第4讲小灯泡的伏安特性曲线

第4讲 实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线 高三物理一、原理： 注意事项 1．电流表外接法：本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法．2．滑动变阻器应采用分压式连接本实验要作出U -I 图线，要求测出一组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压接法．3．保护元件安全：为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于图中的a 端．加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压． 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，电流表外接，由于电压表的分流，使测得的电流值大于真实值．2．测量时读数带来误差．3．在坐标纸上描点、作图带来误差.二、实验操作、数据处理及实验结果的分析【典例1】一实验小组准备探究某种元件Q的伏安特性曲线，他们设计了如图1甲所示的电路图．请回答下列问题：图1(1)请将图乙中的实物连线按电路图补充完整．(2)考虑电表内阻的影响，该元件电阻的测量值________(填“大于”、“等于”或“小于”)真实值．(3)闭合开关S，电流表、电压表均有示数，但无论怎样移动变阻器滑片，总不能将电压表的示数调为零．原因可能是图中的________(填“a”、“b”、“c”、“d”、“e”或“f”)处接触不良．(4)实验测得表格中的7组数据．请在图2中的坐标纸上作出该元件的IU图线.图2(5)为了求元件Q在I-U图线上某点的电阻，甲同学利用该点的坐标I、U，由R＝UI求得．乙同学作出该点的切线，求出切线的斜率k，由R＝1k求得．其中________(填“甲”或“乙”)同学的方法正确．小结：实物连线的原则1．先串后并，接线到柱，注意量程和正负．2．对限流电路，用笔画线代替导线，从电源正极开始，把电源、开关、滑动变阻器、“伏安法”四部分依次串联起来即可(注意电表的正负接线柱和量程，滑动变阻器应调到阻值最大处)．3．对分压电路，应该先把电源、开关和滑动变阻器的全部电阻丝三部分用导线连接起来，然后在滑动变阻器电阻丝两端之中任选一个接头，比较该接头和滑动触头两点的电势高低，根据“伏安法”部分电表正负接线柱的情况，将“伏安法”部分接入该两点间．【变式跟踪1】在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，现除了有一个标有“5 V,2.5 W”的小灯泡、导线和开关外，还有：A．直流电源(电动势约为5 V，内阻可不计)B．直流电流表(量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω)C．直流电流表(量程0～600 mA，内阻约为5 Ω)D．直流电压表(量程0～15 V，内阻约为15 kΩ)E．直流电压表(量程0～5 V，内阻约为10 kΩ)F．滑动变阻器(最大阻值10 Ω，允许通过的最大电流为2 A)G．滑动变阻器(最大阻值1 kΩ，允许通过的最大电流为0.5 A)实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能测多组数据．(1)实验中电流表应选用________，电压表应选用________，滑动变阻器应选用________(均用序号字母表示)．(2)请按要求将图3中所示的器材连成实验电路．图3(3)某同学通过实验正确作出的小灯泡的伏安特性曲线如图4甲所示．现把实验中使用的小灯泡接到如图乙所示的电路中，其中电源电动势E＝6 V，内阻r＝1 Ω，定值电阻R＝9 Ω，此时灯泡的实际功率为________W．(结果保留两位有效数字)甲乙图4三、实验原理及实验方法的迁移【典例2】已知一个标有图5“2.4 V，0.06 A”字样的电学元件的RU特性如图5所示．某同学想利用下列可供选择的实验器材，设计一个电路验证该元件的电阻R随电压U变化的图象．可供选择的器材有：电流表A1(量程100 mA，内阻约2 Ω)；电流表A2(量程0.3 A，内阻约0.3 Ω)；电压表V1(量程1 V，内阻500 Ω)；电压表V2(量程15 V，内阻1 kΩ)；定值电阻R1(电阻为1 kΩ)；定值电阻R2(电阻为10 kΩ)；滑动变阻器R0(0～10 Ω，2 A)；电池E(电动势为3 V，内阻很小)；导线若干和开关S一个．(1)利用实验电路测量时，该同学为了提高准确度，测量了多组数据．他在实验中应选用电流表________，电压表________，定值电阻________(填所选器材的符号)．(2)在方框内画出该同学的实验电路图．(3)在实验过程中，元件正常工作时电压表的示数应为________ V.四、巩固提高1．一只小灯泡，标有“3 V,1.5 W”的字样．现要描绘小灯泡0～3 V的伏安特性曲线．实验器材有：A．最大阻值为10 Ω的滑动变阻器B．电动势为6 V、内阻约为1.0 Ω的电源C．量程为0.6 A、内阻约为1.0 Ω的电流表A1D．量程为3 A、内阻约为0.1 Ω的电流表A2E．