【物理】2020届一轮复习人教版实验描绘小电珠的伏安特性曲线学案

【物理】2020届一轮复习人教版实验描绘小电珠的伏安特性曲线学案

实验九描绘小电珠的伏安特性曲线 ‎◆ 注意事项 ‎1．电路的连接方式 ‎(1)电流表应采用外接法：因为小电珠(3.8 V,‎0.3 A)的电阻很小，与0～‎0.6 A的电流表串联时，电流表的分压影响很大．‎ ‎(2)滑动变阻器应采用分压式连接：目的是使小电珠两端的电压能从零开始连续变化．‎ ‎2．闭合开关S前，滑动变阻器的触头应移到使小电珠分得电压为零的一端，使开关闭合时小电珠的电压从零开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏灯丝．‎ ‎3．I－U图线在U0＝1.0 V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0 V左右绘点要密，以防出现较大误差．‎ ‎4．当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加，到额定值记录I后马上断开开关．‎ ‎5．误差较大的点要舍去，I－U图线应是平滑曲线而非折线．‎ ‎◆ 误差分析 ‎1．由于电压表、电流表不是理想电表，电表内阻对电路的影响会带来误差．‎ ‎2．电流表、电压表的读数带来误差，要严格按照读数规则读数．‎ ‎3．在坐标纸上描点、作图带来操作误差．‎ 热点一电路设计和实验原理 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例1](2017·全国卷Ⅰ)某同学研究小灯泡的伏安特性．所使用的器材有：小灯泡L(额定电压3.8 V，额定电流‎0.32 A)；电压表(量程3 V，内阻3 kΩ)；电流表(量程‎0.5 A，内阻0.5 Ω)；固定电阻R0(阻值1 000 Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0 Ω)；电源E(电动势5 V，内阻不计)；开关S；导线若干．‎ ‎(1)实验要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，画出实验电路原理图．‎ ‎(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示．‎ ‎ 由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻________(填“增大”“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率________(填“增大”“不变”或“减小”)．‎ ‎(3)用另一电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路，调节滑动变阻器R的阻值，可以改变小灯泡的实际功率．闭合开关S，在R的变化范围内，小灯泡的最小功率为________ W，最大功率为________W．(结果均保留两位小数)‎ ‎[解析](1)要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，故滑动变阻器用分压式接法，小灯泡为小电阻，电流表用外接法，如图 ‎(2)由I－U图象知，切线的斜率在减小，故灯泡的电阻随电流的增大而增大，再由电阻定律R＝ρ知，电阻率增大；‎ ‎(3)当滑动变阻器的阻值为9 Ω时，电路电流最小，灯泡实际功率最小，此时E＝U＋I(r＋R)得U＝4－10I，在图中作出该直线如图所示，交点坐标约为U＝1.80 V，I＝225 mA，P1＝UI＝0.41 W；整理得：I＝－U＋，当直线的斜率最大时，与灯泡的I－U曲线的交点坐标最大，即灯泡消耗的功率最大．当滑动变阻器电阻值R＝0时，灯泡消耗的功率最大，此时交点坐标为U＝3.75 V，I＝‎0.313 A，如图所示，最大的功率为P2＝UI＝1.17 W.‎ ‎[答案](1)图见解析 ‎(2)增大增大(3)0.411.17‎ ‎[题组巩固]‎ ‎1．在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，除有一标有“6 V1.5 W”的小电珠、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0～‎3 A(内阻在0.1 Ω以下)‎ C．直流电流表0～300 mA(内阻约为5 Ω)‎ D．直流电压表0～10 V(内阻约为15 kΩ)‎ E．滑动变阻器10 Ω，‎‎2 A F．滑动变阻器1 kΩ，‎‎0.5 A 实验要求小电珠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________(均用序号表示)．‎ ‎(2)在虚线框内画出实验电路图．‎ ‎(3)试将下图所示器材连成实验电路．