2019年度高考物理一輪復習 第八章 恒定電流 實驗九 描繪小電珠的伏安特性曲線學案.doc

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實驗九　描繪小電珠的伏安特性曲線 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系. 2.實驗器材 小電珠“3.8V,0.3A”、電壓表“0～3V～15V”、電流表“0～0.6A～3A”、滑動變阻器、學生電源、開關、導線若干、坐標紙、鉛筆. 3.實驗步驟 (1)畫出電路圖(如圖1甲所示). 圖1 (2)將小電珠、電流表、電壓表、滑動變阻器、學生電源、開關用導線連接成如圖乙所示的電路. (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，并將測量數據填入自己設計的表格中. (4)數據處理 ①在坐標紙上以U為橫軸，I為縱軸，建立直角坐標系. ②在坐標紙上描出各組數據所對應的點. ③將描出的點用平滑的曲線連接起來，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0.6A. 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于被測電壓或電流的最大值. ④電壓表或電流表的指針應偏轉到滿刻度的以上. 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. 1.注意事項 (1)電路的連接方式： ①電流表應采用外接法：因為小電珠(3.8V,0.3A)的電阻很小，與量程為0.6A的電流表串聯(lián)時，電流表的分壓影響很大. ②滑動變阻器應采用分壓式接法：目的是使小電珠兩端的電壓能從0開始連續(xù)變化. (2)閉合開關S前，滑動變阻器的觸頭應移到使小電珠分得電壓為0的一端，使開關閉合時小電珠的電壓能從0開始變化，同時也是為了防止開關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＝1.0V左右將發(fā)生明顯彎曲，故在U＝1.0V左右繪點要密，以防出現(xiàn)較大誤差. 2.誤差分析 (1)由于電壓表不是理想電表，內阻并非無窮大，會帶來誤差，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)測量時讀數帶來誤差. (3)在坐標紙上描點、作圖帶來誤差. 命題點一　教材原型實驗 例1　(2017全國卷Ⅰ23)某同學研究小燈泡的伏安特性，所使用的器材有：小燈泡L(額定電壓3.8V，額定電流0.32A)；電壓表(量程3V，內阻3kΩ)；電流表(量程0.5A，內阻0.5Ω)；固定電阻R0(阻值1000Ω)；滑動變阻器R(阻值0～9.0Ω)；電源E(電動勢5V，內阻不計)；開關S；導線若干. (1)實驗要求能夠實現(xiàn)在0～3.8V的范圍內對小燈泡的電壓進行測量，畫出實驗電路原理圖. (2)實驗測得該小燈泡伏安特性曲線如圖2(a)所示. 圖2 由實驗曲線可知，隨著電流的增加小燈泡的電阻(填“增大”“不變”或“減小”)，燈絲的電阻率(填“增大”“不變”或“減小”). (3)用另一電源E0(電動勢4V，內阻1.00Ω)和題給器材連接成圖(b)所示的電路，調節(jié)滑動變阻器R的阻值，可以改變小燈泡的實際功率.閉合開關S，在R的變化范圍內，小燈泡的最小功率為W，最大功率為W.(結果均保留兩位小數) 答案　(1)見解析圖　(2)增大　增大　(3)0.39　1.17 解析　(1)電壓表量程為3V，要求能夠實現(xiàn)在0～3.8V的范圍內對小燈泡的電壓進行測量，需要給電壓表串聯(lián)一個定值電阻擴大量程，題目中要求小燈泡兩端電壓從零開始，故滑動變阻器用分壓式接法，小燈泡的電阻RL＝＝Ω＝11.875Ω，因＜，故電流表用外接法，實驗電路原理圖如圖所示. (2)由IU圖象知，圖象中的點與坐標原點連線的斜率在減小，表示燈泡的電阻隨電流的增大而增大，根據電阻定律R＝ρ知，燈絲的電阻率增大. (3)當滑動變阻器的阻值最大為9.0Ω時，電路中的電流最小，燈泡實際功率最小，由E0＝U＋I(R＋r)得U＝－10I＋4，作出圖線①如圖所示. 由交點坐標可得U1＝1.78V，I1＝221mA，P1＝U1I1≈0.39W；當滑動變阻器電阻值R＝0時，燈泡消耗的功率最大，由E0＝U＋I(R＋r)得，I＝－U＋4，作出圖線②如圖所示.