2020版高考物理总复习8第4讲实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线教案新人教版.docx

第4讲实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线一、实验目的1描绘小灯泡的伏安特性曲线。2分析曲线的变化规律。二、实验原理1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UI坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连接起来。2电流表采用外接法(填“内接”或“外接”)，因为小灯泡电阻很小，如果内接电流表，分压明显。滑动变阻器采用分压式，使电压能从0开始连续变化。三、实验器材小灯泡，46 V学生电源，滑动变阻器，电压表，电流表，开关，导线若干。四、实验步骤1连接电路将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、电源、开关用导线连接成如图所示电路。2测出小灯泡在不同电压下的电流移动滑动变阻器触头位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格。3画出伏安特性曲线(1)在坐标纸上以I为纵轴，以U为横轴，建立坐标系。(2)在坐标纸上描出各组数据所对应的点。(坐标系纵轴和横轴的标度要适中，以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜)(3)将描出的点用平滑曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线。(4)拆除电路、整理仪器。五、注意事项1电路的连接方式。(1)电流表应采用外接法，因为小灯泡(3.8 V0.3 A)的电阻很小，与量程为00.6 A的电流表串联后，电流表的分压影响很大。(2)滑动变阻器应采用分压式连接，目的是使小灯泡两端的电压能从0开始连续变化。2闭合开关S前，滑动变阻器触头应移到使小灯泡分得电压为0的一端，可以使开关闭合时小灯泡电压能从0开始变化，同时，也为了防止开关刚闭合时小灯泡两端因电压过大而烧坏灯丝。3UI图线在U01.0 V左右将发生明显弯曲，故在U1.0 V左右描点要密，以防止出现较大误差。4电流表选择0.6 A量程，电压表量程的选择视小灯泡的额定电压而定，即使用的若是“3.8 V0.3 A”的小灯泡，选用电压表的15 V量程，若使用“2.5 V0.6 A”的小灯泡，则选用电压表的3 V量程。5保持小灯泡电压接近额定值时要缓慢增加，到额定值时，记录I后马上断开开关。6误差较大的点要舍去，UI图象应是平滑曲线而非折线。六、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。2测量时读数带来误差。3在坐标纸上描点、作图带来误差。 (判断正误，正确的画“”，错误的画“”。)1灯泡的电阻较小，用伏安法测电阻时应采用电流表外接法。()2为了多测几组数据，滑动变阻器应用分压式接法。()3用电流表外接法测电阻时，由于电压表的分流作用，致使电阻测量值偏大。()1(伏安法测电阻)在伏安法测电阻的实验中，待测电阻Rx阻值约为200 ，电压表V的内阻约为2 k，电流表A的内阻约为10 ，测量电路中电流表的连接方式如图甲或乙所示，结果由公式Rx计算得出，式中U与I分别为电压表和电流表的读数；若将图甲和图乙中电路测得的电阻值分别记为Rx1和Rx2，则_(填“Rx1”或“Rx2”)更接近待测电阻的真实值，且测量值Rx1_(填“大于”“等于”或“小于”)真实值，测量值Rx2_(填“大于”“等于”或“小于”)真实值。解析因为Rx200 ，而RV2 k，RA10 ，有Rx，所以选用电流表内接法误差较小，即Rx1更接近于真实值。根据“大内偏大，小内偏小”可知Rx1大于真实值，Rx2小于真实值。答案Rx1大于小于2(图象法处理数据)在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，某同学测得电流电压的数据如下表所示：电流I/mA2.75.412.419.527.836.447.156.169.681.793.2电压U/V0.040.080.210.541.302.203.524.776.909.1211.46(1)用上表数据描绘电压随电流的变化曲线。(2)为了探究灯丝电阻与温度的关系，已作出电阻随电流的变化曲线如图所示；请指出图线的特征，并解释形成的原因。答案(1)如图所示(2)电阻随电流增大存在三个区间，电阻随电流的变化快慢不同。第一区间电流很小时，电阻变化不大；第二区间灯丝温度升高快，电阻增大快；第三区间部分电能转化为光能，灯丝温度升高变慢，电阻增大也变慢。考点1实物图连接和数据处理考|点|速|通1各导线都应连接在接线柱上。2不应在导线中间出现交叉，导线不能跨过仪器。