‎ 解析：(1)I额＝ A＝250 mA，故电流表应选C.因要求小电珠两端的电压从零开始变化，滑动变阻器用分压式接法，应选较小阻值的E.‎ ‎(2)实验电路图如图所示 ‎(3)实物图连线如图所示 答案：(1)CE(2)图见解析(3)图见解析 ‎2．如图是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图．‎ ‎(1)根据图在虚线框内画出实验电路图；‎ ‎(2)调节滑动变阻器得到了两组电流表与电压表的示数如图中的①、②、③、④所示，电流表量程为‎0.6 A，电压表量程为3 V．所示读数为：①__________、②__________、③__________、④________.两组数据得到的电阻分别为________和________.‎ 解析：(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线需要测量电压的范围大，变阻器用分压接法，小灯泡电阻比较小，电流表要外接，电路图如图所示．‎ ‎(2)电流表量程为‎0.6 A时，最小刻度为‎0.02 A，读数读到小数点后两位，所以①表示数为‎0.10 A，②表示数为‎0.24 A；电压表量程为3 V，最小刻度为0.1 V，应估读到0.01 V，所以③表示数为2.00 V，④表示数为0.27 V，根据欧姆定律R1＝＝＝8.3 Ω，R2＝＝ Ω＝2.7 Ω.‎ 答案：(1)图见解析(2)‎0.10 A(0.10±0.02均可)‎ ‎0．‎24 A2.00 V0.27 V(0.27±0.01均可)8.3 Ω(8.3±0.1均可)2.7 Ω(2.7±0.1均可)‎ 热点二数据处理及误差分析 ‎[典例赏析]‎ ‎[典例2]某学习小组探究一小电珠在不同电压下的电功率大小，实验器材如图甲所示，现已完成部分导线的连接．‎ ‎(1)实验要求滑动变阻器的滑片从左到右移动过程中，电流表的示数从零开始逐渐增大，请按此要求用笔画线代替导线在图甲实物接线图中完成余下导线的连接；‎ ‎(2)某次测量，电流表指针偏转如图乙所示，则电流表的示数为________A；‎ ‎(3)该小组描绘出的伏安特性曲线如图丙所示，根据图线判断，将________只相同的小电珠并联后，直接与电动势为3 V、内阻为1 Ω的电源组成闭合回路，可使小电珠的总功率最大，其总功率的值约为________W(保留两位小数)．‎ ‎[解析](1)连线如图所示 ‎(2)由题图乙知电流表量程为‎0.6 A，所以读数为‎0.44 A；‎ ‎(3)电源内阻为1 Ω，所以当外电路总电阻等于电源内阻时，电源的输出功率最大，即小电珠的总功率最大，此时外电路电压等于内电压等于1.5 V，由题图丙知当小电珠电压等于1.5 V时电流约为‎0.38 A，此时电阻约为R＝＝3.95 Ω≈4 Ω，并联后的总电阻为1 Ω，所以需要4个小电珠并联，小电珠消耗的总功率约为P＝＝ W＝2.25 W.‎ ‎[答案](1)图见解析(2)0.44(3)42.25‎ ‎[题组巩固]‎ ‎3．由金属丝制成的电阻器阻值会随温度的升高而变大．某同学为研究这一现象，亲自动手通过实验描绘这样一个电阻器的伏安特性曲线．可供选择的实验器材有：‎ A．待测电阻器Rx(2.5 V,1.2 W)‎ B．电流表A(0～‎0.6 A，内阻为1 Ω)‎ C．电压表V(0～3 V，内阻未知)‎ D．滑动变阻器(0～10 Ω，额定电流为‎1 A)‎ E．电源(E＝3 V，内阻r＝1 Ω)‎ F．定值电阻R0(阻值为5 Ω)‎ G．开关一个和导线若干 ‎(1)实验时，该同学采用电流表内接法，并且电阻器两端电压从零开始变化，请在方框内画出实验电路图．‎ ‎(2)按照正确的电路图，该同学测得实验数据如下：‎ I/A ‎0.15‎ ‎0.20‎ ‎0.25‎ ‎0.30‎ ‎0.35‎ ‎0.40‎ ‎0.45‎ ‎0.48‎ U/V ‎0.25‎ ‎0.40‎ ‎0.60‎ ‎0.90‎ ‎1.25‎ ‎1.85‎ ‎2.50‎ ‎3.00‎ UR/V 其中，I是电流表的示数，U是电压表的示数，UR是电阻器两端的实际电压．请通过计算补全表格中的空格，然后在图中画出电阻器的伏安特性曲线．‎ ‎(3)该同学将本实验中的电阻器Rx以及给定的定值电阻R0二者串联起来，接在本实验提供的电源两端，则电阻器的实际功率是________ W．(结果保留两位小数)‎ 解析：(1)要使电阻器两端电压从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法．电路图如图甲所示．‎ ‎(2)电压表的示数减去电流表的分压即为电阻器两端的电压：UR＝U－Ir，数据如下表．电阻器的伏安特性曲线如图乙中曲线所示．‎ UR/V ‎0.10‎ ‎0.20‎ ‎0.35‎ ‎0.60‎ ‎0.90‎ ‎1.45‎ ‎2.05‎ ‎2.52‎ ‎(3)由UR＋I(r＋R0)＝E作出U－I图象如图乙中直线所示，由此图象与电阻器U－I图线的交点可得此时电阻器的电压UR＝0.9 V，电流I＝‎0.35 A，电阻器的实际功率为P＝URI≈0.32 W.