【物理】2018届一轮复习人教版测绘小灯泡的伏安特性曲线学案
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加试要求
实验9：测绘小灯泡的伏安特性曲线
√
1．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和温度的关系．
2．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．
3．实验步骤
(1)画出电路图(如实验原理图甲)．
(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乙
所示的电路．
(3)测量与记录
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)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．
4．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电源允许的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阻值相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器．
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 V,0.3 A)的电阻很小，与量程为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接法：目的是使小灯泡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灯泡分得电压为零的一端，使开关闭合时小灯泡的电压能从零开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小灯泡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．
1．电流表内接法与外接法的比较
电流表内接法
电流表外接法
电路图
误差原因
电流表分压
U测＝Ux＋UA
电压表分流
I测＝Ix＋IV
电阻测量值
R测＝＝Rx＋RA>Rx
测量值大于真实值
R测＝＝
时，用电流表内接法．
(3)实验试探法：按图1接好电路，让电压表的一根接线柱P先后与a、b处接触一下，如果电压表的示数有较大的变化，而电流表的示数变化不大，则可采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而电压表的示数变化不大，则可采用电流表内接法．
图1
3．滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比较
限流式接法
分压式接法
两种接法的电路图
负载R上电压的调节范围
≤U≤E
0≤U≤E
负载R上电流的调节范围
≤I≤
0≤I≤
4.滑动变阻器两种接法的适用条件
(1)限流式接法适合测量阻值较小的电阻(跟滑动变阻器的最大电阻相比相差不多或比滑动变阻器的最大电阻还小)．
(2)分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的最大电阻要大)．
5．常用电表的读数
对于电压表和电流表的读数问题，首先要弄清电表量程，即指针指到最大刻度时电表允许通过的最大电压或电流，然后根据表盘总的刻度数确定精确度，按照指针的实际位置进行读数即可．
(1)0～3 V的电压表和0～3 A的电流表的读数方法相同，此量程下的精确度分别是0.1 V和0.1 A，看清楚指针的实际位置，读到小数点后面两位．
(2)对于0～15 V量程的电压表，精确度是0.5 V，在读数时只要求读到小数点后面一位，即读到0.1 V.
(3)对于0～0.6 A量程的电流表，精确度是0.02 A，在读数时只要求读到小数点后面两位，这时要求“半格估读”，即读到最小刻度的一半0.01 A.
命题点一 教材原型实验
例1 在某次“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，所选用的实验器材有
A．小灯泡“2.5 V 0.2 A”
B．电流表0～0.6 A～3 A(内阻约1 Ω)
C．电压表0～3 V～15 V(内阻很大)
D．滑动变阻器“2 A 10 Ω”
E．电源(两节干电池)
F．开关一个，导线若干
图2
(1)在实验时小杰同学采用了如图2所示的实物电路，则具体实验操作前，该电路需改进的地方有________________________________________________________________________．
(2)在图3方框中画出正确的电路图．
图3
(3)当开关闭合后，滑动变阻器的滑片从右向左滑动过程中，灯泡始终不亮，但电压表有示数，则可能出现的故障是________．
A．小灯泡灯丝断了
B．连接电源的导线断开
C．电流表上某个接线柱与导线断开
D．开关接触不良造成断路
解析 (1)由于小灯泡电阻比电压表内阻小的多，和电流表内阻差不多，电流表要外接；小灯泡额定电流为0.2 A，电流表应选0.6 A量程；合上开关前，为了保护电表，测量电路电压最小，故滑动变阻器滑片应置于左侧．(3)电压表有示数说明电压表到电源是通的，A正确．
答案 (1)电流表应外接 电流表量程太大 滑动变阻器滑片应置于左侧 (2)如图所示 (3)A
例2 (2016·浙江4月学考·18)在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，小灯泡额定电压为2.5 V、电流为0.3 A.
图4 图5
(1)部分连线的实物图如图4所示，请完成实物连接图；
(2)某次实验中，当电流表的示数为0.18 A，电压表的指针如图5所示，则电压为________V，此时小灯泡的功率是________W.
