高考物理一轮复习 第八章 恒定电流 第4讲 实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线学案.doc

第4讲实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线微知识1 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。微知识2 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。微知识3 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。微知识4 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。微知识5 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。微知识6 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。一、思维辨析(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。()二、对点微练1(伏安法测电阻)在伏安法测电阻的实验中，待测电阻rx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“大内小外”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：(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。见学生用书p130微考点1实物图连接和数据处理核|心|微|讲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。(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)【解题导思】(1)本实验中电流表采用内接法还是外接法误差更小？为了便于调节滑动变阻器，应采用限流式接法还是分压式接法？答：电流表采用外接法误差小，滑动变阻器采用分压式接法。(2)如何利用ui图象求电阻的阻值？答：过原点的ui图象的斜率表示电阻的阻值 。 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|微|练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，小明测量小灯泡的电压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微考点2实验的迁移、拓展和创新核|心|微|讲以本实验为背景，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。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【解题导思】滑动变阻器滑片的位置不变，当电压表的示数为2.00 v时，电阻箱两端电压为多少？答：电阻箱两端电压为2.50 v2.00 v0.50 v。 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|微|练3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 w0.15 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)0.304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。描点与绘图如图所示。由于绘出的ixux图象不是直线，即ix与ux成非线性关系。甲 乙答案(1)连线见解析图甲(2)1.400.23描点绘出ixux，图线见解析图乙非线性见学生用书p1321某同学想要描绘标有“3.8 v,0.3 a”字样小灯泡l的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。可供该同学选用的器材除开关、导线外，还有：电压表v1(量程03 v，内阻等于3 k)电压表v2(量程015 v，内阻等于15 k)电流表a1(量程0200 ma，内阻等于10 )电流表a2(量程03 a，内阻等于0.1 )滑动变阻器r1(010 ，额定电流2 a)滑动变阻器r2(01 k，额定电流0.5 a)定值电阻r3(阻值等于1 )定值电阻r4(阻值等于10 )定值电阻r5(阻值等于1 k)电源e(e6 v，内阻不计)(1)请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。(2)该同学描绘出的iu图象应是下图中的_。(填选项字母)解析(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线实验时，需要设计成滑动变阻器的分压接法，滑动变阻器应选择与小灯泡阻值相接近的r1。给出的器材电压表v1量程小于小灯泡的额定电压，电压表v2量程又太大，因此需要将电压表v1串联一个1 k的定值电阻r5，改装成最大量程为4 v的电压表。给出的器材电流表a1量程小于小灯泡的额定电流，电流表a2量程又太大，因此需要将电流表a1并联一个10 的定值电阻r4，改装成最大量程为400 ma的电流表。(2)由于小灯泡灯丝的电阻随温度的升高而增大，所以该同学绘出的小灯泡的iu图象应是b项。答案(1)如图所示(2)b2(2017全国卷)某同学利用如图甲所示的电路测量一微安表(量程为100 a，内阻大约为2 500 )的内阻。可使用的器材有：两个滑动变阻器r1、r2(其中一个阻值为20 ，另一个阻值为2 000 )；电阻箱rz(最大阻值为99 999.9 )；电源e(电动势约为1.5 v)；单刀开关s1和s2。c、d分别为两个滑动变阻器的滑片。(1)按原理图甲将图乙中的实物连接起来。(2)完成下列填空：r1的阻值为_(填“20”或“2 000”)。为了保护微安表，开始时将r1的滑片c滑到接近图甲中的滑动变阻器的_(填“左”或“右”)端对应的位置；将r2的滑片d置于中间位置附近。将电阻箱rz的阻值置于2 500.0 ，接通s1。将r1的滑片置于适当位置，再反复调节r2的滑片d的位置。最终使得接通s2前后，微安表的示数保持不变，这说明s2接通前b与d所在位置的电势_(填“相等”或“不相等”)。将电阻箱rz和微安表位置对调，其他条件保持不变，发现将rz的阻值置于2 601.0 时，在接通s2前后，微安表的示数也保持不变。待测微安表的内阻为_。(结果保留到个位)(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议：_。解析(1)实物连线如图：(2)滑动变阻器r1要接成分压电路，则要选择阻值较小的20 的滑动变阻器；为了保护微安表，开始时将r2的滑片c滑到接近图甲中滑动变阻器的左端对应的位置；将电阻箱rz的阻值置于2 500.0 ，接通s1；将r1的滑片置于适当位置，再反复调节r2的滑片d的位置；最终使得接通s2前后，微安表的示数保持不变，这说明s2接通前后在bd中无电流流过，可知b与d所在位置的电势相等；设滑片p两侧电阻分别为r21和r22，因b与d所在位置的电势相等，可知；同理当rz和微安表对调后，仍有；联立两式解得ra 2 550 。(3)为了提高测量精度，调节r1上的分压，尽可能使微安表接近满量程。答案(1)连线见解析(2)20左相等2 550(3)调节r1上的分压，尽可能使微安表接近满量程3小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值r随温度t的变化关系。已知该金属电阻在常温下的阻值约10 ，r随t的升高而增大。实验电路如图所示，控温箱用以调节金属电阻的温度。实验时闭合s，先将开关k与1端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度t1、t2、和电流表的相应示数i1、i2、。然后将开关k与2端闭合，调节电阻箱使电流表的示数再次为i1、i2、，分别记下电阻箱相应的示数r1、r2、。(1)有以下两种电流表，实验电路中应选用_。(填选项字母)a量程0100 ma，内阻约2 b量程00.6 a，内阻可忽略(2)实验过程中，要将电阻箱的阻值由9.9 调节至10.0 ，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”，正确的操作顺序是_。(填序号)将旋钮a由“0”旋转至“1”将旋钮b由“9”旋转至“0”将旋钮c由“9”旋转至“0”(3)实验记录的t和r的数据见下表：温度t()20.040.060.080.0100.0阻值r()9.610.411.112.112.8请根据表中数据，在方格纸上作出rt图线。由图线求得r随t的变化关系为r_ 。解析(1)电路中的最大电流可能为i a150 ma，因此选用a。(2)要将电阻箱的电阻值由9.9 调为10.0 ，应先将a旋钮由“0”旋转至“1”，再将c由“9”旋转至“0”，再将b由“9”旋转至“0”，因此顺序为(或)。(3)由作出的图线可知，电阻r与温度t的关系为r8.8t()8.80.04t()答案(1)a(2)(或)(3)如图所示0.04t8.8(0.04t8.60.04t9.0都算对)4霍尔效应是电磁基本现象之一，近期我国科学家在该领域的实验研究上取得了突破性发展。如图所示，在一矩形半