‎ 答案：见解析 ‎4．在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，要测量—个标有“3 V1.5 W”的小电珠两端的电压和通过它的电流，现有如下器材：‎ A．直流电源3 V(内阻可不计)‎ B．直流电流表0～600 mA(内阻约为0.5 Ω)‎ C．直流电压表0～3 V(内阻约3 kΩ)‎ D．滑动变阻器(10 Ω，‎1 A)‎ E．滑动变阻器(1 kΩ，300 mA)‎ F．开关、导线若干 ‎(1)本实验中滑动变阻器应选用________(选填“D”或“E”)．‎ ‎(2)下表中的各组数据是该同学在实验中测得的，根据表格中的数据在如图甲所示的坐标纸上作出该小电珠的伏安特性曲线．‎ ‎(3)如图乙所示，将两个这样的小灯泡并联后再与阻值为5 Ω的定值电阻R0串联，接在电压恒为4 V的电路中，每个小灯泡的实际功率为________W.‎ 乙 解析：(1)实验中需测量多组数据，滑动变阻器用分压式接法，为了调节方便，滑动变阻器用阻值较小的，故选D.‎ ‎(2)描点画图，如图所示．‎ ‎(3)设小灯泡两端的电压为U，电流为I，根据闭合电路欧姆定律得：U0＝U＋2IR0，所以U＝－2R0I＋U0，代入数据得U＝－10I＋4，在小灯泡的伏安特性曲线同一坐标系上画出该直线，其交点(U，I)即为小灯泡的实际电压、电流值，可得小灯泡消耗的实际功率P＝‎ UI＝0.3 W.‎ 答案：(1)D(2)图见解析(3)0.3‎ ‎5．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，用导线a、b、c、d、e、f、g和h按下图所示方式连接好电路，电路中所有元器件都完好，且电压表和电流表已调零．闭合开关后：‎ ‎(1)若不管怎样调节滑动变阻器，小灯泡亮度能发生变化，但电压表、电流表的示数总不能为零，则可能是________导线断路．‎ ‎(2)某同学测出电源和小灯泡的U－I图线如图所示，电源的电动势E＝________V；小灯泡的电阻随温度的升高而________.‎ ‎(3)将与上面相同的两个小灯泡并联后接到上面电源上，每一只小灯泡的实际电功率是________W.‎ 解析：(1)若调节滑动变阻器，小灯泡的亮度变化，但电压表、电流表示数总不能为零，说明滑动变阻器不起分压作用，所以可能是g导线断路．‎ ‎(2)由电源的U－I图线知E＝3.0 V，由曲线上每一点对应的R＝判断出小灯泡的电阻随温度的升高而增大．‎ ‎(3)两个小灯泡并联后接到上面的电源上，如图甲所示，这种情况下，路端电压为任一小灯泡两端的电压，假设一个小灯泡上的电流为I，则干路中的电流为2I，电路方程为E＝U＋2Ir，变形可得函数方程U＝E－(2r)I，其函数图象如图乙所示，这个电路图线与一个灯泡的伏安特性曲线的交点即为一个小灯泡的实际工作参量，因为路端电压U在数值上也是一个小灯泡两端的电压，根据交点坐标(1.1 V,‎0.95 A)可以计算出一个小灯泡消耗的功率为P＝UI＝1.1×0.95 W＝1.045 W.‎ 答案：(1)g(2)3.0增大(3)1.045‎ 热点三拓展创新实验 ‎[核心提炼]‎ 创新点 创新方案 实验器材 实验方案 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 数据处理 采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理．‎ ‎[典例赏析]‎ ‎[典例3]某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括电压表(内阻约为3 kΩ)、电流表(内阻约为1 Ω)、定值电阻等．‎ ‎(1)使用多用电表粗测元件X的电阻，选择“×‎1”‎欧姆挡测量，示数如图(a)所示，读数为________ Ω.据此应选择图中的________(填“(b)”或“(c)”)电路进行实验；‎ ‎(2)连接所选电路，闭合S；滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，电流表的示数逐渐________(填“增大”或“减小”)；依次记录电流及相应的电压；将元件X换成元件Y，重复实验；‎ ‎(3)如图(d)是根据实验数据作出的U－I图线，由图可判断元件________(填“X”或“Y”)是非线性元件；‎ ‎(4) 该小组还借助X和Y中的线性元件和阻值R＝21 Ω的定值电阻，测量待测电池的电动势E和内阻r，电路图如图(e)所示，闭合S1和S2, 电压表读数为3.00 V；断开S2, 读数为1.00 V．利用图(d)可算得E ＝________ V．r＝________Ω(结果均保留两位有效数字，视电压表为理想电压表)．‎ ‎[解析](1)由题图(a)可知，多用电表的读数为10 Ω，由于元件的电阻较小，电路应选用电流表外接法，即选择图(b)电路．