高中物理 實驗8 描繪小電珠的伏安特性曲線學(xué)案

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1、 實驗八　描繪小電珠的伏安特性曲線 考綱解讀 1.掌握滑動變阻器的使用方法及連接方式.2.掌握伏安特性曲線的描繪方法.3.理解小電珠的伏安特性曲線為什么不是一條直線． 基本實驗要求 1．實驗原理 (1)測多組小電珠的U、I的值，并繪出I－U圖象； (2)由圖線的斜率反映電流與電壓和溫度的關(guān)系． 2．實驗器材 小電珠“3.8 V,0.3 A”、電壓表“0～3 V～15 V”、電流表“0～0.6 A～3 A”、滑動變阻器、學(xué)生電源、開關(guān)、導(dǎo)線若干、坐標(biāo)紙、鉛筆． 3．實驗步驟 (1)畫出電路圖(如實驗原理圖甲)． (2)將小電珠、電流表、電壓表、滑動變阻器、學(xué)生電源、開關(guān)

2、用導(dǎo)線連接成如實驗原理圖乙所示的電路． (3)測量與記錄 移動滑動變阻器觸頭位置，測出12組左右不同的電壓值U和電流值I，并將測量數(shù)據(jù)填入自己設(shè)計的表格中． (4)數(shù)據(jù)處理 ①在坐標(biāo)紙上以U為橫軸，I為縱軸，建立直角坐標(biāo)系． ②在坐標(biāo)紙上描出各組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的點． ③將描出的點用平滑的曲線連接起來，就得到小電珠的伏安特性曲線． 4．實驗器材選取 (1)原則：①安全；②精確；③操作方便． (2)具體要求 ①電源允許的最大電流不小于電路中的實際最大電流．干電池中電流一般不允許超過0.6 A. ②用電器的額定電流不能小于通過該用電器的實際最大電流． ③電壓表或電流表的量程不能小

3、于被測電壓或電流的最大值． ④電壓表或電流表的指針應(yīng)偏轉(zhuǎn)到滿刻度的以上． ⑤從便于操作的角度來考慮，限流式接法要選用與待測電阻相近的滑動變阻器，分壓式接法要選用較小阻值的滑動變阻器． 規(guī)律方法總結(jié) 1．滑動變阻器的限流式接法和分壓式接法比較 兩種接法的電路圖 負(fù)載R上電壓的調(diào)節(jié)范圍 ≤U≤E 0≤U≤E 負(fù)載R上電流的調(diào)節(jié)范圍 ≤I≤ 0≤I≤ 2.兩種接法的適用條件 (1)限流式接法適合測量阻值較小的電阻(跟滑動變阻器的最大電阻相比相差不多或比滑動變阻器的最大電阻還小)． (2)分壓式接法適合測量阻值較大的電阻(一般比滑動變阻器的最大電阻要大)． 3．注

4、意事項 (1)電路的連接方式： ①電流表應(yīng)采用外接法：因為小電珠(3.8 V,0.3 A)的電阻很小，與量程為0.6 A的電流表串聯(lián)時，電流表的分壓影響很大． ②滑動變阻器應(yīng)采用分壓式接法：目的是使小電珠兩端的電壓能從零開始連續(xù)變化． (2)閉合開關(guān)S前，滑動變阻器的觸頭應(yīng)移到使小電珠分得電壓為零的一端，使開關(guān)閉合時小電珠的電壓能從零開始變化，同時也是為了防止開關(guān)剛閉合時因小電珠兩端電壓過大而燒壞燈絲． (3)I－U圖線在U0＝1.0 V左右將發(fā)生明顯彎曲，故在U＝1.0 V左右繪點要密，以防出現(xiàn)較大誤差． 4．誤差分析 (1)由于電壓表不是理想電表，內(nèi)阻并非無窮大，會帶來誤差，

