2022年高三物理復習 第7章 實驗 描繪小燈泡的伏安特性曲線學案
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2022年高三物理復習 第7章 實驗 描繪小燈泡的伏安特性曲線學案
2022年高三物理復習 第7章 實驗 描繪小燈泡的伏安特性曲線學案
實驗目的
1.描繪小燈泡的伏安特性曲線.
2.分析伏安特性曲線的變化規(guī)律.
實驗原理
1.用________測出流過小燈泡的電流,用________測出小燈泡兩端的電壓,測出多組(U,I)值,在U-I坐標系中描出各對應點,用________的曲線將這些點連接起來.
圖1
2.電路的選擇:本實驗用伏安法測量在不同電壓下燈絲的電流和電壓,描繪出伏安特性曲線.由于使用的小燈泡是“3.8 V,0.3 A”的,正常發(fā)光時燈絲電阻約為13 Ω,阻值較小,因此應該用電流表________電路;由于要測小燈泡在不同電壓下的電流、電壓,電壓取值范圍要盡量大,因此滑動變阻器應該用________接法電路.電路圖如圖1所示.
實驗器材
學生電源(4~6 V直流)、小燈泡“4 V,0.7 A”或“3.8 V,0.3 A”、電流表(內阻較小)、電壓表(內阻很大)、開關和導線、____________、坐標紙、鉛筆.
實驗步驟
1.確定電流表、電壓表的量程,照圖1連好電路.(注意開關應______,滑動變阻器與燈泡并聯(lián)部分電阻為____)
2.閉合開關S,調節(jié)滑動變阻器,使電流表、電壓表有較小的明顯示數(shù),記錄一組電壓U和電流I的值.
3.用同樣的方法測量并記錄約12組U值和I值.
4.斷開開關S,整理好器材.
5.在坐標紙上,以U為橫坐標、I為縱坐標建立直角坐標系,并根據(jù)表中數(shù)據(jù)描點,連接各點得到I-U圖線.(注意:連接各點時,不要出現(xiàn)折線)
數(shù)據(jù)處理
根據(jù)測量的數(shù)據(jù)把電壓表和電流表的各組數(shù)據(jù)填入下表中,然后作出I-U圖線.
次數(shù)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
電壓U/V
電流I/A
實驗結論
描繪出的圖線是一條______.它的斜率隨電壓的增大而______,這表明小燈泡的電阻隨電壓(溫度)升高而______.燈絲的電阻率隨溫度的升高而增大.燈絲不發(fā)光時溫度是室溫,正常發(fā)光時溫度很高,其電阻率的變化是很顯著的,所以燈絲的阻值隨小燈泡兩端電壓的升高而明顯增大,其I-U圖線不再是過原點的直線.
注意事項
1.本實驗中被測小燈泡燈絲的電阻值較小,因此測量電路必須采用電流表外接法.
2.滑動變阻器應采用分壓式接法:目的是為了使小燈泡兩端的電壓能從0開始連續(xù)變化.
3.I-U圖線在U0=1.0 V左右將發(fā)生明顯彎曲,故在U=1.0 V左右繪點要密,以防出現(xiàn)較大誤差.
4.建立坐標系時,縱軸表示電流,橫軸表示電壓,兩坐標軸選取的標度要合理,使得根據(jù)測量數(shù)據(jù)畫出的圖線盡量占滿坐標紙.
誤差分析
1.測量電路存在系統(tǒng)誤差,未考慮電壓表的分流,造成測得的I值比真實值大.
2.描繪I-U圖線時作圖不準確造成的偶然誤差.
3.測量時讀數(shù)不準確和在坐標紙上描點不準確引起的誤差.
題型一 實驗儀器及電路的選擇
【例1】 (xx·海淀模擬)在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中,可供選擇的實驗儀器如下:
器材
規(guī)格
器材
規(guī)格
小燈泡
標有“3.8 V,
0.3 A”字樣
滑動變阻器R1
最大阻值10 Ω,額定電流1.0 A
電壓表V
量程0~5 V,內阻約5 kΩ
滑動變阻器R2
最大阻值 1 kΩ,額定電流0.5 A
電流表A1
量程0~100 mA,內阻約4 Ω
直流電源E
電動勢約為6 V,內阻約為0.5 Ω
電流表A2
量程0~500 mA,內阻約0.4 Ω
導線、電鍵等
(1)在上述器材中,滑動變阻器應選________,電流表應選________.