3连接电表应注意量程选用正确，正、负接线柱不要接错。4开关要控制整个电路。典|例|微|探【例1】某学习小组欲探究小灯泡(“3 V、1.5 W”)的伏安特性，可提供的实验器材如下：A电池组：电动势约4.5 V，内阻可不计；B双量程的电压表：V1：量程为03 V、内阻约为3 k；V2：量程为015 V、内阻约为15 kC双量程的电流表：A1：量程为00.6 A、内阻约为1 ；A2：量程为03 A、内阻约为0.1 D滑动变阻器R：阻值范围为010 、允许通过的最大电流为2 A；E开关S，导线若干。在尽量提高测量精度的情况下，请回答下列问题：(1)根据以上器材，用笔画线代替导线将图甲中的实物图连接成完整电路。(2)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应移到_(填“A”或“B”)端。(3)调节滑动变阻器得到电压、电流数据如下表，请在如图乙所示的坐标纸上画出小灯泡的UI图线。组数1234567U/V00.280.580.921.502.003.00I/A00.100.200.300.400.450.49(4)根据图线可估得小灯泡在常温下的电阻约为_。(结果保留两位有效数字)解析(1)因待测灯泡的阻值较小，故采用电流表外接；滑动变阻器用分压电路；连接如图所示。(2)闭合开关前，滑动变阻器的滑动片应移到A端；(3)小灯泡的UI图线如图。(4)作出过O点的切线，如图所示；常温下的电阻图线是过原点的切线的斜率，故R 2.8 。答案(1)见解析图(2)A(3)见解析图(4)2.8(2.73.0均正确)题|组|冲|关1在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，除有一标有“6 V,1.5 W”的小灯泡、导线和开关外，还有：A直流电源6 V(内阻不计)B直流电流表03 A(内阻0.1 以下)C直流电流表0300 mA(内阻约为5 )D直流电压表010 V(内阻约为15 k)E滑动变阻器10 ，2 AF滑动变阻器1 k，0.5 A实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。(1)实验中电流表应选用_，滑动变阻器应选用_。(均用字母表示)(2)在下列虚框中画出实验电路图。(3)试将如图所示器材连成实物电路。解析由I额 A250 mA，故选C项。因要求电压从零开始变化，变阻器用分压接法，应选小阻值的E。答案(1)CE(2)实验电路如图所示(3)实验电路如图所示2为探究小灯泡的电功率P和电压U的关系，某同学测量小灯泡的电压U和电流I，利用PUI得到电功率。实验所使用的小灯泡规格为“3.0 V,1.8 W”，电源为12 V的电池，滑动变阻器的最大阻值为10 。(1)准备使用的实物电路如图所示。请将滑动变阻器接入电路的正确位置。(用笔画线代替导线)(2)现有10 、20 和50 的定值电阻，电路中的电阻R1应选_ 的定值电阻。(3)测量结束后，应先断开开关，拆除_两端的导线，再拆除其他导线，最后整理好器材。(4)小明处理数据后将P、U2描点在坐标纸上，并作出了一条直线，如图所示。请指出图象中不恰当的地方。解析(1)连线如图所示。(2)小灯泡电阻大约为5 ，当滑动变阻器阻值最大时，小灯泡与滑动变阻器的并联电阻值约为3.3 ，则12 V3 VR1，解得R19.9 ，所以R1应取10 的定值电阻。(3)实验结束，断开开关，拆除电池两端导线，以防电源短路。(4)在坐标纸上描出的点并不是在一条直线上，图线应为曲线；横坐标的标度值取得太大，应适当减小。答案(1)见解析图(2)10(3)电池(4)图线不应画为直线；横坐标的标度不恰当考点2实验的迁移、拓展和创新考|点|速|通以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器等设置题目，体现开放性、探究性的特点。1以实验原理及实验方法为基础，探究小灯泡功率与电压的关系。2采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理。3与原数据处理方式的比较(1)原方案优点：由学生读出电压表、电流表的数据，并亲自动手绘出伏安特性曲线，可锻炼学生的读数、动手操作能力。缺点：学生读数、绘图带来较大误差。(2)改进方案优点：电压、电流由传感器测出，由电脑进行数据分析，再进行绘图，快捷、准确，误差较小。缺点：一切在电脑上运行，学生的动手能力得不到锻炼。典|例|微|探【例2】某同学利用图甲所示电路测量量程为2.5 V的电压表V的内阻(内阻为数千欧姆)，可供选择的器材有：电阻箱R(最大阻值99 999.9 )，滑动变阻器R1(最大阻值50 )，滑动变阻器R2(最大阻值5 k)，直流电源E(电动势3 V)，开关1个，导线若干。实验步骤如下：按电路原理图甲连接线路。甲将电阻箱阻值调节为0，将滑动变阻器的滑片移到与图甲中最左端所对应的位置，闭合开关S。调节滑动变阻器，使电压表满偏。