5、電流表外接，由于電壓表的分流，使測得的電流值大于真實值． (2)測量時讀數(shù)帶來誤差． (3)在坐標(biāo)紙上描點、作圖帶來誤差． 考點一　實驗原理和電路設(shè)計 例1　(2013·天津·9(3))要測繪一個標(biāo)有“3 V　0.6 W”小燈泡的伏安特性曲線，燈泡兩端的電壓需要由零逐漸增加到3 V，并便于操作．乙選用的器材有： 電池組(電動勢為4.5 V，內(nèi)阻約1 Ω)； 電流表(量程為0～250 mA，內(nèi)阻約5 Ω)； 電壓表(量程為0～3 V，內(nèi)阻約3 kΩ)； 電鍵一個、導(dǎo)線若干． ①實驗中所用的滑動變阻器應(yīng)選下列中的________(填字母代號)． A．滑動變阻器(最大阻值20 Ω

6、，額定電流1 A) B．滑動變阻器(最大阻值1 750 Ω，額定電流0.3 A) ②實驗的電路圖應(yīng)選用下列的圖________(填字母代號)． ③實驗得到小燈泡的伏安特性曲線如圖1所示．如果將這個小燈泡接到電動勢為1.5 V、內(nèi)阻為5 Ω的電源兩端，小燈泡消耗的功率是________W. 圖1 解析?、贉y繪小燈泡的伏安特性曲線，要求能較大范圍地測量數(shù)據(jù)，所以控制電路部分應(yīng)用分壓式接法，滑動變阻器應(yīng)用最大阻值較小和額定電流較大的A. ②因為小燈泡兩端的電壓由零逐漸增加到3 V，故滑動變阻器應(yīng)采用分壓式接法．燈泡的電阻R＝＝15 Ω，額定電流I＝＝0.2 A，由R＝15 Ω<＝

7、 Ω，依據(jù)公式法“大內(nèi)小外”的原則，可知電流表應(yīng)采用外接法，故選B. ③在燈泡的I－U圖上作出電源的I－U圖線，交點坐標(biāo)即為這個電源給這個燈泡供電時的電壓和電流，此時P燈＝IU＝0.1×1 W＝0.1 W. 答案?、貯?、贐　③0.1 變式題組 1．[實驗原理與電路設(shè)計]在“描繪小電珠的伏安特性曲線”實驗中，除有一標(biāo)有“6 V　1.5 W”的小燈泡、導(dǎo)線和開關(guān)外，還有： A．直流電源6 V(內(nèi)阻不計) B．直流電流表0～3 A(內(nèi)阻0.1 Ω以下) C．直流電流表0～300 mA(內(nèi)阻約為5 Ω) D．直流電壓表0～10 V(內(nèi)阻約為15 kΩ) E．滑動變阻器10 Ω，

8、2 A F．滑動變阻器1 kΩ，0.5 A 實驗要求小電珠兩端的電壓從零開始變化并能進行多次測量． (1)實驗中電流表應(yīng)選用________，滑動變阻器應(yīng)選用________(均用序號表示)． (2)在虛線框內(nèi)畫出實驗電路圖． (3)試將圖2所示器材連成實驗電路． 圖2 答案　(1)C　E　(2)實驗電路圖如圖所示 (3)實物圖連線如圖所示 解析　(1)I額＝ A＝250 mA，故電流表應(yīng)選C.因要求小電珠兩端的電壓從零開始變化，滑動變阻器用分壓式接法，應(yīng)選較小阻值的E. 2．[電路設(shè)計]某實驗小組的同學(xué)在學(xué)校實驗室中發(fā)現(xiàn)一電學(xué)元件，該電學(xué)元件上標(biāo)有

