专题15+实验：描绘小电珠的伏安特性曲线（精讲）2019年高考物理双基突破（二）

专题15+实验：描绘小电珠的伏安特性曲线（精讲）2019年高考物理双基突破（二）

一、实验目的 ‎1．掌握描绘小电珠的伏安特性曲线；‎ ‎2．分析小电珠伏安特性曲线的变化规律。‎ 二、实验原理 ‎1、测多组小灯泡的U、I的值，并绘出I－U图象；‎ ‎2、由图线的斜率反映电流与电压的关系，以及温度的影响。‎ 三、实验器材 小灯泡“3.8 V，0.3 A”、电压表“0～3 V～15 V”、电流表“0～0.6 A～3 A”、滑动变阻器、学生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔。‎ 实验器材选取 ‎1．原则：①安全；②精确；③操作方便。‎ ‎2．具体要求 ‎①电源允许最大电流不小于电路中的实际最大电流。干电池中电流一般不允许超过0.6 A。‎ ‎②用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流。‎ ‎③电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值。‎ ‎④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的以上。‎ ‎⑤从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器。‎ 四、实验步骤 ‎1．确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分压式接法，画出电路图（如实验原理图）。‎ ‎2．将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如实验原理图所示的电路。‎ ‎3．测量与记录测出小电珠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，并将测量数据填入自己设计的表格中。‎ ‎4．拆除电路，整理仪器。‎ 五、数据处理 ‎①在坐标纸上以U为横轴，I为纵轴，建立直角坐标系。‎ ‎②在坐标纸上描出各组数据所对应的点。‎ ‎③将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线。‎ 六、误差分析 ‎1．系统误差：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。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．偶然误差：‎ ‎（1）电压表、电流表的读数带来的误差。（2）在坐标纸上描点、作图带来的误差。‎ 七、注意事项 ‎1．电路的连接方式 ‎（1）电流表应采用外接法：本实验中被测小电珠的电阻值较小，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：目的是使小电珠两端的电压能从零开始连续变化。‎ ‎（3）保护元件安全：闭合开关S前，滑动变阻器的滑片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小电珠。‎ ‎2．图象的画法 ‎（1）建立坐标系时，纵轴表示电流，横轴表示电压，两坐标轴选取的标度要合理。‎ ‎（2）I－U图线在U＝1.0 V左右时将发生明显弯曲，故在U＝1.0 V左右绘点要密，以防出现较大误差。‎ ‎（3）误差较大的点要舍去，I－U图线应是平滑曲线而非折线。‎ ‎3．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。‎ 热点一　实验数据处理与误差分析的考查 ‎【题1】某同学用图甲所示的电路测绘额定电压为3.0 V的小灯泡I－U图线，并研究小灯泡的实际功率与所加电压的关系。‎ ‎（1）根据电路图，用笔画线代替导线，将图乙中的实物图连成完整的实验电路。‎ ‎（2）开关S闭合之前，图甲中滑动变阻器R的滑片应置于________（填“a端”、“b端”或“ab的正中间”）。