2019版高考物理總復(fù)習(xí) 第八章 恒定電流 實(shí)驗(yàn)九 描繪小電珠的伏安特性曲線(xiàn)學(xué)案.doc

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實(shí)驗(yàn)九　描繪小電珠的伏安特性曲線(xiàn) 注意事項(xiàng) 1.電流表外接法：本實(shí)驗(yàn)中被測(cè)小電珠燈絲的電阻值較小，因此測(cè)量電路必須采用電流表外接法。 2.滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓式連接 本實(shí)驗(yàn)要作出I－U圖象，要求測(cè)出一組包括零在內(nèi)的電流、電壓值，故控制電路必須采用分壓接法。 3.保護(hù)元件安全：為保護(hù)元件不被燒毀，開(kāi)關(guān)閉合前變阻器滑片應(yīng)位于圖中的a端。加在小電珠兩端的電壓不要超過(guò)其額定電壓。 誤差分析 1.由于電壓表不是理想電表，內(nèi)阻并非無(wú)窮大，對(duì)電路的影響會(huì)帶來(lái)誤差，電流表外接，由于電壓表的分流，使測(cè)得的電流值大于真實(shí)值。 2.測(cè)量時(shí)讀數(shù)帶來(lái)誤差。 3.在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)、作圖帶來(lái)誤差。 熱點(diǎn)一　教材原型實(shí)驗(yàn) 【例1】　有一個(gè)小電珠上標(biāo)有“4 V　2 W”的字樣，現(xiàn)在要用伏安法描繪這個(gè)電珠的I－U圖線(xiàn)。有下列器材供選用： A.電壓表(0～5 V，內(nèi)阻10 kΩ) B.電壓表(0～10 V，內(nèi)阻20 kΩ) C.電流表(0～0.3 A，內(nèi)阻1 Ω) D.電流表(0～0.6 A，內(nèi)阻0.4 Ω) E.滑動(dòng)變阻器(5 Ω，1 A) F.滑動(dòng)變阻器(500 Ω，0.2 A) (1)實(shí)驗(yàn)中電壓表應(yīng)選用______，電流表應(yīng)選用______。(用序號(hào)字母表示) (2)為使實(shí)驗(yàn)誤差盡量減小，要求電壓從零開(kāi)始變化且多取幾組數(shù)據(jù)，滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用________。(用序號(hào)字母表示) (3)請(qǐng)?jiān)谔摼€(xiàn)框內(nèi)畫(huà)出滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的電路圖，并把圖1中所示的實(shí)驗(yàn)器材用實(shí)線(xiàn)連接成相應(yīng)的實(shí)物電路圖。 圖1 解析　(1)因小電珠的額定電壓為4 V，為保證安全，選用的電壓表量程應(yīng)稍大于4 V，但不能大太多，量程太大則示數(shù)不準(zhǔn)確，故選用0～5 V的電壓表，故選A；由P＝UI得，小電珠的額定電流I＝＝0.5 A，故應(yīng)選擇0～0.6 A量程的電流表，故選D。 (2)由題意可知，電壓從零開(kāi)始變化，并要求多測(cè)幾組數(shù)據(jù)，故只能采用滑動(dòng)變阻器分壓接法，而分壓接法中應(yīng)選總阻值小的滑動(dòng)變阻器，故選E。 (3)小電珠內(nèi)阻R＝＝8 Ω，電壓表內(nèi)阻遠(yuǎn)大于小電珠內(nèi)阻，應(yīng)采用電流表外接法，故電路圖和實(shí)物連接圖如圖所示。 答案　(1)A　D　(2)E　(3)圖見(jiàn)解析 1.滑動(dòng)變器的選?。涸诜謮弘娐分?，一般選用全電阻小于用電器電阻的滑動(dòng)變阻器。在限流電路中，一般選用全電阻和用電器電阻相差不多或大幾倍的滑動(dòng)變阻器。 2.滑動(dòng)變阻器的兩種連接方式 兩種接法的電路圖 負(fù)載R上電壓 的調(diào)節(jié)范圍 ～E 0～E 3.兩種接法的適用條件 (1)限流式接法適合測(cè)量阻值較小的電阻(跟滑動(dòng)變阻器的最大電阻相比相差不多或比滑動(dòng)變阻器的最大電阻還小)。 (2)分壓式接法適合測(cè)量阻值較大的電阻(一般比滑動(dòng)變阻器的最大電阻要大)。 (3)若實(shí)驗(yàn)中要求電壓從零開(kāi)始調(diào)節(jié)，則必須采用分壓式接法?！　　　　　? 