9、“最大電流不超過6 mA，最大電壓不超過7 V”，同學(xué)們想通過實驗描繪出該電學(xué)元件的伏安特性曲線，他們設(shè)計的一部分電路如圖3所示，圖中定值電阻R＝1 kΩ，用于限流；電流表量程為10 mA，內(nèi)阻約為5 Ω；電壓表(未畫出)量程為10 V，內(nèi)阻約為10 kΩ；電源電動勢E為12 V，內(nèi)阻不計． 圖3 (1)實驗時有兩個滑動變阻器可供選擇： A．阻值0～200 Ω，額定電流0.3 A B．阻值0～20 Ω，額定電流0.5 A 應(yīng)選擇的滑動變阻器是________(填“A”或“B”)． 正確接線后，測得數(shù)據(jù)如下表： 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10、 U/V 0.00 3.00 6.00 6.16 6.28 6.32 6.36 6.38 6.39 6.40 I/mA 0.00 0.00 0.00 0.06 0.50 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 (2)由以上數(shù)據(jù)分析可知，電壓表并聯(lián)在M與________之間(填“O”或“P”) (3)將電路圖在虛線框中補充完整． (4)從表中數(shù)據(jù)可知，該電學(xué)元件的電阻特點是：______________________________ __________________________________________________

11、______________________. 答案　(1)B　(2)P (3)如圖所示 (4)當(dāng)元件兩端的電壓小于6 V時，元件的電阻非常大，不導(dǎo)電；當(dāng)元件兩端的電壓大于6 V時，隨著電壓的升高元件的電阻變小 解析　(1)利用分壓式接法時，應(yīng)選擇最大阻值較小的滑動變阻器，這樣便于調(diào)節(jié)．(2)從表中數(shù)據(jù)看，由于被測元件的電阻大約為1 kΩ以上，對照電壓表、電流表的內(nèi)阻，應(yīng)用電流表內(nèi)接法，電壓表應(yīng)并聯(lián)在M與P之間．(4)從表中數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)元件兩端的電壓小于6 V時，元件的電阻非常大，不導(dǎo)電；當(dāng)元件兩端的電壓大于6 V時，隨著電壓的升高元件的電阻變?。? 電學(xué)實驗電路設(shè)計的思路

12、與方法 1．首先應(yīng)明確題目的要求，看清題目要求測定什么物理量，驗證、探究什么物理規(guī)律，或要求設(shè)計達(dá)到何種標(biāo)準(zhǔn)的電路等．其設(shè)計原則是：安全、方便、經(jīng)濟． 2．在測量電路中，一般有電流表內(nèi)接和外接兩種方法，對于給定電表內(nèi)阻的情況，應(yīng)先比較R0與待測電阻Rx的關(guān)系，其中R0＝，若Rx>R0，則設(shè)計為電流表內(nèi)接法；若Rx

13、流表(或電壓表)的量程，或超過待測電阻的額定電流(或額定電壓)，則必須選用分壓式接法． (2)若待測電阻的阻值比滑動變阻器的最大電阻大得多，以致在限流電路中，滑動變阻器的滑片從一端滑到另一端時，待測電阻上的電流或電壓變化范圍不夠大，此時，應(yīng)改用分壓式接法． (3)若實驗中要求測量電路中電壓從零開始變化，則必須采用分壓式接法． (4)兩種電路均可使用的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用限流式接法，因為限流式接法電路簡單、耗能低． 考點二　實驗數(shù)據(jù)處理與分析 例2　物理興趣小組的同學(xué)們從實驗室中找到一只小燈泡，其標(biāo)稱功率值為0.75 W，額定電壓值已模糊不清．他們想測定其額定電壓值，于是先用歐姆表直接測

14、出該小燈泡的電阻約為2 Ω，然后根據(jù)公式計算出該小燈泡的額定電壓U＝＝ V＝1.22 V．他們懷疑所得電壓值不準(zhǔn)確，于是，再利用下面可供選擇的實驗器材設(shè)計一個電路，測量通過小燈泡的電流和它兩端的電壓并根據(jù)測量數(shù)據(jù)來繪制小燈泡的U－I圖線，進而分析小燈泡的額定電壓． A．電壓表V(量程3 V，內(nèi)阻約3 kΩ) B．電流表A1(量程150 mA，內(nèi)阻約2 Ω) C．電流表A2(量程500 mA，內(nèi)阻約0.6 Ω) D．滑動變阻器R1(0～20 Ω) E．滑動變阻器R2(0～100 Ω) F．電源E(電動勢4.0 V，內(nèi)阻不計) G．開關(guān)S和導(dǎo)線若干 H．待測小燈泡L(額定功率0.7