量程为3 V、内阻约为6 kΩ的电压表V1F．量程为15 V、内阻约为10 kΩ的电压表V2G．开关、导线若干(1)电压表应选用________；电流表应选用________．(将选项代号的字母填在横线上)(2)在该实验中，设计了如图所示的四个电路．为了减小误差，应选取的电路是________(将选项代号的字母填在横线上)．(3)以下是该实验的操作步骤：A．将电流表、电压表、变阻器、小灯泡、电源、开关正确连接成电路；B．调节滑动变阻器滑片的位置，保证闭合开关前使滑动变阻器与小灯泡并联部分的阻值最大；C．闭合开关，记下电压表、电流表的一组示数(U1，I1)，移动滑动变阻器的滑片，每移动一次记下一组(U，I)值，共测出12组数据；D．按所测数据，在坐标纸上描点并将各点用直线段连接起来，得出小灯泡的伏安特性曲线．指出以上步骤中存在错误或不妥之处并修改．2．图6为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为2.5 V.图6(1)完成下列实验步骤：①闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，________；②闭合开关后，逐渐移动变阻器的滑片，________；③断开开关，……根据实验数据在方格纸上作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线．(2)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图．3．有一个小灯泡上标有“4 V,2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的I-U图线，现有下列器材供选用：A．电压表(0～5 V，内阻10 kΩ)B．电压表(0～15 V，内阻20 kΩ)C．电流表(0～3 A，内阻0.4 Ω)D．电流表(0～0.6 A，内阻1 Ω)E．滑动变阻器(最大阻值为10 Ω，允许最大电流为2 A)F．滑动变阻器(最大阻值为500 Ω，允许最大电流为1 A)G．学生电源(直流6 V)、开关、导线若干(1)实验时，选用图7甲而不选用图乙所示的电路图来完成实验，其理由是：________________________________________________________________________.(2)实验中所用电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________．(用序号字母表示)图74．物理兴趣小组的同学们从实验室中找到一只小灯泡，其标称功率值为0.75W，额定电压值已模糊不清．他们想测定其额定电压值，于是先用欧姆表直接测出该灯泡的电阻约为2 Ω，然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U＝PR＝2×0.75 V＝1.22 V．他们怀疑所得电压值不准确，于是，再利用下面可供选择的实验器材设计一个电路，测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘灯泡的U-I图线，进而分析灯泡的额定电压．A．电压表V(量程3 V，内阻约3 kΩ)B．电流表A1(量程150 mA，内阻约2 Ω)C．电流表A2(量程500 mA，内阻约0.6 Ω)D．滑动变阻器R1(0～20 Ω)E．滑动变阻器R2(0～100 Ω)F．电源E(电动势4.0 V，内阻不计)G．开关S和导线若干H．待测灯泡L(额定功率0.75 W，额定电压未知)(1)在下面所给的虚线框中画出他们进行实验的电路原理图，指出上述器材中，电流表选择________(填“A1”或“A2”)；滑动变阻器选择________(填“R1”或“R2”)．(2)在实验过程中，该同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加，当电压达到1.23 V时，发现灯泡亮度很暗，当达到2.70 V时，发现灯泡已过亮，便立即断开开关，并将所测数据记录在下边表格中.图8(3)由图象得出该灯泡的额定电压应为________V；这一结果大于 1.23 V，其原因是________________________________________________________________________．5．某学习小组的同学拟探究小灯泡L的伏安特性曲线，可供选用的器材如下：小灯泡L，规格“4.0 V,0.7 A”；电流表A1，量程3 A，内阻约为0.1 Ω；电流表A2，量程0.6 A，内阻r2＝0.2 Ω；电压表V，量程3 V，内阻r V＝9 kΩ；标准电阻R1，阻值1 Ω；标准电阻R2，阻值3 kΩ；滑动变阻器R，阻值范围0～10 Ω；学生电源E，电动势6 V，内阻不计；开关S及导线若干．①甲同学设计了如图9(1)所示的电路来进行测量，当通过L的电流为0.46 A时，电压表的示数如图(2)所示，此时L的电阻为________Ω.图9②乙同学又设计了如图10a所示的电路来进行测量，电压表指针指在最大刻度时，加在L 上的电压值是________V.③学习小组认为要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线，需要重新设计电路．