【變式訓(xùn)練1】　(2017全國(guó)卷Ⅰ，23)某同學(xué)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3.8 V，額定電流0.32 A)；電壓表(量程3 V，內(nèi)阻 3 kΩ)；電流表(量程0.5 A，內(nèi)阻0.5 Ω)；固定電阻R0(阻值1 000 Ω)；滑動(dòng)變阻器R(阻值0～9.0 Ω)；電源E(電動(dòng)勢(shì)5 V，內(nèi)阻不計(jì))；開(kāi)關(guān)S；導(dǎo)線(xiàn)若干。 (1)實(shí)驗(yàn)要求能夠?qū)崿F(xiàn)在0～3.8 V的范圍內(nèi)對(duì)小燈泡的電壓進(jìn)行測(cè)量，畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路原理圖。 (2)實(shí)驗(yàn)測(cè)得該小燈泡伏安特性曲線(xiàn)如圖2 a所示。 圖2 由實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)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(dòng)勢(shì)4 V，內(nèi)阻1.00 Ω)和題給器材連接成圖b所示的電路，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R的阻值，可以改變小燈泡的實(shí)際功率。閉合開(kāi)關(guān)S，在R的變化范圍內(nèi)，小燈泡的最小功率為_(kāi)_______ W，最大功率為_(kāi)_______ W。(結(jié)果均保留兩位小數(shù)) 解析　(1)電壓表量程為3 V，要求能夠?qū)崿F(xiàn)在0～3.8 V的范圍內(nèi)對(duì)小燈泡的電壓進(jìn)行測(cè)量，需要給電壓表串聯(lián)一個(gè)定值電阻擴(kuò)大量程，題目中要求小燈泡兩端電壓從零開(kāi)始，故滑動(dòng)變阻器用分壓式接法，小燈泡的電阻RL＝＝ Ω＝ 11.875 Ω，所以＜，故電流表用外接法，如圖所示。 (2)由I－U圖象知，圖象中的點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)連線(xiàn)的斜率在減小，表示燈泡的電阻隨電流的增大而增大，根據(jù)電阻定律R＝ρ知，燈絲的電阻率增大。 (3)當(dāng)滑動(dòng)變阻器的阻值最大為9.0 Ω時(shí)，電路中的電流最小，燈泡實(shí)際功率最小，由E＝U＋I(xiàn)(R＋r)得U＝－10I＋4，作出圖線(xiàn)①如圖所示。 由交點(diǎn)坐標(biāo)可得U1＝1.78 V，I1＝221 mA，P1＝U1I1＝0.39 W；當(dāng)滑動(dòng)變阻器電阻值R＝0時(shí)，燈泡消耗的功率最大，由E＝U＋I(xiàn)(R＋r)得，I＝－U＋，即I＝－U＋4，作出圖線(xiàn)②如圖所示。由交點(diǎn)坐標(biāo)可得，U2＝3.68 V，I2＝0.318 A，最大的功率為P2＝U2I2＝1.17 W。 答案　(1)見(jiàn)解析　(2)增大　增大　(3)0.39 W　1.17 W 熱點(diǎn)二　實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新 以本實(shí)驗(yàn)為背景，通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)置題目，不脫離教材而又不拘泥教材，體現(xiàn)開(kāi)放性、探究性等特點(diǎn)。 1.以實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)方法為基礎(chǔ)，探究小燈泡功率與電壓的關(guān)系。 2.實(shí)驗(yàn)對(duì)象的變遷 3.數(shù)據(jù)處理方式的改進(jìn) 采用“DIS”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。 【例2】　如圖3甲所示為某同學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系曲線(xiàn)圖。 圖3 (1)在圖乙中畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路圖(根據(jù)該電路圖可得到U－I關(guān)系的完整曲線(xiàn))，可用的器材有：電壓傳感器、電流傳感器、滑動(dòng)變阻器(變化范圍0～50 Ω)、電動(dòng)勢(shì)為 6 V的電源(不計(jì)內(nèi)阻)、小燈泡、電鍵、導(dǎo)線(xiàn)若干。 (2)如果將該小燈泡分別接入圖4甲、乙兩個(gè)不同電路，其中甲電路的電源為一節(jié)干電池，乙電路的電源為三節(jié)干電池，每節(jié)干電池的電動(dòng)勢(shì)為1.5 V，內(nèi)電阻為1.5 Ω，定值電阻R＝18 Ω。則接入________(填“甲”或“乙”)電路時(shí)，小燈泡較亮些。 圖4 (3)在電路乙中，小燈泡消耗的電功率為_(kāi)_______W。 (4)若將電路乙中的電阻R替換為另一個(gè)完全相同的小燈泡，其他條件不變，則此時(shí)電源內(nèi)部的發(fā)熱功率為_(kāi)_______W。 解析　由于要畫(huà)出U－I關(guān)系的完整曲線(xiàn)，必須用分壓接法畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路圖。分別在小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系曲線(xiàn)圖上畫(huà)出電源的伏安特性曲線(xiàn)，與小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系的曲線(xiàn)交點(diǎn)即為工作點(diǎn)。顯然接入圖4甲電路時(shí)，燈泡中電流較大，小燈泡較亮些。在電路乙中，小燈泡消耗的電功率為P＝UI＝10.15 W＝0.15 W。若將電路乙中的電阻R替換為另一個(gè)完全相同的小燈泡，其他條件不變，可等效為電動(dòng)勢(shì)為2.25 V、內(nèi)阻為2.25 Ω的電池連接一個(gè)燈泡，在小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系曲線(xiàn)圖上畫(huà)出電源(電動(dòng)勢(shì)2.25 V，內(nèi)阻2.25 Ω)的伏安特性曲線(xiàn)，與小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系曲線(xiàn)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值為電源輸出電流I＝0.26 A，此時(shí)電源內(nèi)部的發(fā)熱功率為P＝I2r＝0.2624.5 W≈0.30 W。 答案　(1)實(shí)驗(yàn)電路圖如圖所示。 (2)甲　(3)0.15　(4)0.30 【變式訓(xùn)練2】　[2016天津理綜，9(3)]某同學(xué)想要描繪標(biāo)有“3.8 V，0.3 A”字樣小燈泡L的伏安特性曲線(xiàn)，要求測(cè)量數(shù)據(jù)盡量精確、繪制曲線(xiàn)完整。可供該同學(xué)選用的器材除開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線(xiàn)外，還有： 電壓表V1(量程0～3 V，內(nèi)阻等于3 kΩ) 電壓表V2(量程0～15 V，內(nèi)阻等于15 kΩ) 電流表A1(量程0～200 mA，內(nèi)阻等于10 Ω) 電流表A2(量程0～3 A，內(nèi)阻等于0.1 Ω) 滑動(dòng)變阻器R1(0～10 Ω，額定電流2 A) 滑動(dòng)變阻器R2(0～1 kΩ，額定電流0.5 A) 定值電阻R3(阻值等于1 Ω) 定值電阻R4(阻值等于10 Ω) 定值電阻R5(阻值等于1 kΩ) 電源E(E＝6 V，內(nèi)阻不計(jì)) (1)請(qǐng)畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路圖，并將各元件字母代碼標(biāo)在該元件的符號(hào)旁。 (2)該同學(xué)描繪出的I－U圖象應(yīng)是下圖中的________。 解析　(1)用電壓表V1和R5串聯(lián)，可改裝成量程為U＝(rg＋R5)＝(3＋1) V＝4 V的電壓表；用量程為200 mA 的電流表A1與定值電阻R4并聯(lián)可改裝為量程為I＝Ig＋＝0.2 A＋ A＝0.4 A的電流表；待測(cè)小燈泡的阻值較小，故采用電流表外接，電路圖見(jiàn)答案。 (2)小燈泡的電阻隨溫度升高而變大，故該同學(xué)描繪出的I－U圖象應(yīng)該是B。 答案　(1)如圖所示　(2)B 1.如圖5是小紅同學(xué)在做“描繪小燈泡的伏安特性曲線(xiàn)”實(shí)驗(yàn)的實(shí)物連接圖。 圖5 圖6 (1)根據(jù)圖5在虛線(xiàn)框內(nèi)畫(huà)出實(shí)驗(yàn)電路圖； (2)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器得到了兩組電流表與電壓表的示數(shù)如圖6中的①、②、③、④所示，電流表量程為0.6 A，電壓表量程為3 V。