15、5 W，額定電壓未知) (1)在下面所給的虛線框中畫出他們進行實驗的電路原理圖，指出上述器材中，電流表選擇________(填“A1”或“A2”)；滑動變阻器選擇________(填“R1”或“R2”)． (2)在實驗過程中，該同學(xué)將小燈泡兩端的電壓由零緩慢地增加，當(dāng)電壓達(dá)到1.23 V時，發(fā)現(xiàn)小燈泡亮度很暗，當(dāng)達(dá)到2.70 V時，發(fā)現(xiàn)小燈泡已過亮，便立即斷開開關(guān)，并將所測數(shù)據(jù)記錄在下邊表格中. 次數(shù) 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

16、255 279 310 請你根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)在圖4中作出燈泡的U－I圖線． 圖4 (3)由圖象得出該燈泡的額定電壓應(yīng)為________V；這一結(jié)果大于1.23 V，其原因是________________________________________________________________________． 解析　(1)根據(jù)P＝I2R，估算出燈泡的電流大約是600 mA，因此電流表應(yīng)選A2；本實驗要描繪出燈泡的U－I圖線，需要測量多組數(shù)據(jù)，因此滑動變阻器應(yīng)采用分壓式接法，所以應(yīng)選阻值較小的R1；小燈泡電阻較小，電流表應(yīng)外接． (2)如圖所示 (3)由P＝UI＝

17、0.75 W，再結(jié)合圖象可知U額＝2.5 V；小燈泡的額定電壓大于1.23 V的原因是小燈泡的冷態(tài)電阻小于正常工作時的電阻． 答案　(1)電路原理圖如圖所示　A2　R1 (2)見解析圖 (3)2.5(2.4～2.6均可)　小燈泡的冷態(tài)電阻小于正常工作時的電阻(或小燈泡的電阻隨溫度的升高而變大) 變式題組 3．[電路連接和實驗數(shù)據(jù)處理]為了測量一個標(biāo)有“12 V　5 W”的小燈泡在不同電壓下的功率，給定了以下器材： 電源：12 V，電阻不計； 電流表：0～0.6 A,0～3 A，內(nèi)阻可忽略； 電壓表：0～3 V,0～15 V，內(nèi)阻很大； 滑動變阻器：阻值范圍0～20 Ω，允

18、許通過的最大電流為1 A； 開關(guān)一個，導(dǎo)線若干． 實驗時要求加在小燈泡兩端的電壓可從0調(diào)到12 V. (1)將圖5甲中的實物圖連接完整． 圖5 (2)某位同學(xué)測得小燈泡的伏安特性曲線如圖乙所示，某次測量時，通過小燈泡的電流大小為0.40 A，則此時加在它兩端的電壓為________V，此時小燈泡的實際功率為________ W. 答案　(1)見解析　(2)6　2.4 解析　(1)由于要求小燈泡兩端的電壓可從0調(diào)到12 V，故滑動變阻器應(yīng)采用分壓式接法．又因電流表內(nèi)阻可忽略，則電流表采用內(nèi)接法、外接法均可以，實物連接如圖． (2)由I－U圖線得，當(dāng)I＝0.40 A時，U＝

19、6 V，故小燈泡的實際功率為P＝IU＝2.4 W. 4．[實驗數(shù)據(jù)的處理與分析]在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗中，要測量一個標(biāo)有“3 V　1.5 W”的小燈泡兩端的電壓和通過它的電流，現(xiàn)有如下器材： A．直流電源3 V(內(nèi)阻可不計) B．直流電流表0～600 mA(內(nèi)阻約為0.5 Ω) C．直流電壓表0～3 V(內(nèi)阻約3 kΩ) D．滑動變阻器(10 Ω，1 A) E．滑動變阻器(1 kΩ，300 mA) F．開關(guān)、導(dǎo)線若干 (1)本實驗中滑動變阻器選用________(填“D”或“E”) (2)下表中的各組數(shù)據(jù)是該同學(xué)在實驗中測得的，根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)在如圖6所示的坐標(biāo)紙