‎ ‎（3）根据实验数据，画出的小灯泡的I－U图线如图所示，由此可确定小灯泡在电压为2.5 V时的实际功率为________（保留三位有效数字）。‎ ‎（4）已知小灯泡灯丝在27 ℃时的电阻是1.5 Ω，并且其阻值与灯丝温度的关系为R＝k（273＋t ℃），k为比例常数，根据I－U图线，估算该灯泡以额定功率工作时灯丝温度约为______℃。‎ ‎【答案】（1）见解析（2）a （3）0.975 W （4）1 155 ℃‎ ‎（2）开关S闭合之前，应使小灯泡两端的电压最小，故滑动变阻器R的滑片应置于a端。‎ ‎（3）由小灯泡的I－U图线可知，当电压为2.5 V时，通过小灯泡的电流约为0.39 A，故小灯泡的实际功率P＝UI＝2.5×0.39 W＝0.975 W。 ‎ ‎【题2】为了更准确地测量某电压表的内阻RV（RV约为3.0×103 Ω），该同学设计了下图所示的电路图，实验步骤如下：‎ A．断开开关S，按图连接好电路；‎ B．把滑动变阻器R的滑片P滑到b端；‎ C．将电阻箱R0的阻值调到零；‎ D．闭合开关S；‎ E．移动滑动变阻器R的滑片P的位置，使电压表的指针指到3 V位置；‎ F．保持滑动变阻器R的滑片P位置不变，调节电阻箱R0的阻值使电压表指针指到1.5 V位置，读出此时电阻箱R0的阻值，此值即为电压表内阻RV的测量值；‎ G．断开开关S。‎ 实验中可供选择的实验器材有：‎ a．待测电压表 b．滑动变阻器：最大阻值2 000 Ω c．滑动变阻器：最大阻值10 Ω d．电阻箱：最大阻值9 999.9 Ω，阻值最小改变量为0.1 Ω e．电阻箱：最大阻值999.9 Ω，阻值最小改变量为0.1 Ω f．电池组：电动势约6 V，内阻可忽略 g．开关、导线若干 按照这位同学设计的实验方法，回答下列问题：‎ ‎（1）要使测量更精确，除了选用电池组、导线、开关和待测电压表外，还应从提供的滑动变阻器中选用________（填“b”或“c”），电阻箱中选用________（填“d”或“e”）。‎ ‎（2）电压表内阻RV的测量值R测和真实值R真相比，R测________R真（填“>”或“<”）；若RV越大，则越________（填“大”或“小”）。‎ ‎【答案】（1）c　d　（2）>　小 ‎（2）由闭合电路欧姆定律可知，随着电阻箱的阻值变大，电源两端的路端电压随之变大，当电阻箱调至使电压表半偏时，此时电压表与变阻箱两端的总电压比变阻箱阻值为0时要大，故此时变阻箱的实际分压是大于电压表的，故有R测>R真，外电阻越大，干路电流越小，当外电阻变化时，路端电压的变化量越小，故测量误差也越小。 ‎ ‎【题3】某学习小组欲探究小灯泡（“3 V　1.5 W”） 的伏安特性，可提供实验器材如下：‎ 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0～3 V，内阻约为3 kΩ；V2：量程为0～15 V，内阻约为15 kΩ ‎ C．双量程的电流表：A1：量程为0～0.6 A，内阻约为1 Ω；A2：量程为0～3 A，内阻约为0.1 Ω ‎ D．滑动变阻器R：阻值范围0～10 Ω、允许通过最大电流为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中实物图连接成完整电路。‎ ‎（2）闭合开关前，滑动变阻器的滑动片应移到________端（选填“A”或“B”）。‎ ‎（3）调节滑动变阻器得到电压、电流数据如下表，请在图所示的坐标纸上画出小灯泡的U－I图线。‎ 组数 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎7‎ U/V ‎0‎ ‎0.28‎ ‎0.58‎ ‎0.92‎ ‎1.50‎ ‎2.00‎ ‎3.00‎ I/A ‎0‎ ‎0.1‎ ‎0.20‎ ‎0.30‎ ‎0.40‎ ‎0.45‎ ‎0.49‎ ‎（4）根据图线可估得小灯泡在常温下的电阻约为________ Ω（结果保留2位有效数字）。‎ ‎【答案】（1）见解析（2）A端（3）见解析（4）2.7 Ω（2.6 Ω～2.8 Ω均可）‎ ‎（2）为了让电压值从零开始调节，由图可知测量电路与滑动变阻器的左侧并联，故开始时滑片应滑到A端。‎ ‎（3）根据描点法可得出对应的伏安特性曲线如图所示。