由交點坐標可得，U2＝3.70V，I2＝315mA，最大的功率為P2＝U2I2≈1.17W. 變式1　小華和小明在“描繪小燈泡伏安特性曲線”的實驗中，將實驗數據記錄在下表中： 電壓U/V 0.00 0.20 0.40 0.70 1.00 1.30 1.70 2.10 2.50 電流I/A 0.00 0.14 0.24 0.26 0.37 0.40 0.43 0.45 0.46 (1)實驗室有兩種滑動變阻器供選擇： A.滑動變阻器(阻值范圍0～10Ω、額定電流3A) B.滑動變阻器(阻值范圍0～2000Ω、額定電流1A) 實驗中選擇的滑動變阻器是.(填寫字母序號) (2)在圖3甲中用筆畫線代替導線，將實驗電路連接完整. (3)開關閉合前，滑動變阻器的滑片應滑至(選填“左”或“右”)端. (4)利用表中數據，在圖乙中畫出小燈泡的U－I圖線. 圖3 (5)他們在U－I圖象上找到小燈泡工作電壓為2.0V時坐標點，計算此狀態(tài)的電阻值時，小明提出用圖象上該點曲線斜率表示小燈泡的阻值；小華提出該點與坐標原點連線的斜率表示小燈泡的阻值.你認為(選填“小華”或“小明”)的方法正確. 答案　(1)A　(2)見解析圖　(3)左　(4)見解析圖 (5)小華 解析　(1)由于燈泡的電阻大約在幾歐左右，為了便于測量，滑動變阻器選擇0～10Ω的. (2)由于燈泡的電壓和電流從零開始測起，則滑動變阻器采用分壓式接法；電流表采用外接法.實物連線圖如圖甲所示. (3)為了保護測量電路，開關閉合前，滑動變阻器的滑片應滑至最左端. (4)小燈泡的U－I圖線如圖乙所示. (5)根據歐姆定律知，R＝，電阻的大小為該點與坐標原點連線的斜率，故小華正確. 變式2　(2017廣東華南三校聯(lián)考)為探究小燈泡L的伏安特性曲線，提供了以下器材： 小燈泡L：規(guī)格“4.0V　2.8W”； 電流表A1，量程3A，內阻約為0.1Ω； 電流表A2，量程0.6A，內阻r2＝0.2Ω； 電壓表V，量程3V，內阻rV＝9kΩ； 標準電阻R1，阻值1Ω； 標準電阻R2，阻值3kΩ； 滑動變阻器R，阻值范圍0～10Ω； 學生電源E，電動勢6V，內阻不計； 開關S及導線若干. (1)某同學設計了如圖4甲所示的電路來進行測量，閉合開關前，滑動變阻器滑片應置于，當通過L的電流為0.46A時，電壓表的示數如圖乙所示，電壓表的讀數為V，此時L的電阻為Ω. 圖4 (2)要想更準確完整地描繪出L的伏安特性曲線，需要重新設計電路.請你利用所提供器材，在圖5中的虛線框中補畫出實驗電路圖，并在圖上標明所選器材代號. 圖5 (3)根據實驗測得的數據，描繪出小燈泡的伏安特性曲線如圖6，若將該燈泡接到E＝1.5V、r＝3.0Ω的電源兩端，則燈泡實際消耗的功率P＝W.(結果保留兩位有效數字) 圖6 答案　(1)左端　2.30　5 (2)見解析圖 (3)0.18 解析　(1)為保證安全且不損壞電路元件，閉合開關前，滑動變阻器滑片應置于左端.題圖乙電壓表量程為3V，則讀數為2.30V，L的電阻R＝Ω＝5Ω. (2)如圖所示 (3)在圖中畫出電源的I－U圖線，由兩圖象交點可知，燈泡兩端電壓U＝0.9V，電流I＝0.20A，燈泡實際功率P＝0.90.20W＝0.18W. 命題點二　實驗拓展與創(chuàng)新 例2　某實驗小組研究兩個未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括電壓表(內阻約為3kΩ)、電流表(內阻約為1Ω)、定值電阻等. 圖7 (1)使用多用電表粗測元件X的電阻，選擇“1”歐姆擋測量，示數如圖7(a)所示，讀數 為Ω.據此應選擇圖中的(填“(b)”或“(c)”)電路進行實驗； (2)連接所選電路，閉合S；滑動變阻器的滑片P從左向右滑動，電流表的示數逐漸(填“增大”或“減小”)；依次記錄電流及相應的電壓；將元件X換成元件Y，重復實驗； (3)如圖(d)是根據實驗數據作出的U－I圖線，由圖可判斷元件(填“X”或“Y”)是非線性元件； (4)該小組還借助X和Y中的線性元件和阻值R＝21Ω的定值電阻，測量待測電池的電動勢E和內阻r，電路圖如圖(e)所示，閉合S1和S2，電壓表讀數為3.00V；斷開S2，讀數為1.00V.利用圖(d)可算得E＝V.r＝Ω(結果均保留兩位有效數字，視電壓表為理想電壓表). 