(2)在圖2中用筆畫線代替導線,把實驗儀器連接成完整的實驗電路.
圖2
圖3
(3)利用實驗中得到的實驗數(shù)據(jù)在I-U坐標系中,描繪出了如圖3所示的小燈泡的伏安特性曲線.根據(jù)此圖給出的信息,可以判斷出下圖中正確的是(圖中P為小燈泡功率)( )
[規(guī)范思維]
題型二 伏安特性曲線的描繪及實驗結果的應用
【例2】 影響物質材料電阻率的因素很多,一般金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增大,而半導體材料的電阻率則與之相反,隨溫度的升高而減?。痴n題研究組需要研究某種導電材料的導電規(guī)律,他們用該種導電材料制作成電阻較小的元件Z做實驗,測量元件Z中的電流隨兩端電壓從零逐漸增大過程中的變化規(guī)律.
(1)他們應選用下圖中所示的哪個電路進行實驗.( )
(2)①由(1)實驗測得元件Z的電壓與電流的關系如下表所示.根據(jù)表中數(shù)據(jù)請在圖4中作出元件Z的I-U圖線.
U/V
0
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.50
1.60
I/A
0
0.20
0.45
0.80
1.25
1.80
2.80
3.20
圖4
②根據(jù)Z的I-U圖線可判斷元件Z是金屬材料還是半導體材料?
圖5
③把元件Z和電阻R接入如圖5所示的電路中,由實驗測得電阻R的I-U圖線如圖4所示.已知電源的電動勢E=1.5 V,內阻不計.閉合電鍵S,電路穩(wěn)定時,元件Z消耗的電功率為________W.
[規(guī)范思維]
[針對訓練] (xx·廣東·34(2))在“描繪小電珠的伏安特性曲線”實驗中,所用器材有:小電珠(2.5 V,0.6 W),滑動變阻器,多用電表,電流表,學生電源,開關,導線若干.
①粗測小電珠的電阻,應選擇多用電表________倍率的電阻擋(請?zhí)顚憽?#215;1”、“×10”或“×100”);調零后,將表筆分別與小電珠的兩極連接,示數(shù)如圖6,結果為________Ω.
圖6
②實驗中使用多用電表測量電壓,請根據(jù)實驗原理圖7完成實物圖8中的連線.
圖7
圖8
③開關閉合前,應將滑動變阻器的滑片P置于________端,為使小電珠亮度增加,P應由中點向______________端滑動.
④下表為電壓等間隔變化測得的數(shù)據(jù),為了獲得更準確的實驗圖象,必須在相鄰數(shù)據(jù)點________間多測幾組數(shù)據(jù)(請?zhí)顚憽癮b”、“bc”、“cd”、“de”或“ef”).
數(shù)據(jù)點
a
b
c
d
e
f
U/V
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
I/A
0.000
0.122
0.156
0.185
0.216
0.244
圖9
1.(xx·天津理綜·3)為探究小燈泡L的伏安特性,連好如圖9所示的電路后閉合開關,通過移動變阻器的滑片,使小燈泡中的電流由零開始逐漸增大,直到小燈泡正常發(fā)光,由電流表和電壓表得到的多組讀數(shù)描繪出的U-I圖象應是( )
2.(xx·浙江高考·22Ⅰ)如圖10所示,在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗中,同組同學已經完成部分導線的連接,請你在實物接線圖中完成余下導線的連接.
圖10
3.(xx·天津塘沽區(qū)模擬)表格中所列數(shù)據(jù)是測量小燈泡U-I關系的實驗數(shù)據(jù):
U(V)
0.0
0.2
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
I(A)
0.000
0.050
0.100
0.150
0.180
0.195
0.205
0.215
(1)分析表格內實驗數(shù)據(jù)可知,應選用的實驗電路圖是圖11中的________(選填“甲”或“乙”);
圖11
(2)在如圖12所示的方格紙內畫出小燈泡的U-I曲線.分析曲線可知小燈泡的電阻值隨I變大而________(選填“變大”、“變小”或“不變”);
圖12
圖13
(3)如圖13所示,用一個定值電阻R和兩個上述小燈泡組成串并聯(lián)電路,連接到內阻不計、電動勢為3 V的電源上.已知流過電阻R的電流是流過燈泡L2電流的兩倍,則流過燈泡L1的電流約為________A.
