特性曲线。当t=44.0 ℃时,可得RT=________ Ω;
(4)将RT握于手心,手心温度下R2的相应读数如图(c)所示,该读数为________ Ω,则手心温度为________ ℃。
解析 (1)题图(a)的电路滑动变阻器采用限流接法,在闭合S1前,R1应该调节到接入电路部分的阻值最大,使电路中电流最小,即题图(a)中R1的滑片应移到b端。
(2)将t=60 ℃和t=70 ℃对应的两组数据画在坐标图上,然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2-t曲线。
(3)根据题述实验过程可知,测量的R2的数据等于对应的热敏电阻RT的阻值。由画出的R2-t曲线可知,当t=44.0 ℃ 时,对应的RT=450 Ω。
(4)由图(b)知R2=620.0 Ω,由画出的R2-t曲线可知,当R2=620.0 Ω时,手心温度t=33.0 ℃。
答案 (1)b (2)如图 (3)450 (4)620.0 33.0
拓展训练4 (2019·嘉兴期末)小洪同学要探究一废旧日光灯灯丝(如图10所示)的伏安特性曲线。
图10
(1)小洪同学要完成该实验,为了得到较大范围的数据,滑动变阻器的接法应选择图11中的________(选填“甲”或“乙”)。
图11
经过正确操作并描点作图,最终得到灯丝的伏安特性曲线如图12所示。
图12
(2)如图13所示,把灯丝与电流表(量程为0.6 A)串联在合适的电源上,此时电流表读数为________A。
(3)若在图13操作过程中用打火机(图中未画出)的火焰煅烧灯丝,则可结合图12判断电流表指针所处位置可能是图14中的________(选填“甲”或“乙”)。
解析 (1)为了得到较大范围的数据,滑动变阻器应采用分压式接法,即应选择甲图。
(2)电流表量程为0.6 A,则读数为0.24 A。
(3)若在操作过程中用打火机的火焰煅烧灯丝,则灯丝温度升高,电阻变大,电流减小,故电流表指针所处位置可能是乙图。
答案 (1)甲 (2)0.24 (3)乙