‎ ‎（4）作出过原点的切线，如图所示，常温下的电阻即图线过原点的切线的斜率，则R＝ Ω＝2.7 ‎ 热点二　实验的改进与创新 探究高考命题视角：以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性等特点。‎ 视角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。‎ 视角2　图象法处理数据及实物连线 视角3　实验仪器的选择及控制电路的选择 视角4　数据处理方式的改进 ‎　采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理。　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎【题4】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P＝UI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 Ω。‎ ‎（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 Ω、20 Ω和50 Ω的定值电阻，电路中的电阻R1应选________Ω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。‎ ‎【答案】（1）见解析（2）10 Ω（3）先拆除电池两端的导线，再拆除其他导线（4）横坐标的标度选择不合适 ‎（2）由小灯泡规格可知，小灯泡允许通过的最大电流为0.6 A，故要求接入R1后，电路中的总电流要不小于0.6 A，根据I＝得总电阻R＝＝ Ω＝20 Ω，故R1应选10 Ω的定值电阻。‎ ‎（3）为了实验仪器的安全，防止电源短路及误将电源与其他电路接通，所以断开开关后，先拆除电池两端的导线，再拆除其他导线。‎ ‎（4）从坐标纸上所描点可以看出这些点不近似在一条直线上，应为曲线，小明作出了一条直线不合适。作图时应使这些点占据整个坐标纸，而小明的横坐标只用了一半，所以小明横坐标的标度选择不合适。‎ ‎【题5】在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，所用小灯泡标有“3.8 V，0.3 A”字样，并提供有以下器材：‎ A．电压表V（0～5 V，内阻约5 kΩ）；‎ B．电流表A1（0～50 mA，内阻约2 Ω）；‎ C．电流表A2（0～500 mA，内阻约1 Ω）；‎ D．滑动变阻器R1（0～10 Ω）；‎ E．滑动变阻器R2（0～2 kΩ）；‎ F．直流电源E（电动势4.5 V ，内阻不计）；‎ G．开关S及导线若干 ‎（1）为了提高测量的准确度和调节方便：‎ ‎①实验中应选用电流表________，滑动变阻器________。（填写器材代号）‎ ‎②请在虚线框内画出实验电路图。‎ ‎（2）‎ 由正确实验操作得到的数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图甲所示。在另一实验中将此小灯泡接入如图乙所示的电路中，电路中电源电压U（U≤3.8 V）恒定，在t＝t0时刻闭合开关S。由电流传感器记录的电流随时间变化的图象（i－t）可能是下图中的____（填“A”、“B”或“C”）图。‎ ‎【答案】（1）D（2）见解析（3）C ‎（2）滑动变阻器用分压接法，小灯泡电阻很小，电流表应该用外接法。实验电路图见上图。‎ ‎（3）闭合开关之后才有电流，小灯泡灯丝的电阻随着温度的升高而增大，所以电流会变小，选项C正确。‎ ‎【题6】有一只标识为“2.5 V，0.5 A”的小灯泡，小华想测定其伏安特性曲线，实验室中的器材除了导线和开关外，还有以下一些器材可供选择：‎ A．电源E，电动势为3.0 V，内阻不计 ‎ B．电流表A1，量程0～10 mA，内阻200 Ω ‎ C．电流表A2，量程0～600 mA，内阻约为2 Ω ‎ D．电阻箱R，最大阻值999.99 Ω ‎ E．滑动变阻器R1，最大阻值10 Ω ‎ F．滑动变阻器R2，最大阻值2 kΩ ‎（1）为了达到实验目的，需要组装一个量程为3.0 V的电压表，那么电阻箱的阻值应调到________ Ω。