[高三理化生]恒定电流 描绘小灯泡的伏安特性曲线

实验二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.研究导体中电流和电压的关系，深化对欧姆定律的理解,二、实验原理 用电压表和电流表测出小灯泡的电压值、电流值，在坐标中描绘出图线，就可以得到小灯泡的伏安特性曲线,由于小灯泡的电阻很小，所以应用电流表外接法测电流和电压小灯泡的电阻会随着电压的升高、灯丝温度的升高而增大，所以IU曲线不是直线为了反映这一变化过程，灯泡两端的电压应该由零逐渐增大到额定电压，所以滑动变阻器必须选用分压接法，如图所示开始时滑动触头应该位于左端(使小灯泡两端的电压为零)由实验数据作出的IU曲线如右图所示，说明灯丝的电阻随温度的升高而增大，也说明金属的电阻率随温度的升高而增大(若用UI曲线，则曲线的弯曲方向相反),三、实验器材4 V6 V的学生电源、电流表、电压表、滑动变阻器、“3.8V0.3 A”的待测小灯泡、开关及导线若干,四、实验步骤 1.根据小灯泡上标示的额定电压和额定电流，选定电源的输出电压和电表的量程； 2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右图所示的电路； 3.将滑片移动到右端，闭合开关，调节变阻器，读出并记录多组U、I数值； 4.断开开关，拆除电路.,五、数据处理 将实验中的U、I数据记入如下所示的表中,以U为横轴、I为纵轴建立平面直角坐标系，描出以上各组对应点，用一条平滑的曲线把这些点连接起来，做出小灯泡的伏安特性曲线,六、误差分析1.经过计算可知，小灯泡电阻较小，为了减小误差，电流表常采用外接法； 2.记录数据的多少决定着描点的多少，直接影响着图线的准确程度，所以尽量多记录几组数据； 3.实验中两个电表的记录示数也是容易产生误差的一个环节,七、注意事项 1.因本实验要作出IU图线，要求测出一组包括零在内的电压值、电流值因此，变阻器必须要采用分压接法 2.本实验中，因被测小灯泡电阻较小，因此实验电路采用电流表外接法； 3.电键闭合后，调节变阻器滑片的位置，使小灯泡的电压逐渐增大，可在电压表读数每增加一个定值(如0.5 V)时，读取一次电流值；调节滑片时应注意使电压表的示数不要超过小灯泡的额定电压；,4.电键闭合前滑动变阻器滑片移到图中的右端； 5.在坐标纸上建立平面直角坐标系，横、纵坐标所取的分度比例应该适当，尽量使根据测量数据描点画出的图线占满坐标纸连线一定用平滑的曲线，不能画成折线 6.实验过程中为了减小误差，电压表可以变换量程当U3 V时采用3 V量程；当U 3 V时采用15 V量程 7.在调节滑动触头变化时，也要同时观察电表的示数情况,八、实验改进由于人工读数和绘制伏安特性曲线时存在较大误差，故可采用“DIS”数字化实验系统来进行数据的采集和处理，如下图所示，电流和电压均可由传感器测出，并能得到尽可能多的连续的且差距不太大的数据，然后输入电脑，由电脑对数据进行分析，对偏差很大的数据进行自动取舍，再进行绘图，便得到小灯泡的伏安特性曲线,一、滑动变阻器的限流接法和分压接法1. 两种接法比较,由上表可以看出：滑动变阻器的分压式接法中，电压和电流的调节范围较大，限流式接法较节能,2. 两种接法的选择,(2)两种接法的适用条件： 限流式接法适用于测阻值小的电阻，相对滑动变阻器总电阻而言，但又不是相差很大这样移动滑动触头调节范围大且方便 分压式接法适合测量大阻值电阻(与滑动变阻器的总电阻相比)，因为Rx越大，分压式中Rx几乎不影响电压的分配，滑片移动时，电压变化明显，便于调节 通常情况下(满足安全条件)，由于限流电路连接简单，耗能较小，一般优先考虑用限流接法,(3)在下列情况下必须采用分压接法 要使某部分电路的电压或电流从零开始连续调节 如果实验所提供的电表量程或电阻元件允许的最大电流很小，采用限流接法时，无论怎样调节，电路中的实际电流(电压)都会超过电表量程或电阻元件允许的最大电流(电压)，为了保护电表或电阻元件，必须采用分压接法 若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多，采用限流接法时，即使变阻器的滑动片从一端滑至另一端，待测电阻上的电流(电压)变化范围也不够大，不利于多次测量求平均值或用图象法处理数据，因此要采用分压接法,二、仪器的选择1. 