4.(xx·福建理綜·19(2))某研究性學習小組為了制作一種傳感器,需要選用一電器元件.圖14為該電器元件的伏安特性曲線,有同學對其提出質疑,現(xiàn)需進一步驗證該伏安特性曲線,實驗室備有下列器材:
器材(代號)
規(guī)格
電流表(A1)
量程0~50 mA,內阻約為50 Ω
電流表(A2)
量程0~200 mA,內阻約為10 Ω
電壓表(V1)
量程0~3 V,內阻約為10 kΩ
電壓表(V2)
量程0~15 V,內阻約為25 kΩ
滑動變阻器(R1)
阻值范圍0~15 Ω,允許最大電流1 A
滑動變阻器(R2
阻值范圍0~1 kΩ,允許最大電流100 mA
直流電源(E)
輸出電壓6 V,內阻不計
開關(S)、導線若干
圖14
(1)為提高實驗結果的準確程度,電流表應選用______;電壓表應選用________;滑動變阻器應選用__________.(以上均填器材代號)
(2)為達到上述目的,請在虛線框圖15中畫出正確的實驗電路原理圖,并標明所用器材的代號.
圖15
(3)若發(fā)現(xiàn)實驗測得的伏安特性曲線與圖中曲線基本吻合,請說明該伏安特性曲線與小電珠的伏安特性曲線有何異同點?
相同點:
________________________________________________________________________.
不同點:
________________________________________________________________________.
5.(xx·梅州模擬)小燈泡燈絲的電阻會隨溫度的升高而變大.某同學為研究這一現(xiàn)象,用實驗描繪小燈泡的伏安特性曲線.實驗可供選擇的器材有:
A.小燈泡(規(guī)格為“2.5 V,1.2 W”)
B.電流表A(量程為0~0.6 A,內阻為1 Ω)
C.電壓表V(量程為0~3 V,內阻未知)
D.滑動變阻器(0~10 Ω,額定電流為1 A)
E.滑動變阻器(0~5 Ω,額定電流為0.5 A)
F.電源(E=3 V,內阻不計)
G.定值電阻R0(阻值R0=6 Ω)
H.開關一個和導線若干
(1)要求小燈泡兩端的電壓從零開始變化,且能盡量消除系統(tǒng)誤差,在方框內畫出實驗電路圖.
(2)實驗中,應該選用的滑動變阻器是______(填寫器材前字母代號).
圖16
(3)按照正確的電路圖,該同學測得實驗數(shù)據(jù)如下:(I是電流表A的示數(shù),U是電壓表V的示數(shù),U燈是小燈泡兩端的實際電壓).請通過計算補全表格中的空格,然后在圖16中畫出小燈泡的伏安特性曲線.
I/A
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.48
U/V
0.08
0.15
0.25
0.40
0.60
0.90
1.30
1.85
2.50
3.00
U燈/V
(4)該同學將與本實驗中一樣的兩個小燈泡以及給定的定值電阻R0三者一起串聯(lián)接在本實驗中提供的電源兩端,則每個燈泡的實際功率是________W.
6.(xx·濟南市高三模擬)某學習小組通過實驗來研究電器元件Z的伏安特性曲線.他們在實驗中測得電器元件Z兩端的電壓與通過它的電流的數(shù)據(jù)如下表:
U/V
0.00
0.20
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
I/A
0.00
0.10
0.20
0.30
0.36
0.38
0.40
現(xiàn)備有下列器材:
A.低壓直流電源:電壓6 V,內阻不計
B.電流表:量程為0~0.6 A~3 A,0.6 A內阻約為10 Ω,3 A內阻約為2 Ω
C.電壓表:量程為0~3 V~15 V,3 V內阻約為7.2 kΩ,15 V內阻約為36 kΩ
D.滑動變阻器:阻值為0~10 Ω,額定電流為3 A
E.電鍵K,導線若干
(1)按提供的器材,在實物圖17(a)上連接正確的實驗電路,要求測量誤差盡可能小.