保持滑动变阻器滑片的位置不变，调节电阻箱阻值，使电压表的示数为2.00 V，记下电阻箱的阻值。回答下列问题：(1)实验中选择滑动变阻器_(填“R1”或“R2”)。(2)根据图甲所示电路将图乙中实物图连线。(3)实验步骤中记录的电阻箱阻值为630.0 ，若认为调节电阻箱时滑动变阻器上的分压不变。计算可得电压表的内阻为_ 。(结果保留到个位)(4)如果此电压表是由一个表头和电阻串联构成的，可推断该表头的满刻度电流为_。(填选项字母)A100 A B250 AC500 A D1 mA解析(1)为了使电阻箱调节时，滑动变阻器分得的电压变化很小，分压电路中滑动变阻器的最大阻值越小越好，因此应选用R1。(3)如果认为滑动变阻器分得的电压不变，则调节电阻箱后，电压表两端的电压为2.00 V，电阻箱两端的电压为0.5 V，根据串联电路的分压原理，求得电压表的内阻RV4630.0 2 520 。(4)如果此电压表由一个表头与一个电阻串联组成，可知此表头的满偏电流为Ig1 mA，D项正确。答案(1)R1(2)连线如图所示(3)2 520(4)D题|组|冲|关1如图甲所示为某同学实验得到的小灯泡灯丝电阻的UI 关系曲线图。(1)在图乙中画出实验电路图(根据该电路图可得到UI 关系的完整曲线)，可用的器材有：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器(变化范围050 )、电动势为6 V的电源(不计内阻)、小灯泡、开关、导线若干。(2)如果将该小灯泡分别接入图丙、丁两个不同电路，其中丙电路的电源为一节干电池，丁电路的电源为三节干电池，每节干电池的电动势为1.5 V，内电阻为1.5 ，定值电阻R18 。则接入_(填“丙”或“丁”)电路时，小灯泡较亮些。(3)在电路丁中，小灯泡消耗的电功率为_ W。(4)若将电路丁中的电阻R替换为另一个完全相同的小灯泡，其他条件不变，则此时电源内部的发热功率为_ W。解析由于要画出UI关系的完整曲线，必须用滑动变阻器分压式接法画出实验电路图。分别在小灯泡灯丝电阻的UI关系曲线图上画出电源的伏安特性曲线，与小灯泡灯丝电阻的UI关系的曲线交点即为工作点。显然接入丙电路时，灯泡中电流较大，小灯泡较亮些。在电路丁中，小灯泡消耗的电功率为PUI10.15 W 0.15 W。若将电路丁中的电阻R替换为另一个完全相同的小灯泡，其他条件不变，可等效为电动势为2.25 V、内阻为2.25 的电池连接一个灯泡，在小灯泡灯丝电阻的UI关系曲线图上画出电源(电动势2.25 V，内阻2.25 )的伏安特性曲线，与小灯泡灯丝电阻的UI关系曲线交点对应的横坐标值为电源输出电流I0.26 A，此时电源内部的发热功率为PI2r0.2624.5 W0.30 W。答案(1)实验电路图如图所示。(2)丙(3)0.15(4)0.302硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件。某实验小组设计如图甲电路，给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点，正极接低电势点)，探究其在无光照时的反向伏安特性。图中电压表V1量程选用3 V，内阻为6.0 k；电压表V2量程选用15 V，内阻约为30 k；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12 V，内阻不计。(1)根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙连接成完整电路。(2)用遮光罩罩住硅光电池，闭合开关S，调节变阻器R，读出电压表V1、V2的示数U1、U2。某次测量时，电压表V1示数如图丙，则U1_ V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为_ mA。(结果保留两位小数)该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9组U1、U2数据，算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“”表示反向)，并在坐标纸上建立IxUx坐标系，标出了与表中前5组Ux、Ix数据对应的5个坐标点。请你标出余下的4个坐标点，并绘出IxUx图线。由IxUx图线可知，硅光电池无光照下加反向电压时，Ix与Ux成_(填“线性”或“非线性”)关系。解析V1选用的是3 V量程，则刻度盘的最小分度为0.1 V，根据电表的读数原则知U114.00.1 V1.40 V，I10.23 mA。描点与绘图如图(b)所示。由于绘出的IxUx图象不是直线，即Ix与Ux成非线性关系。