电表的选择：在使用电压表和电流表时，指针偏到满刻度的一半以上，读数比较准确因此，在选择电流表量程时，应首先估算电流值能否达到半偏以上，同时，也要考虑电压表能否达到半偏以上若实验要求电流(电压)从零开始连续调节，则调节到的电流(电压)最大值应超过半偏,2. 滑动变阻器的选择：实验电路若采用限流接法，一般选用阻值适当大一些的滑动变阻器，但也不是越大越好(因为阻值太大时，在实验过程中可能只用到其阻值很小的一部分，这样滑动片只能在很小的范围内调节，使用起来很不方便，不利于较精确地改变电路中的电流)实验电路若采用分压接法，应选择阻值适当小一些的滑动变阻器，这样可以使分出的电压大致上随滑动片移动的距离成正比例改变，调节起来比较方便,3. 电源的选择：对实验中提供的电源，在作选择时应与实验中提供的其他器材的情况联系起来(如电压表、电流表的量程，滑动变阻器的阻值，待测元件上的额定电压和电流等)，保证电源能够为实验的测量提供合适的电流或电压,三、实物图的连接1. 应注意的问题 (1)画出实验电路图； (2)分析各元件连接方式，明确电表量程； (3)画线连接各元件，一般先从电源正极开始，到开关，再到滑动变阻器等，按顺序以单线连接方式将主电路中要串联的元件依次串联起来，然后再将要并联的元件并联到电路中，即“先串后并”；,(4)电压表应并联，电流表应串联，且电流应由正接线柱流入，负接线柱流出；(5)变阻器触头的位置应保证电路中用电器安全为原则，即保证加在用电器两端电压合适；(6)连线过程中尽量不交叉所有连线必须连接到接线柱上；(7)开关必须能控制整个电路，即开关断开后，电源便无电流输出，电路中电压表和电流表均应指零；(8)连好实物图后，再与原电路图进行对照，检查是否有误,2. 分压电路的连接技巧在分压电路的实物连线时，可将电路分成两部分进行连接，即先把电源、开关、滑动变阻器连成回路(注意：此回路中与变阻器相连的两根导线应分别接在变阻器电阻线圈两端的两个接线柱上)，然后再将待测电阻、电流表、电压表连成另一电路，最后再将待测电路与变阻器连接，以取得分压在从变阻器上取得分压时，要特别注意应从哪两个接线柱上取得分压，并搞清这两个接线柱电势高低的关系，以防止电流表、电压表的正、负接线柱的误接.,【例1】在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，小灯泡的规格为“6 V,3 W”，其他供选择的器材有：电流表A1(量程3 A，内阻0.2 )电流表A2(量程0.6 A，内阻1 )电压表V1(量程6 V，内阻20 k)变阻器R1(01000 ，0.5 A)变阻器R2(020 ，2 A)学生电源E(6 V)开关S及导线若干,(1)实验中要求电压表在06 V范围内读数并记录下12组左右不同的电压值U 和对应的电流值I，以便作出伏安特性曲线，则在上述器材中，电流表应选_，变阻器应选_(2)在所给的虚线方框中画出此实验的电路图,(3)以下是该实验的操作步骤A闭合开关，记下电流表、电压表的一组示数(U、I)，移动变阻器的滑动触头，每移动一次记下一组(U、I)值，共测出12组数据B将电流表、电压表、变阻器、小灯泡、电源、开关正确连接成电路C调节触头位置，使闭合开关前触头处于使变阻器与小灯泡并联的电阻最大的位置D按所测数据，在坐标纸上描点并将各点用平滑曲线连接起来，得出小灯泡的伏安特性曲线,以上各步骤中存在的错误或不妥之处：将各步骤纠正后，按实验先后顺序排列起来_(4)小灯泡的IU图线是一条曲线，其原因是_,(2)滑动变阻器的作用是控制整个电路的电压分配和电流大小，它有哪些接法？答：分压式和限流式(3)什么情况下用分压式连接滑动变阻器？答：负载电阻Rx远大于滑动变阻器总电阻R时，须用分压式接法，此时若采用限流式接法对电路基本起不到调节作用若要求负载上电压或电流变化范围大，且从零开始连续调节，须用分压式接法由于此实验要求电压从零开始调节，所以变阻器只能用分压式接法,(4)滑动变阻器接成分压式，对变阻器本身有什么要求？答：变阻器的总阻值与待测电阻阻值相差不大，这样方便控制电路的电压分配本题中变阻器R2总阻值符合要求(5)实验中电流表采用外接还是内接？为什么？