‎ ‎（2）为了减小实验误差，实验中滑动变阻器应选择______（选填器材前面的编号）。‎ ‎（3）请帮助小华设计一个电路，要求使误差尽量小，并将电路图画在虚线框内。‎ U/V ‎0‎ ‎0.5‎ ‎1.0‎ ‎1.5‎ ‎2.0‎ ‎2.5‎ I/A ‎0‎ ‎0.17‎ ‎0.30‎ ‎0.39‎ ‎0.45‎ ‎0.49‎ ‎（4）小华在实验中用电流表和改装后的电压表测得数据并记录在下表中，请根据表格中的数据在如图所示方格纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线。‎ ‎（5）将一个电动势为1.5 V，内阻为3 Ω的电源直接接在该小灯泡的两端，则该小灯泡的实际功率为________ W（结果保留1位有效数字）。‎ ‎【答案】（1）100 Ω（2）E（3）见解析（4）见解析（5）0.2 W ‎（2）由题意知，本实验应采用滑动变阻器分压式接法，所以只能选用总阻值较小的E。‎ ‎（3）本实验应采用滑动变阻器分压式接法，RV＝300 Ω，RA2≈2 Ω，＝5 Ω，故电流表采用外接法，电路图如图所示。‎ ‎（4）根据描点法可得出对应的伏安特性曲线如图所示。‎ 拓展点1　半偏法测电阻 ‎【题7】有一只量程为3 V的电压表，内阻约为5～8 kΩ，某同学要精确地测量该电压表的内阻，设计的测量电路如图所示，其中R2为最大电阻9 999 Ω的电阻箱，R1为滑动变阻器，电源电动势为4.5 V，内阻很小。‎ 实验步骤如下：‎ ‎①按电路图连接电路；②闭合S2；③将滑动变阻器滑片调至最左端；④闭合S1；⑤调节滑动变阻器，使电压表满偏；⑥再打开S2，调节电阻箱，调至电压表半偏，记下电阻箱的读数，并认为此时电阻箱的电阻为该电压表的内阻。‎ ‎（1）图中电阻箱的读数为______ kΩ。‎ ‎（2）实验室中有两个滑动变阻器：‎ a．最大阻值为20 Ω，额定电流为1 A；b．最大阻值为10 kΩ，额定电流为20 mA。‎ 为了能精确测量电压表内阻，实验中应选择______滑动变阻器（填变阻器前的字母代号）。‎ ‎（3）实验中S2从闭合到打开（打开S2之前，电阻箱置于9 999 Ω），打开后A、B两点的电压UAB________3 V（选填“>”“<”或“＝”）。‎ ‎（4）实验中由于电路设计所存在的实验误差（系统误差），导致测量值______真实值（选填“>”“<”或“＝”）。‎ ‎【答案】（1）7.5（2）a（3）>（4）>‎ ‎【解析】（1）7.5　‎ ‎（2）a　‎ ‎（3）>　‎ 拓展点2　替代法测电阻 ‎【例5】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 Ω，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________。‎ A．量程0～100 mA，内阻约2 Ω ‎ B．量程0～0.6 A，内阻可忽略 ‎（2）实验过程中，要将电阻箱的阻值由9.9 Ω调节至10.0 Ω，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”、“b”、“c”，正确的操作顺序是________。‎ ‎①将旋钮a由“0”旋转至“1” ②将旋钮b由“9”旋转至“0” ③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（℃）‎ ‎20.0‎ ‎40.0‎ ‎60.0‎ ‎80.0‎ ‎100.0‎ 阻值R（Ω）‎ ‎9.6‎ ‎10.4‎ ‎11.1‎ ‎12.1‎ ‎12.8‎ 请根据表中数据，在如图所示方格纸上作出R－t图线。‎ 由图线求得R随t的变化关系为R＝________Ω。‎ ‎【答案】（1）A（2）①②③（或①③②）（3）0.04t＋8.8（0.04t＋8.7～0.04t＋8.9都算对）‎ ‎（2）调节电阻箱时按照先调大再调小的原则，旋转各旋钮的正确操作顺序是①②③（或①③②）。‎ ‎（3）R－t图象如图所示 由R－t图象知，R＝0.04t＋8.8 （Ω）0.04t＋8.8（0.04t＋8.7～0.04t＋8.9都算对）。‎