答案　(1)10　(b)　(2)增大　(3)Y　(4)3.2　0.50 解析　(1)由題圖(a)可知，多用電表的讀數為10Ω，由于元件的電阻較小，電路應選用電流表外接法，即選擇圖(b)電路. (2)當滑動變阻器的滑片向右移時，電流表的示數增大. (3)由于元件Y的U－I圖線是曲線，因此Y是非線性元件. (4)設線性元件的電阻為R，由U－I圖線可知，R＝＝10 Ω，則S1、S2均閉合時，E＝0.3 A(10 Ω＋r)，S1閉合、S2斷開時，E＝0.1 A(10 Ω＋21 Ω＋r)，解得E≈3.2 V，r＝0.50 Ω. 變式3　某實驗小組的同學在學校實驗室中發(fā)現(xiàn)一電學元件，該電學元件上標有“最大電流不超過6mA，最大電壓不超過7V”，同學們想通過實驗描繪出該電學元件的伏安特性曲線，他們設計的一部分電路如圖8所示，圖中定值電阻R＝1kΩ，用于限流；電流表量程為10mA，內阻約為5Ω；電壓表(未畫出)量程為10V，內阻約為10kΩ；電源電動勢E為12V，內阻不計. 圖8 (1)實驗時有兩個滑動變阻器可供選擇： A.阻值0～200Ω，額定電流0.3A B.阻值0～20Ω，額定電流0.5A 應選的滑動變阻器是(填“A”或“B”). 正確接線后，測得數據如下表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 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 5.50 (2)由以上數據分析可知，電壓表應并聯(lián)在M與之間(填“O”或“P”)； (3)將電路圖在方框中補充完整； (4)從表中數據可知，該電學元件的電阻的特點是： . 答案　(1)A　(2)P　(3)見解析圖　(4)當元件兩端的電壓小于6V時，元件電阻非常大，不導電；當元件兩端的電壓大于6V時，隨著電壓的升高電阻變小 解析　(1)滑動變阻器A允許的最大電壓為0.3200V＝60V＞12V，滑動變阻器B兩端所能加的最大電壓為0.520V＝10V＜12V，為保證安全，滑動變阻器應選A. (2)由表中實驗數據可知，電學元件電阻的最小測量值約為：R＝Ω≈1163.6Ω，電流表內阻約為5Ω，電壓表內阻約為10kΩ，相對來說，元件電阻遠大于電流表內阻，電流表應采用內接法，因此電壓表應并聯(lián)在M與P之間. (3)描繪伏安特性曲線，電壓與電流從零開始變化，滑動變阻器應采用分壓接法，由(2)可知，電流表采用內接法，實驗電路圖如圖所示： (4)由表中實驗數據可知，當元件兩端的電壓小于6V時，電路電流很小，幾乎為零，由歐姆定律可知，元件電阻非常大，不導電；當元件兩端電壓大于6V時，隨著電壓的升高電流迅速增大，電壓與電流的比值減小，電阻變小. 變式4　硅光電池在無光照時不產生電能，可視為一電子元件.某實驗小組設計了如圖9甲所示的電路，給硅光電池加反向電壓(硅光電池負極接高電勢點，正極接低電勢點)，探究其在無光照時的反向伏安特性.圖中電壓表V1量程選用3V，內阻為6kΩ；電壓表V2量程選用15V，內阻約為30kΩ；R0為保護電阻；直流電源電動勢E約為12V，內阻不計. (1)根據圖甲，用筆畫線代替導線，將圖乙連接成完整電路. 圖9 (2)用遮光罩罩住硅光電池，閉合開關S，調節(jié)變阻器R，讀出電壓表V1、V2的示數U1、U2. ①某次測量時，電壓表V1示數如圖丙所示，則U1＝V，可算出通過硅光電池的反向電流大小為mA(保留兩位小數). ②該小組測出大量數據，篩選出下表所示的9組U1、U2數據，算出相應的硅光電池兩端反向電壓Ux和通過的反向電流Ix(表中“－”表示反向)，并在圖10坐標紙上建立Ix－Ux坐標系，標出了與表中前5組Ux、Ix數據對應的5個坐標點.請你標出余下的4個坐標點，并繪出Ix－Ux圖線. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 U1/V 0.00 0.00 0.06 0.12 0.24 0.42 0.72 1.14 1.74 U2/V 0.0 1.0 2.1 3.1 4.2 5.4 6.7 8.1 9.7 Ux/V 0.0 －1.0 －2.0 －3.0 －4.0 －5.0 －6.0 －7.0 －8.0 Ix/mA 0.00 0.00 －0.01 －0.02 －0.04 －0.07 －0.12 －0.19 －0.29 圖10 ③由Ix－Ux圖線可知，硅光電池無光照下加反向電壓時，Ix與Ux成(填“線性”或“非線性”)關系. 答案　(1)連線如圖所示 (2)①1.40　0.23 ②描點繪出Ix－Ux圖線，如圖所示. ③非線性 解析　V1選用的是3V量程，則刻度盤的最小分度為0.1V，根據電表的讀數原則知U1＝14.00.1V＝1.40V，I1＝≈0.23mA.由于繪出的Ix－Ux圖象不是直線，即Ix與Ux成非線性關系.