【物理】2019届一轮复习人教版实验九　描绘小电珠的伏安特性曲线学案

【物理】2019届一轮复习人教版实验九　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 ‎1.实验原理 ‎(1)测多组小电珠的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 小电珠“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(如图1甲所示).‎ 图1‎ ‎(2)将小电珠、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如图乙所示的电路.‎ ‎(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，得到小电珠的伏安特性曲线.‎ ‎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.‎ ‎1.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：目的是使小电珠两端的电压能从0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0的一端，使开关闭合时小电珠的电压能从0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.‎ ‎2.误差分析 ‎(1)由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，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.‎ 命题点一　教材原型实验 例1　(2017·全国卷Ⅰ·23)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2(a)所示.‎ 图2‎ 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)‎ 答案　(1)见解析图　(2)增大　增大　(3)0.39　1.17‎ 解析　(1)电压表量程为3 V，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，需要给电压表串联一个定值电阻扩大量程，题目中要求小灯泡两端电压从零开始，故滑动变阻器用分压式接法，小灯泡的电阻RL＝＝ Ω＝11.875 Ω，因＜，故电流表用外接法，实验电路原理图如图所示.‎ ‎(2)由IU图象知，图象中的点与坐标原点连线的斜率在减小，表示灯泡的电阻随电流的增大而增大，根据电阻定律R＝ρ知，灯丝的电阻率增大.‎ ‎(3)当滑动变阻器的阻值最大为9.0 Ω时，电路中的电流最小，灯泡实际功率最小，由E0＝U＋I(R＋r)得U＝－10I＋4，作出图线①如图所示.‎ 由交点坐标可得U1＝1.78 V，I1＝221 mA，P1＝U1I1≈0.39 W；当滑动变阻器电阻值R＝0时，灯泡消耗的功率最大，由E0＝U＋I(R＋r)得，I＝－U＋4，作出图线②如图所示.由交点坐标可得，U2＝3.70 V，I2＝315 mA，最大的功率为P2＝U2I2≈1.17 W.‎ 变式1　小华和小明在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，将实验数据记录在下表中：‎ 电压U/V ‎0.00‎ ‎0.20‎ ‎0.40‎ ‎0.70‎ ‎1.00‎ ‎1.30‎ ‎1.70‎ ‎2.10‎ ‎2.50‎ 电流I/A ‎0.00‎ ‎0.14‎ ‎0.24‎ ‎0.26‎ ‎0.37‎ ‎0.40‎ ‎0.43‎ ‎0.45‎ ‎0.46‎ ‎(1)实验室有两种滑动变阻器供选择：‎ A.滑动变阻器(阻值范围0～10 Ω、额定电流3 A)‎ B.滑动变阻器(阻值范围0～2 000 Ω、额定电流1 A)‎ 实验中选择的滑动变阻器是 .(填写字母序号)‎ ‎(2)在图3甲中用笔画线代替导线，将实验电路连接完整.‎ ‎(3)开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至 (选填“左”或“右”)端.‎ ‎(4)利用表中数据，在图乙中画出小灯泡的U－I图线.‎ 图3‎ ‎(5)他们在U－I图象上找到小灯泡工作电压为2.0 V时坐标点，计算此状态的电阻值时，小明提出用图象上该点曲线斜率表示小灯泡的阻值；小华提出该点与坐标原点连线的斜率表示小灯泡的阻值.你认为 (选填“小华”或“小明”)的方法正确.‎ 答案　(1)A　(2)见解析图　(3)左　(4)见解析图 ‎(5)小华 解析　(1)由于灯泡的电阻大约在几欧左右，为了便于测量，滑动变阻器选择0～10 Ω的.‎ ‎(2)由于灯泡的电压和电流从零开始测起，则滑动变阻器采用分压式接法；电流表采用外接法.实物连线图如图甲所示.‎ ‎(3)为了保护测量电路，开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至最左端.‎ ‎(4)小灯泡的U－I图线如图乙所示.‎ ‎(5)根据欧姆定律知，R＝，电阻的大小为该点与坐标原点连线的斜率，故小华正确.‎ 变式2　(2017·广东华南三校联考)为探究小灯泡L的伏安特性曲线，提供了以下器材：‎ 小灯泡L：规格“4.0 V　2.8 W”；‎ 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rV＝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)某同学设计了如图4甲所示的电路来进行测量，闭合开关前，滑动变阻器滑片应置于 ，当通过L的电流为0.46 A时，电压表的示数如图乙所示，电压表的读数为 V，此时L的电阻为 Ω.