4 热点16 电学创新实验

热点16电学创新实验
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1．某同学在实验室测汽车电热器的电功率，此电热器额定电压为12 V．实验室备有下列器材．
A．输出电压为16 V的学生电源
B．量程为0～3 A的电流表，内阻约0．1 Ω
C．量程为0～0．6 A的电流表，内阻约0．5 Ω
D．量程为0～3 V的电压表，内阻约3 kΩ
E．量程为0～15 V的电压表，内阻约15 kΩ
F．0～10 Ω，额定电流为0．5 A的滑动变阻器
G．0～10 Ω，额定电流为2 A的滑动变阻器
H．导线，开关
该同学测量的数据记录如下：
(1)该电热器的阻值是否恒定不变？答：________(填“是”或“不是”)．
(2)合理选择实验器材：电流表选________，电压表选________，滑动变阻器选________．(填器材前的字母)
(3)请在方框内画出电路图．
(4)电热器的额定功率为________．(保留两位有效数字)
2．实验室备有以下器材：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1(阻值变化范围0～20 Ω)、滑动变阻器R2(阻值变化范围0～1 000 Ω)、电动势适当的电源、小灯泡(4 V，2 W)、开关、导线若干．
(1)要完整地描绘小灯泡的U－I曲线，请在方框中画出实验电路图，并标出所用滑动变
阻器的符号．
(2)实验中描绘出的小灯泡U－I曲线如图甲所示，由图可知，小灯泡灯丝电阻随温度升高而________(填“增大”“减小”或“不变”)．
(3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内电阻，实验电路如图乙所示，图中R0是阻值为9 Ω的保护电阻，实验中测得多组数据并记录在下表中，试在图甲中画出等效电源的U－I图象，由图象可求出电源自身内阻约为________Ω．
序号123456
U/V4．003．402．802．001．500．80
I/A0．200．250．330．400．460．52
(4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路，如图丙所示，此时小灯泡消耗的电功率约为________W．
3．太空探测器在探索宇宙过程中，由太阳能电池板给它提供能源．光明中学物理实验室有一块太阳能电池板，当有光照射它时(作为电源)，其路端电压与总电流的关系图象如图
甲中的曲线①所示；若没有光照射它时，相当于一个只有电阻的电学器件，无电动势．物理实验探究小组用“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验方法，探究该太阳能电池板在没有光照射时的伏安特性曲线，利用电压表(内阻约3 kΩ)、电流表(内阻约100 Ω)测得的多组数据作出的图象如图甲中曲线②所示．
(1)分析曲线②可知，该电池板作为电阻器件时的阻值随通过电流的增大而________(填“增大”或“减小”)，若所设计的电路如图乙所示，实验时应将图乙中电压表另一端a接在________点(填“b”或“c”)；
(2)图乙电路中a端接好后还少接了一根导线，请在图乙中画出；
(3)分析曲线①可知，该电池板作为电源时的电动势约为________V，若把它与阻值为1 kΩ的定值电阻连接构成一个闭合电路，在有光照射的情况下，该太阳能电池板的效率约为________%(计算结果保留两位有效数字)．
4．在某些汽车的后挡风玻璃中会嵌入一组电阻丝，可通电加热以化解霜冻．某物理兴趣小组对其进行研究，如图甲所示，是用伏安法测量其中一根电阻丝R x阻值的实物连线图．仪表规格如下表所示．
量程内阻
电流表A0～0．6 A等于0．20 Ω
电压表V0．3 V约为1 kΩ
(1)将单刀双掷开关S2置于位置b，闭合开关S1，电压表和电流表指针如图乙所示，则可读数电压表的示数U＝________V，电流表的示数I＝________A；计算得出电阻丝的阻值R x＝________Ω(保留两位有效数字)．
(2)若将单刀双掷开关置于位置a ，则通过电阻丝的电流________(选填“大于”或“小于”)此时电流表的读数．
(3)现有6根与R x 同型号的电阻丝和一个内阻为2．0 Ω的电源，为了达到最快的化霜效果，请选用几根电阻丝，并用笔画线代替导线，在图丙中进行设计连接．
参考答案与解析
1．解析：(1)由该同学记录的数据可知，电热器的阻值不是恒定不变的．
(2)因实验中电热器最大电压为12 V ，最大电流为0.5 A ，故选择量程为0～15 V 的电压表，量程为0～0.6 A 的电流表；如果采用滑动变阻器的限流接法，则当滑动变阻器阻值调到最大时，电热器上的电压仍然会大于2.4 V ，所以采用分压式接法，由于电热器的最大电流为0.5 A ，采用分压式时，滑动变阻器的一部分处在干路，故滑动变阻器能承受的最大电流必须大于0.5 A ，故选滑动变阻器G .
(3)由于电热器的电阻在20 Ω左右，200.5<15×103
20
，故采用电流表外接法，电路图如图所示．
(4)P ＝UI ＝12.0×0.5 W ＝6.0 W.
答案：(1)不是 (2)C E G (3)见解析图
(4)6.0 W
2．解析：(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变压器要采用分压式接法，由于灯泡的阻值较小，电流传感器应采用外接法，电路图如图所示．
(2)由题图甲所示的灯泡的U －I 图象可知，随电压和电流的增大，灯泡的实际功率增大，灯丝温度升高，电压与电流的比值增大，由此可知，灯泡灯丝电阻随温度升高而增大．
(3)根据表中数据作出电源的U －I 图象如图中直线所示，由图示图象可知，电源内阻r ＝ΔU ΔI
－R 0＝60.6 Ω－9 Ω＝1 Ω.
(4)由上图可知，灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路时，灯泡两端电压约为2.1 V ，电流约为0.39 A ，灯泡的电功率为P ＝UI ≈2.1×0.39 W ≈0.82 W.
答案：(1)图见解析 (2)增大
(3)图见解析 1 (4)0.82
3．解析：(1)由图线②可知，无光照时太阳能电池板的阻值远大于电流表内阻，所以采用电流表内接法，即a 端接b 点．
(2)描绘伏安特性曲线要求电压从零开始调节，即滑动变阻器要采用分压式接法，故应该将滑动变阻器右端与电源正极用导线相连，如图1所示．
(3)太阳能电池板的电动势由图线①与纵轴的交点直接读出，即2.75 V ；在题图甲中作1 k Ω 电阻的伏安特性曲线③如图2所示，图线③与图线①的交点即电路的工作点，其坐标为
(1.80，1.80)，电池板的效率η＝P 出P 总
×100%＝IU IE ×100%＝U E ×100%＝1.802.75×100%≈65%. 答案：(1)减小 b (2)如解析图1所示
(3)2.75 65
4．解析：(1)如题图乙所示，电流表选取的量程为0～0.6 A ，故读数为0.50 A ；电压表的量程为0～3 V ，故读数为1.60 V ，当开关S 2接b 时，电流表内接，电阻R x ＝1.60 V 0.50 A
－R A ＝3.20 Ω－0.20 Ω＝3.0 Ω.
(2)当开关S 2接a 时，电流表外接，由于电压表分流，所以此时电流表读数为流过电压表电流与流过电阻丝电流之和，故通过电阻丝的电流小于电流表读数．
(3)当外电路电阻和内电路电阻相等时，电源输出功率最大，化霜最快，即外电路电阻需为2.0 Ω，如图(a)、图(b)所示．
答案：(1)1.60 0.50 3.0 (2)小于
(3)见解析。