图(a)图(b)答案(1)连线见解析图(a)(2)1.400.23描点绘出IxUx，图线见解析图(b)非线性1(2018全国卷)某实验小组利用如图(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 ；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 )，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 )；电阻箱R2(阻值范围0999.9 )；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R2t数据见下表。t/25.030.040.050.060.070.080.0R2/900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0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R2t曲线；(3)由图(b)可得到RT，在25 80 范围内的温度特性，当t44.0 时，可得RT_；(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_，则手心温度为_。解析(1)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电阻值最大，使电路中电流最小，即图(a)中的R1的滑片应移到b端。(2)将t60 和t70 对应的两组数据对应画在坐标图上，然后用平滑曲线(过尽可能多的数据点)画出R2t 图象。(3)根据题述实验过程可知，测量的R2数据等于对应的热敏电阻RT的电阻值。由画出的R2t图象可知，当t44.0 时，对应的RT450 。(4)由画出的R2t图象可知，当RT620.0 ，则手心温度t33.0 。答案(1)b(2)如图所示(3)450(4)620.033.02某实验小组要精确测定额定电压为2.5 V的LED灯正常工作时的电阻。已知该灯正常工作时的电阻约为500 ，电路符号与小灯泡相同。实验室提供的器材有：A电流表(量程010 mA，内阻RA1约为3 ，示数用I1表示)B电流表(量程03 mA，内阻RA215 ，示数用I2表示)C定值电阻R1697 D定值电阻R2985 E滑动变阻器R(量程020 )F电压表(量程012 V，内阻RV1 k，示数用U表示)G蓄电池(电动势12 V，内阻很小)H开关一个，导线若干(1)实验电路图如图甲所示，请选择合适的器材，电表1为_，电表2为_，定值电阻为_；(填器材前字母代号)(2)将图乙中的实物图按照实验电路图补充完整；(3)写出测量LED灯正常工作时的电阻的表达式为Rx_。(用相应字母表示)解析本题考查电学实验，意在考查考生的实验能力。(1)测量电阻的基本方法是伏安法，由于题中提供的电压表量程太大，故选择定值电阻R2与阻值已知的电流表串联可将其改装成量程合适的电压表。由于电流表的量程较大，应将其接在干路上。(2)实验电路如图所示。(3)对测量电路，由并联电路电压、电流关系有I2(R2RA2)(I1I2)Rx，解得Rx(R2RA2)。答案(1)ABD(2)答案见解析(3)(R2RA2)3(2019唐山一模)两块量程均为010 mA但内阻未知的电流表A1、A2，现通过如图所示电路来测量其中一电流表的电阻。(1)连接电路，将滑动变阻器R1的滑片滑到最_(填“左”或“右”)端，闭合开关S。(2)将电阻箱R2调到某一阻值，然后调整滑动变阻器R1滑片的位置，使两电流表均有较大幅度的偏转。(3)记录此时两电流表的读数I1、I2和电阻箱的阻值R2。(4)根据以上数据可以得到电流表_(填“A1”或“A2”)的阻值，若I16.0 mA，I29.0 mA，R223.6 ，则该电流表的电阻为_。(5)多次测量，计算该电流表电阻的平均值。解析(1)闭合开关前，滑动变阻器应处于电阻最大值的位置，滑片滑到最左端。(4)可测量电流表A1的阻值，测量原理关系式I1r1(I2I1)R2，代入数据解得r111.8 。答案(1)左(4)A111.84(2019龙岩质检)市场上有一种通过USB接口供电的小型电风扇，它的额定电压为5 V，额定功率看不清楚，约2.5 W。某同学想用下图所示的电路，测量该电风扇正常运转时电动机的电能转化为机械能的效率，除待测小风扇外，实验室提供的器材如下：A双量程电流表A：量程和内阻分别为“0.6 A，约0.5 ”和“3 A，约0.1 ”B双量程电压表V：量程和内阻分别为“3 V，约3 k”和“15 V，约15 k”C滑动变阻器R：最大阻值5 ，额定电流2 AD电源：电动势6 V，内阻不计E开关、导线若干(1)该测量电路中电流表的量程应该选用_A，采用“电流表外接法”的理由是_。(2)该同学打开电风扇底座上的USB接口，找到电风扇电动机的两条引线，作为电风扇的两个接线端。(3)根据电路图和测量要求，电压表选用03 V量程，用笔画线代替导线，在实物图中完成测量小风扇电动机线圈电阻的电路连接。(4)控制风扇不转动，闭合开关，调节滑动变阻器，当电流表的示数为0.50 A时，读出电压表的示数为1.0 V。(5)电压表选用015 V量程，闭合开关，调节滑动变阻器，当电压