20、上作出該小燈泡的伏安特性曲線． U/V I/A 0 0 0.5 0.17 1.0 0.30 1.5 0.39 2.0 0.45 2.5 0.49 圖6 (3)如圖7所示，將兩個這樣的小燈泡并聯(lián)后再與阻值為5 Ω的定值電阻R0串聯(lián)，接在電壓恒定為4 V的電路上，每個小燈泡的實際功率為________W. 圖7 答案　(1)D　(2)見解析圖　(3)0.3 解析　(1)實驗中需測量多組數(shù)據(jù)，滑動變阻器用分壓式接法，為了調(diào)節(jié)方便，滑動變阻器用阻值較小的，故選D； (2)描點畫圖，如圖所示 (3)設(shè)小燈泡兩端的電壓為U，電流為I，根據(jù)閉合電路歐姆定

21、律得：U0＝U＋2IR0，所以U＝－2R0I＋U0，代入數(shù)據(jù)得U＝－10I＋4，在小燈泡的伏安特性曲線同一坐標(biāo)系上畫出該直線，其交點(U，I)即為小燈泡的實際電壓、電流值，可得小燈泡消耗的實際功率P＝UI＝0.3 W. 考點三　實驗拓展與創(chuàng)新 例3　二極管是一種半導(dǎo)體元件，電路符號為，其特點是具有單向?qū)щ娦裕硨嶒炐〗M要對一只二極管正向接入電路時的伏安特性曲線進行測繪探究．據(jù)了解，該二極管允許通過的最大電流為50 mA. (1)該二極管外殼的標(biāo)識模糊了，同學(xué)們首先用多用電表的歐姆擋來判斷它的正、負(fù)極：當(dāng)將紅表筆接觸二極管的左端、黑表筆接觸二極管的右端時，發(fā)現(xiàn)指針的偏角比較小，當(dāng)交換表筆再

22、次測量時，發(fā)現(xiàn)指針有很大偏轉(zhuǎn)，由此可判斷____ (填“左”或“右”)端為二極管的正極． (2)實驗探究中他們可選器材如下： A．直流電源(電動勢3 V，內(nèi)阻不計) B．滑動變阻器(0～20 Ω) C．電壓表(量程15 V、內(nèi)阻約80 kΩ) D．電壓表(量程3 V、內(nèi)阻約30 kΩ) E．電流表(量程0.6 A、內(nèi)阻約1 Ω) F．電流表(量程50 mA、內(nèi)阻約50 Ω) G．待測二極管 H．導(dǎo)線、開關(guān) 為了提高測量精度，電壓表應(yīng)選用________，電流表應(yīng)選用________．(填字母序號) (3)實驗中測得的數(shù)據(jù)如下表，請在圖8坐標(biāo)紙上畫出該二極管的伏安特性曲線.

23、 電流I/mA 0 0 0.2 1.8 3.9 8.6 14.0 21.8 33.5 50.0 電壓U/V 0 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 圖8 (4)同學(xué)們將該二極管與阻值為100 Ω的定值電阻串聯(lián)后接到輸出電壓恒為3 V的電源兩端，則二極管導(dǎo)通時定值電阻的功率為________ W. 解析　(1)調(diào)到歐姆擋時，在多用電表的內(nèi)部，電源的正極是接在黑表筆上，負(fù)極是接在紅表筆上； (2)電源電壓只有3 V，所以電壓表選D；二極管允許通過的最大電流為50 mA，所以電流表選F.