答：外接法因为电流表与小灯泡的电阻都较小，电流表的分压影响很大而电压表的内阻很大，所以应采用外接法，电压表的分流影响很小，可以提高实验的准确性电路图如右图所示,(6)步骤C 中，闭合开关前触头处于使变阻器与小灯泡并联的电阻最大的位置，此时，一旦闭合开关，加在小灯泡两端的电压是多少？有什么影响？正确的操作应该怎样？ 答：电压为6 V，这样会使小灯泡闭合开关时的电压就较大灯丝温度较高会影响到在更小电压下的测量准确性闭合开关前触头应处于使变阻器与小灯泡并联的电阻为零的位置. (7)在IU图线中曲线上某点切线的斜率代表什么物理量？答：IU图线中曲线上某点切线的斜率代表该点处灯丝电阻值的倒数,(8)本实验中的IU 图线是曲线，根据电阻定律，灯丝的电阻跟灯丝温度有什么关系？答：随着电压的增大，通过小灯泡的电流增大，同时小灯泡的发热量增加，随着温度的升高，灯泡灯丝的电阻率增加，则灯泡的电阻增加【答案】(1)A2R2(2)见第(5)问答案(3)步骤C中，闭合开关前触头应处于使变阻器与小灯泡并联的电阻为零的位置BCAD (4)随着电压增加，通过小灯泡的电流增大，温度升高，灯泡灯丝的电阻率增加,【例2】一般情况下，导体的电阻会随着温度的改变而改变，某同学研究了一白炽灯两端的电压与电流的关系得到了如下实验数据：,请你完成下列工作：(1)在如图实所示的方格纸上画出电流与电压的关系图线,(2)实验过程中用到了下列器材：直流电源、滑动变阻器(最大值为30 )、电压表(量程15 V，内阻约为10K)、电流表(量程0.6 A，内阻约为0.01 )，开关一只及导线若干，请在图中按实验要求连接实物电路图,(3)某同学根据实验数据及图线作出了下列推论：如果灯泡两端的电压增大到20 V，那么灯泡中通过的电流一定不会大于0.392 A，你认为他的推论是否正确？(4)如果把该灯泡接到电动势为6 V，内阻为10 (内阻恒定)的电源两端，实际消耗的功率是多少？,【解析】(1)根据实验测得的14组(U，I)数据，在坐标纸中建立直角坐标系时，横轴和纵轴的单位长度怎样取才合理？答：考虑到所作出的图形应该尽可能占据整张坐标纸，不能只是出现在某一个小角落可根据测量的最大电压和最大电流，再结合已给出的横、纵坐标的格数确定单位长度横坐标每5格为2.00 V，纵坐标每10格为0.100 A.,(2)建立好坐标系后，如何画电流与电压的关系图线？答：根据所给出的每组数据在坐标系中描点，然后用光滑的曲线连接起来如下图所示,(5)滑动变阻器的接法有哪两种？本实验应该采用哪一种？为什么？答：滑动变阻器的接法有“分压”和“限流”两种为了使加在灯泡两端的电压能在较大范围内调节(描绘图线需要多组数据)，滑动变阻器采用分压式接法实物电路连接如下图所示,(6)从图线看出，随电压的增大，灯泡的电阻怎样变化？答图线上任意一点的切线斜率代表该点处灯泡的电阻值的倒数，随着电压的增大，斜率在减小，代表灯泡的电阻在增大,(7)在电压为20 V和14.30 V时，对应的电阻和电流大小如何？,(8)当把灯泡接到电动势为6 V，内阻为10 (内阻恒定)的电源两端时，灯泡两端的电压等于6 V吗？为什么？答不等于6 V因为根据闭合电路欧姆定律，当电源的内阻不能忽略时，内阻也要分担电压，使得灯泡两端的电压小于电源电动势6 V.,(9)在灯泡电压和电流都不知的情况下，怎么求解灯泡的功率？答当灯泡与电源串联组成一个闭合回路，它们的电流相等，灯泡电压(即为路端电压)和电源内阻的内电压之和等于电源电动势设此时灯泡两端的电压为U，则UEIr，I ，即I0.60.1U.,可作出闭合电路的路端电压随电流的变化图线，它与灯泡的伏安特性曲线相交的交点即为灯泡的电压和电流,由坐标图可知：U4.10 V，I0.180 A，得PUI0.738 W.【答案】(1)、(2)略(3)正确(4)0.738 W,1.有一规格为“220 V,100 W”的电珠，现用一准确的欧姆表测其电阻，测量结果是()A大于484 B等于484 C小于484 D无法确定,【答案】C,2.“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，提供了小灯泡(3.8V,0.3A)、电流表(00.5A，内阻约为0.4)、电压表(015V，内阻约为20k)及滑动变阻器(5,2A)等实验器材(1)如果用多用电表欧姆档粗略测量该小灯泡的电阻，应选用的档位是 _ .