‎ 图4‎ ‎(2)要想更准确完整地描绘出L的伏安特性曲线，需要重新设计电路.请你利用所提供器材，在图5中的虚线框中补画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号.‎ 图5‎ ‎(3)根据实验测得的数据，描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图6，若将该灯泡接到E＝1.5 V、r＝3.0 Ω的电源两端，则灯泡实际消耗的功率P＝ W.(结果保留两位有效数字)‎ 图6‎ 答案　(1)左端　2.30　5‎ ‎(2)见解析图 ‎(3)0.18‎ 解析　(1)为保证安全且不损坏电路元件，闭合开关前，滑动变阻器滑片应置于左端.题图乙电压表量程为3 V，则读数为2.30 V，L的电阻R＝ Ω＝5 Ω.‎ ‎(2)如图所示 ‎(3)在图中画出电源的I－U图线，由两图象交点可知，灯泡两端电压U＝0.9 V，电流I＝0.20 A，灯泡实际功率P＝0.9×0.20 W＝0.18 W.‎ 命题点二　实验拓展与创新 例2　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.‎ 图7‎ ‎(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7(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).‎ 答案　(1)10　(b)　(2)增大　(3)Y　(4)3.2　0.50‎ 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.‎ 变式3　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8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.‎ 图8‎ ‎(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： ‎ ‎ .‎ 答案　(1)A　(2)P　(3)见解析图　(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 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.‎ 变式4　硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件.某实验小组设计了如图9甲所示的电路，给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点，正极接低电势点)，探究其在无光照时的反向伏安特性.图中电压表V1量程选用 3 V，内阻为6 kΩ；电压表V2量程选用15 V，内阻约为30 kΩ；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12 V，内阻不计.‎ ‎(1)根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙连接成完整电路.‎ 图9‎ ‎(2)用遮光罩罩住硅光电池，闭合开关S，调节变阻器R，读出电压表V1、V2的示数U1、U2.‎ ‎①某次测量时，电压表V1示数如图丙所示，则U1＝ V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为 mA(保留两位小数).‎ ‎②该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9组U1、U2数据，算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“－”表示反向)，并在图10坐标纸上建立Ix－Ux坐标系，标出了与表中前5组Ux、Ix数据对应的5个坐标点.请你标出余下的4个坐标点，并绘出Ix－Ux图线.‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎8‎ ‎9‎ U1/V ‎0.00‎ ‎0.00‎ ‎0.06‎ ‎0.12‎ ‎0.24‎ ‎0.42‎ ‎0.72‎ ‎1.14‎ ‎1.74‎ U2/V ‎0.0‎ ‎1.0‎ ‎2.1‎ ‎3.1‎ ‎4.2‎ ‎5.4‎ ‎6.7‎ ‎8.1‎ ‎9.7‎ Ux/V ‎0.0‎ ‎－1.0‎ ‎－2.0‎ ‎－3.0‎ ‎－4.0‎ ‎－5.0‎ ‎－6.0‎ ‎－7.0‎ ‎－8.0‎ Ix/mA ‎0.00‎ ‎0.00‎ ‎－0.01‎ ‎－0.02‎ ‎－0.04‎ ‎－0.07‎ ‎－0.12‎ ‎－0.19‎ ‎－0.29‎ 图10‎ ‎③由Ix－Ux图线可知，硅光电池无光照下加反向电压时，Ix与Ux成 (填“线性”或“非线性”)关系.‎ 答案　(1)连线如图所示 ‎(2)①1.40　0.23‎ ‎②描点绘出Ix－Ux图线，如图所示.‎ ‎③非线性 解析　V1选用的是3 V量程，则刻度盘的最小分度为0.1 V，根据电表的读数原则知U1＝14.0×0.1 V＝1.40 V，I1＝≈0.23 mA.由于绘出的Ix－Ux图象不是直线，即Ix与Ux成非线性关系.‎