请你在乙同学的基础上利用所供器材，在图10b所示的虚线框内补画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号．图10高三物理第4讲实验八描绘小电珠的伏安特性曲线答案【典例1】解析(1)由电路图可知，电流表为外接法，滑动变阻器为分压式接法．(2)由电流表外接的特点可知，该元件的测量值小于其真实值．(3)当图中的f处接触不良时，控制电路由分压式变为限流式，故无法将电压表的示数调为零．(4)根据表中的数据，先描点，再利用平滑的曲线连接起来．(5)IU图线上切线(即斜率)可反映电阻的大小，但不能用来计算电阻的大小，而R＝UI则可以用来计算电阻的大小．答案(1)如图所示(2)小于(3)f(4)如图所示(5)甲【变式跟踪1】解析(1)由灯泡标识(5 V，2.5 W)知，I＝PU＝0.5 A，因此电流表选C，电压表选E.由于电路接成分压式，滑动变阻器选F.(2)如图所示(3)把定值电阻作为电源的内阻，则该电源短路时的电流为I max＝ER＋r＝0.6 A，在题图中的U－I图中，作出此电源的U－I图线如图中虚线所示两图线交点即表示该灯泡的实际工作点．由图知U ＝2.2 V ，I ＝0.38 A ，所以P ＝UI ＝2.2×0.38 W ＝0.84 W. 答案 (1)C E F (2)见解析图 (3)0.84(0.81～0.87)皆可 【典例2】解析 分析R-U 特性可知，该元件的最大电流为I ＝U R ＝2.440 A ＝0.06 A ＝60 mA ，故应选电流表A 1；电压最大值为2.4 V ，V 1量程太小，而V 2量程太大，将V 1与定值电阻R 1串联，当V 1(内阻500 Ω)为1 V 时，R 1两端电压为2 V ，二者串联可等效为一个量程为3 V 的电压表，满足量程需求．电压要求从0开始调节，故滑动变阻器连接采用分压法．R max <R A R V ，因此电流表采用外接法．元件正常工作时，两端电压为2.4 V ，UR V1＝R V1R V1＋R 1U ＝U3＝0.8 V .答案 (1)A 1 V 1 R 1 (2)如解析图所示 (3)0.8 四、巩固提高1．解析 (1)因为小灯泡的额定电压为3 V ，故电压表选E ；小灯泡的额定电流I ＝P U ＝1.53 A＝0.5 A ，故电流表选C.(2)小灯泡在额定电压下的电阻R ＝U I ＝6 Ω，由于R V R >RR A ，故电流表外接．描绘伏安特性曲线时，电压从零开始，需用滑动变阻器的分压式接法，选C. 答案 (1)E C (2)C (3)步骤B 不妥，闭合开关前应使滑动变阻器与小灯泡并联部分的阻值为零；步骤D 有错，应为按所测数据，在坐标纸上描点并将各点用一条平滑的曲线连接起来． 2．解析(1)滑动变阻器为分压式接法，故闭合开关前，灯泡两端的电压为零，调节滑动变阻器的滑片，使它靠近滑动变阻器左端的接线柱．闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，增加小灯泡两端的电压，记录电流表和电压表的多组读数，直至电压达到额定电压．(2)与实物电路相应的电路图如图所示．答案(1)①使它靠近滑动变阻器左端的接线柱②增加小灯泡两端的电压，记录电流表和电压表的多组读数，直至电压达到其额定电压(2)如解析图所示3．解析(1)因实验目的是描绘小灯泡的伏安特性曲线，需要多次改变小灯泡两端的电压，故采用甲图所示的分压式电路合适，这样电压可以从零开始调节，且能方便地测多组数据．(2)因小灯泡额定电压为4 V,0～15 V的量程太大，读数误差大，所以电压表选0～5 V的A；小灯泡的额定电流I＝0.5 A，则电流表只能选D；滑动变阻器F的最大阻值远大于小灯泡电阻8 Ω，调节不方便，故应选滑动变阻器E；又因R V R A>R2x，所以电流表应外接．答案(1)描绘灯泡的IU图线所测数据需从零开始，并要多取几组数据(2)A D E 4．解析(1)根据P＝I2R，估算灯泡的电流大约是600 mA，因此电流表应选A2；本实验要描绘出灯泡的U－I图线，需要测量多组数据，因此滑动变阻器应接成分压式，所以应选阻值较小的R1；小灯泡电阻不大，电流表应外接；(2)如图所示(3)由P＝UI＝0.7-5- W，再结合图象可知U额＝2.5 V；大于1.23 V的原因是由于灯泡冷态电阻小于正常工作时的电阻．答案(1)电路原理图如图所示A2R1(2)见解析图(3)2.5(2.4～2.6)灯泡冷态电阻小于正常工作时的电阻(或灯泡电阻随温度升高而变大)5．解析①电压表的示数U＝2.30 V，所以灯泡的电阻R L＝UI＝2.300.46Ω＝5 Ω.②由题图知电压表V与R2串联，根据串联分压，当电压表V的示数为3 V时，R2两端的电压U2＝U VR V R2＝39×3 V＝1 V，所以灯泡两端的电压U′＝U V＋U2＝(3＋1)V＝4 V.③要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线，则电压表的量程为4.0 V，电流表的量程为0.7 A，因此将电压表V与标准电阻R2串联改装为量程为4.0 V的电压表，将电流表A2与标准电阻R1，并联改装量程为0.6 A＋0.6×0.21A＝0.7-2- A的电流表．故虚线框内实验电路如下图所示．答案①5②4③如解析图所示。