(选填选项前面的字母)A1000B100C10D1,(2)如果既要满足小灯泡两端电压从零开始连续变化，又要测量误差较小，应从下图所示的电路中选择 _电路做实验电路(选填对应电路图下面的字母),(3)利用实验数据画出了如右图所示的小灯泡的伏安特性曲线根据此图给出的信息可知，随着小灯泡两端电压的升高，小灯泡的电阻_.(选填“变大”、“变小”或“不变”),【答案】(1)D(2)B(3)变大,3. 发光晶体二极管是电器上做指示灯用的一种电子元件它的电路符号如图所示，正常使用时，带“”号的一端接高电势，带“”的一端接低电势某同学用实验的方法测得它两端的电压U和通过它的电流I的数据如下表所示.,(1) 画出该同学的电路图(实验中所用电压表的内阻RV约为10 k，电流表的内阻RmA约为100 ),(2)在下图中的小方格纸上用描点法画出二极管的IU 图象,(3)若发光二极管的最佳工作电压为2.0 V，而电源是由内阻不计、电动势为1.5 V的两节干电池串联而成的根据画出的伏安特性曲线上的信息分析，应该串联一个阻值多大的电阻后与电源接成闭合电路，才能使二极管工作处于最佳状态？,【解析】(1)由欧姆定律分析表格中的每一组数据，可以看出发光二极管的电阻是变化的，变化的范围大约在100 500 之间，与 1000 比较，属于小电阻，应采用电流表外接法；又从表格中得到信息，实验时，电压必须从0开始增大，因此滑动变阻器必须采用分压式接法所以实验电路如下图(a)所示,(2)将表格提供的数据在方格纸上描点，可画出二极管的IU图线，如上图(b)中的曲线所示(3)由上图(b)可知，当二极管两端的电压为2.0 V时，通过二极管的电流为12 mA.电源电动势为3 V，根据串联电路的特点知串联电阻R两端的电压为1.0 V，流过R的电流也为12 mA.由欧姆定律知，R 83.3 【答案】(1)、(2)见解析(3)83.3 ,4. 一个标有“12 V”字样，功率未知的灯泡，测得灯丝电阻R随灯泡两端电压变化的关系图线如图所示，利用这条图线计算：,(1)在正常发光情况下，灯泡的电功率P_W；(2)若一定值电阻与灯泡串联，接在20 V的电压上，灯泡能正常发光，则串联电阻的阻值为_；(3)假设灯丝电阻与其绝对温度成正比，室温为300 K，在正常发光情况下，灯丝的温度为_K.,【解析】(1)由题给的灯丝电阻R随灯泡两端电压变化的关系图线可知额定电压12 V对应的灯泡电阻R6 ，灯泡的电功率PU2/R122/6 W24 W.(2)灯泡正常发光两端电压U12 V，通过电流IU/R12/6 A2 A，串联电阻的阻值为R(20U)/I4 .(3)由题设可知灯丝电阻可表示为RkT，由灯丝电阻R随灯泡两端电压变化的关系图线可知，室温为300 K(所加电压为零)时灯丝电阻为1 ，即1k300.设正常发光情况下灯丝的温度为T，则有6kT，联立解得T1800 K.【答案】(1)24(2)4(3)1800,5. 要求使用如图所示的器材测定小灯泡在不同电压下的电功率，并且作出小灯泡的电功率P与它两端电压的平方(U2)的关系曲线，已知小灯泡标有“6 V3 W”的字样，电源是8 V的直流电源，滑动变阻器有两种规格，R1标有“10 2 A”，R2标有“100 20 mA”测量时要求小灯泡两端的电压从零开始逐渐增大，并测多组数据,(1)滑动变阻器应选用_(填“R1”或“R2”)；(2)甲同学把实物连成如图(1)所示的实验电路，闭合电键后小灯泡不亮，经合作者乙同学检查，发现有一根导线接错了，请你圈出这根导线，并用铅笔线加以纠正；(3)当电路连接无误后闭合电键，移动滑动变阻器的滑片，读出如图(2)所示电压表的示数为_V；,(4)改变滑动变阻器滑片的位置，测出多组电压、电流值，可得小灯泡在不同电压下的电功率，并作出相应的PU2图象则在下面各选项图中，有可能正确的图象是_，其理由是_,【解析】(1)要求小灯泡两端的电压从零开始逐渐增大，并测多组数据，应该设计为分压电路，滑动变阻器应选用阻值较小的R1.(2)图中小灯泡与电源没有构成闭合回路，纠正后如图所示(3)由于电源电压8 V，电压表应选择015 V量程，每小格刻度为0.5 V，所以读数为4.5 V.(4)见答