所示讀數(shù)為：①________、②________、③________、④________。兩組數(shù)據(jù)得到的電阻分別為_(kāi)_______和________。 解析　(1)描繪小燈泡的伏安特性曲線(xiàn)需要測(cè)量電壓范圍大，變阻器用分壓接法，小燈泡電阻比較小，電流表要外接，電路圖如圖所示。 (2)電流表量程為0.6 A時(shí)，最小刻度為0.02 A，讀數(shù)讀到小數(shù)點(diǎn)后兩位，所以①表示數(shù)為0.10 A，②表示數(shù)為0.24 A；電壓表量程為3 V，最小刻度為0.1 V，應(yīng)估讀到0.01 V，所以③表示數(shù)為2.00 V，④表示數(shù)為0.27 V，根據(jù)歐姆定律R1＝＝＝8.3 Ω，R2＝＝ Ω＝2.7 Ω。 答案　(1)見(jiàn)解析　(2)①0.10 A(0.100.02均可) ②0.24 A　③2.00 V?、?.27 V(0.270.01均可)；8.3 Ω(8.30.1均可)　 2.7 Ω(2.70.1均可) 2.某實(shí)驗(yàn)小組的同學(xué)在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)一電學(xué)元件，該電學(xué)元件上標(biāo)有“最大電流不超過(guò)6 mA，最大電壓不超過(guò)7 V”，同學(xué)們想通過(guò)實(shí)驗(yàn)描繪出該電學(xué)元件的伏安特性曲線(xiàn)，他們?cè)O(shè)計(jì)的一部分電路如圖7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(huà)出)量程為10 V，內(nèi)阻約為10 kΩ；電源電動(dòng)勢(shì)E為12 V，內(nèi)阻不計(jì)。 圖7 (1)實(shí)驗(yàn)時(shí)有兩個(gè)滑動(dòng)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)選的滑動(dòng)變阻器是________(填“A”或“B”)。 正確接線(xiàn)后，測(cè)得數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析可知，電壓表應(yīng)并聯(lián)在M與________之間(填“O”或“P”)； (3)將電路圖在虛線(xiàn)框中補(bǔ)充完整； (4)從表中數(shù)據(jù)可知，該電學(xué)元件的電阻的特點(diǎn)是：_________________________ ____________________________________________________________________。 解析　(1)滑動(dòng)變阻器A允許的最大電壓為0.3200 V＝60 V>12 V，滑動(dòng)變阻器B兩端所能加的最大電壓為0.520 V＝10 V<12 V，為保證安全，滑動(dòng)變阻器應(yīng)選A。 (2)由表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電學(xué)元件電阻最小測(cè)量值約為R＝ Ω≈1 163.6 Ω，電流表內(nèi)阻約為5 Ω，電壓表內(nèi)阻約為10 kΩ，相對(duì)來(lái)說(shuō)，元件電阻遠(yuǎn)大于電流表內(nèi)阻，電流表應(yīng)采用內(nèi)接法，因此電壓表應(yīng)并聯(lián)在M與P之間。 (3)描繪伏安特性曲線(xiàn)，電壓與電流從零開(kāi)始變化，滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓接法，由(2)可知，電流表采用內(nèi)接法，實(shí)驗(yàn)電路圖如圖所示： (4)由表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)元件兩端的電壓小于6 V時(shí)，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(dǎo)電；當(dāng)元件兩端電壓大于6 V時(shí)，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。 答案　(1)A　(2)P　(3)電路圖見(jiàn)解析圖　(4)當(dāng)元件兩端的電壓小于6 V時(shí)，元件電阻非常大，不導(dǎo)電；當(dāng)元件兩端電壓大于6 V時(shí)，隨著電壓的升高而電阻變小