(3)正确测量获得的伏安特性曲线是下列图象中的________(填字母)．
解析 (1)小灯泡额定电压为2.5 V，故电压表选择0～3 V的量程；测绘小灯泡的伏安特性曲线时，电压表、电流表需从0开始调节，故滑动变阻器采用分压式接法；电流表采用外接法．
(2)结合量程可读出电压表的示数在1.48～1.50 V，故小灯泡的功率P＝UI≈1.50×0.18 W＝0.27 W.
(3)随着电压的增大，小灯泡的电阻越来越大，故C正确．
答案 (1)如图所示
(2)1.48～1.50 0.27 (3)C
题组阶梯突破
1．“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，得到了两组电流表与电压表的示数如图6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________．
图6
答案 ①0.10 A ②0.24 A ③2.00 V ④0.27 V 8.3 Ω 2.7 Ω(如填为2.7 Ω 8.3 Ω也行)
解析 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.
2．(2016·宁波模拟)某实验小组利用图7(a)的实物连线图，做“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验，该小组在实验时测得两组数据，第一组是电压从0逐渐增加到2.5 V，第二组是从2.5 V逐渐减小到0，将两组数据描在I－U图上，如图(b)，第一组数据的数据点在图中是用________(填“○”或“×”)表示的．
另一实验小组用同样的电路实验，发现电压表示数的最大值只有1.5 V，经检查，电路正确并连接良好，而后将电路断开，用电压表直接接到这二节电池串联而成的电池组两端，电压表示数为3.00 V．请解释原因：_________________________________________________.
(a)
(b)
图7
答案 (1)○ (2)所用电池组内阻较大
解析 (1)由于金属导体电阻随温度的变化而变化，第二组中由于开始时温度较高，故第二组在相同电压下测得的电阻应较大，第一组测出的电阻较小；因图象为I－U图象，其斜率表示电阻的倒数，故第一组数据为○所表示的．
(2)直接测量时为电源的电动势，而在接入电路时输出电压较小，故说明电池组内阻较大．
命题点二 拓展创新实验
例3 小亮同学为研究某电学元件(最大电压不超过2.5 V，最大电流不超过0.55 A)
的伏安特性曲线，在实验室找到了下列实验器材：
A．电压表(量程是3 V，内阻是6 kΩ)
B．电压表(量程是15 V，内阻是30 kΩ)
C．电流表(量程是0.6 A，内阻是0.5 Ω)
D．电流表(量程是3 A，内阻是0.1 Ω)
E．滑动变阻器(阻值范围0～5 Ω，额定电流为0.6 A)
F．滑动变阻器(阻值范围0～100 Ω，额定电流为0.6 A)
G．直流电源(电动势E＝3 V，内阻不计)
H．开关、导线若干．
该同学设计电路并进行实验，通过实验得到如下数据(I和U分别表示电学元件上的电流和电压).
I/A
0
0.12
0.21
0.29
0.34
0.38
0.42
0.45
0.47
0.49
0.50
U/V
0
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
(1)为了提高实验结果的准确程度，电流表选________________；电压表选________________；滑动变阻器选________________．(以上均填写器材代号)
(2)请在虚线框中画出实验电路图．
解析 (1)从表格中的实验数据可知，电流测量值I的范围为0～0.50 A，电压测量值U的范围为0～2.00 V，因此电流表应选C，电压表应选A.因为本实验要测量多组(U，I)值，需使电压U连续变化，因此，滑动变阻器应接成分压式，故选阻值较小的滑动变阻器E.
(2)由表格中的数据，根据R＝，估算电学元件的电阻值大约为几欧，因此采用电流表外接法．电路图如图所示．
答案 (1)C A E (2)见解析图
题组阶梯突破
3．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8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；
图8
(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)．
答案 (1)连线如图
(2)0.44 (3)4 2.28
解析 (1)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，因此滑动变阻器采用分压式接法，小电珠电阻较小，电流表要外接．
(2)电流表分度值为0.02 A，可知读数为0.44 A.
(3)当电源的内阻与外阻相同时，电源的输出功率最大，此时路端电压为1.5 V，外接总电阻为1 Ω，由图丙可知，当小电珠电压为1.5 V时，电流为0.38 A，此时小电珠的电阻为R＝＝ Ω≈4 Ω，因此小电珠个数为n＝＝＝4，小电珠的总功率为P＝4UI＝4×1.5×0.38 W＝2.28 W.