24、(4)在圖中畫出阻值為100 Ω的定值電阻的伏安特性圖象，從圖中找出兩圖象電流相同且電壓之和等于3 V時的電流值大約是13 mA，則定值電阻的功率P＝I2R≈0.017 W. 答案　(1)左　(2) D　F　(3)伏安特性曲線如圖所示 (4)0.017(在0.015～0.019范圍內(nèi)均可) 拓展題組 5．[實驗創(chuàng)新]2013年12月14日晚上9點14分左右嫦娥三號月球探測器平穩(wěn)降落在月球虹灣，并在4分鐘后展開太陽能電池帆板．這是中國航天器第一次在地外天體成功軟著陸，中國成為繼美國、前蘇聯(lián)之后第三個實現(xiàn)月面軟著陸的國家．太陽能電池在有光照時，可以將光能轉(zhuǎn)化為電能，在沒有光照時，可以視

25、為一個電學(xué)器件．某實驗小組用測繪小燈泡伏安特性曲線的實驗方法，探究一個太陽能電池在沒有光照時(沒有儲存電能)的I－U特性．所用的器材包括：太陽能電池，電源E，電流表A，電壓表V，滑動變阻器R，開關(guān)S及導(dǎo)線若干． (1)為了達(dá)到上述目的，應(yīng)選用圖9中的哪個電路圖：________(填“甲”或“乙”)． 圖9 圖10 (2)該實驗小組根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)，描點繪出了如圖10所示的I－U圖象．由圖可知，當(dāng)電壓小于2.0 V時，太陽能電池的電阻________(填“很大”或“很小”)；當(dāng)電壓為2.8 V時，太陽能電池的電阻約為________Ω.(保留兩位有效數(shù)字) 答案　(1)甲　(

26、2)很大　1.0×103 6．[實驗拓展](2013·江蘇單科·10)為探究小燈泡的電功率P和電壓U的關(guān)系，小明測量小燈泡的電壓U和電流I，利用P＝UI得到電功率，實驗所使用的小燈泡規(guī)格為“3.0 V　1.8 W”，電源為12 V的電池，滑動變阻器的最大阻值為10 Ω. 圖11 (1)準(zhǔn)備使用的實物電路如圖11所示，請將滑動變阻器接入電路的正確位置．(用筆畫線代替導(dǎo)線) (2)現(xiàn)有10 Ω、20 Ω和50 Ω的定值電阻，電路中的電阻R1應(yīng)選________Ω的定值電阻． (3)測量結(jié)束后，應(yīng)先斷開開關(guān)，拆除______兩端的導(dǎo)線，再拆除其他導(dǎo)線，最后整理好器材． (4)小明

27、處理數(shù)據(jù)后將P、U2描點在坐標(biāo)紙上，并作出了一條直線，如圖11所示，請指出圖象中不恰當(dāng)?shù)牡胤剑? 圖12 答案　(1)如圖所示 (2)10　(3)電池　(4)圖線不應(yīng)畫為直線；橫坐標(biāo)的標(biāo)度選擇不合適． 解析　(1)由于電壓調(diào)節(jié)范圍大，因此滑動變阻器用分壓式接法；由于小燈泡的額定電流I＝＝0.6 A，因此電流表選用0.6 A的量程． (2)電路中定值電阻起保護作用，電池的電動勢為12 V，小燈泡的內(nèi)阻為R＝＝ Ω＝5 Ω，因此小燈泡和滑動變阻器并聯(lián)后的最大電阻為 Ω＝ Ω，要使小燈泡兩端的電壓能達(dá)到3 V，由＝可知，R1不能超過10 Ω，所以R1選10 Ω. (3)測量結(jié)束后，應(yīng)先斷開開關(guān)，拆除電池兩端的導(dǎo)線，防止電池出現(xiàn)短路以致被燒毀． (4)由P＝U2知，圖象的斜率是變化的，因此圖線應(yīng)是一條曲線．畫圖線取標(biāo)度時，應(yīng)使點盡可能分布在整個坐標(biāo)紙上，顯然該同學(xué)的橫坐標(biāo)的標(biāo)度選擇不合適． - 13 -