‎ ‎(2)当滑动变阻器的滑片向右移时，电流表的示数增大．‎ ‎(3)由于元件Y的U－I图线是曲线，因此Y是非线性元件．‎ ‎(4)设线性元件的电阻为R，由U－I图线可知，R＝＝10 Ω，‎ 则S1、S2均闭合时，E＝‎0.3 A×(10 Ω＋r)，‎ S1闭合、S2断开时，E＝‎0.1 A×(10 Ω＋21 Ω＋r)，‎ 解得E≈3.2 V，r＝0.50 Ω.‎ ‎[答案](1)10(b)(2)增大(3)Y(4)3.20.50‎ ‎[题组巩固]‎ ‎6．(2016·天津卷)某同学想要描绘标有“3.8 V‎0.3 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0～3 V，内阻等于3 kΩ)‎ 电压表V2(量程0～15 V，内阻等于15 kΩ)‎ 电流表A1(量程0～200 mA，内阻等于10 Ω)‎ 电流表A2(量程0～3 A，内阻等于0.1 Ω)‎ 滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流‎2 A)‎ 滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流‎0.5 A)‎ 定值电阻R3(阻值等于1 Ω)‎ 定值电阻R4(阻值等于10 Ω)‎ 定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)‎ 电源E(E＝6 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I－U图象应是下图中的________.‎ 解析：(1)用电压表V1和R5串联，可改装成量程为U＝(rg＋R5)＝×(3＋1) V＝4 V的电压表；用量程为200 mA的电流表A1与定值电阻R4并联可改装为量程为I＝Ig＋＝‎0.2 A＋ A＝‎0.4 A的电流表；待测小灯泡的阻值较小，故采用电流表外接，电路图如图．‎ ‎(2)小灯泡的电阻随温度升高而变大，故该同学描绘出的I－U图象应该是B.‎ 答案：(1)图见解析(2)B ‎7．某实验小组的同学在学校实验室中发现一电学元件，该电学元件上标有“最大电流不超过6 mA，最大电压不超过7 V”，同学们想通过实验描绘出该电学元件的伏安特性曲线，他们设计的一部分电路如图所示，图中定值电阻R＝1 kΩ，用于限流；电流表量程为10 mA，内阻约为5 Ω；电压表(未画出)量程为10 V，内阻约为10 kΩ；电源电动势E为12 V，内阻不计．‎ ‎(1)实验时有两个滑动变阻器可供选择：‎ A．阻值0～200 Ω，额定电流‎0.3 A B．阻值0～20 Ω，额定电流‎0.5 A 应选的滑动变阻器是________(填“A”或“B”)．‎ 正确接线后，测得数据如下表：‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎8‎ ‎9‎ ‎10‎ U/V ‎0.00‎ ‎3.00‎ ‎6.00‎ ‎6.16‎ ‎6.28‎ ‎6.32‎ ‎6.36‎ ‎6.38‎ ‎6.39‎ ‎6.40‎ I/mA ‎0.00‎ ‎0.00‎ ‎0.00‎ ‎0.06‎ ‎0.50‎ ‎1.00‎ ‎2.00‎ ‎3.00‎ ‎4.00‎ ‎5.50‎ ‎(2)由以上数据分析可知，电压表应并联在M与________之间(填“O”或“P”)；‎ ‎(3)将电路图在方框中补充完整；‎ ‎(4)从表中数据可知，该电学元件的电阻的特点是：_________________________________‎ ‎________________________________________________________________________.‎ 解析：(1)滑动变阻器A允许的最大电压为0.3×200 V＝60 V＞12 V，滑动变阻器B两端所能加的最大电压为0.5×20 V＝10 V＜12 V，为保证安全，滑动变阻器应选A.‎ ‎(2)由表中实验数据可知，电学元件电阻的最小测量值约为：R＝ Ω≈1 163.6 Ω，电流表内阻约为5 Ω，电压表内阻约为10 kΩ，相对来说，元件电阻远大于电流表内阻，电流表应采用内接法，因此电压表应并联在M与P之间．‎ ‎(3)描绘伏安特性曲线，电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，由(2)可知，电流表采用内接法，实验电路图如图所示：‎ ‎(4)由表中实验数据可知，当元件两端的电压小于6 V时，电路电流很小，几乎为零，由欧姆定律可知，元件电阻非常大，不导电；当元件两端电压大于6 V时，随着电压的升高电流迅速增大，电压与电流的比值减小，电阻变小．‎ 答案：(1)A(2)P(3)图见解析(4)当元件两端的电压小于6 V时，元件电阻非常大，不导电；当元件两端的电压大于6 V时，随着电压的升高电阻变小