圖17
(2)利用這些數(shù)據(jù)繪出的電器元件Z的伏安特性曲線如圖17(b)所示,分析曲線說明通過電器元件Z的電流隨電壓變化的特點.
(3)若把電器元件Z接入如圖17(c)所示的電路中時,通過Z的電流為0.10 A,已知A、B兩端電壓恒為1.5 V,則此時燈泡L的功率為________W.
實驗學案36 描繪小燈泡的伏安特性曲線
【基礎自主落實】
實驗原理
1.電流表 電壓表 一條平滑
2.外接法 分壓式
實驗器材
滑動變阻器
實驗步驟
1.斷開 零
實驗結論
曲線 減小 增大
【熱點題型精析】
例1 (1)R1 A2 (2)見解析圖 (3)BD
解析 (1)為方便電路調節(jié),滑動變阻器應選擇R1;小燈泡正常工作時I額=0.3 A=300 mA>100 mA,故電流表應選A2.
(2)因為要求小燈泡
上的電壓從0開始增大,滑動變阻器應選用分壓式接法;而小燈泡正常工作時R燈== Ω≈13 ΩRV=5 kΩ,故電流表應選擇外接法,其實驗電路如圖所示.
(3)在I-U圖象中,圖線斜率逐漸減小,小燈泡的R逐漸增大;由P=知在P-U2圖象中,圖線的斜率應逐漸減小,故B正確;由P=I2R在P-I2圖象中圖線的斜率R應逐漸增大,故D正確.
[規(guī)范思維] (1)電路選擇要根據(jù)具體的情況來進行確定.(2)實驗原理是確定電路的首要條件.(3)各個用電器的作用要明確,選擇電路要根據(jù)需要來進行選擇.
例2 (1)A (2)①見解析圖?、诎雽w材料
③0.64(0.60~0.68)
解析 (1)由測量的數(shù)據(jù)及題目要求可知,滑動變阻器應采取分壓式接法.因為元件Z的電阻較小,所以電流表應外接,因此實驗電路應選A圖.
(2)①描點畫出元件Z的I-U圖線如下圖曲線所示.②由I-U圖線可知,Z是半導體材料.③當電流強度為0.80 A時,元件Z兩端的電壓為0.80 V,定值電阻R上的電壓為0.70 V,此時元件Z上消耗的電功率為0.64 W.
[規(guī)范思維] (1)在描繪伏安特性曲線時應連成平滑的曲線,而不能是折線.如果這些點大致在一條直線上,則應描成一條直線,讓不在直線上的點均勻分布在直線兩側.(2)從I-U圖線判斷元件的電阻變化,進而判斷材料性質.
[針對訓練]
①×1 7.5?、谌缃馕鰣D所示
③a b ④ab
解析?、傩‰娭?2.5 V,0.6 W)對應電阻為R= Ω=10.4 Ω,所以選“×1”擋.
②電流表的電阻也就幾歐,與電壓表幾千歐相比,小電珠的電阻算小電阻,所以電流表必須外接,伏安特性曲線要求電壓從0開始逐漸變大,所以滑動變阻器必須采用分壓接法.
③從a端開始,電壓為零,向b端移動,對小電珠所加電壓逐漸變大.
④ab之間電流增加了0.122 A,其他各段電流增加了0.03 A左右.所以需要在ab之間將電流分為0.030 A、0.060 A、0.090 A,分別測出相應的電壓值.
【課時效果檢測】
1.C [小燈泡中的電流逐漸增大時燈絲的溫度升高,其電阻率增大,導致電阻R增大.只有C選項對.]
2.見解析
解析 滑動變阻器應采用分壓式接法,如圖所示
3.(1)甲 (2)U-I曲線見解析 變大 (3)0.21
解析 (1)從表中數(shù)據(jù)可看出,小燈泡兩端電壓可以從零開始調節(jié),這說明滑動變阻器應選用分壓式接法,故應選用甲圖.
(2)在方格紙上根據(jù)U-I數(shù)據(jù)描點、連線,其U-I圖象如下圖所示.隨U和I的增大,圖線上各點與坐標原點連線的斜率越來越大,故其電阻變大.
(3)因流過電阻R的電流是流過燈泡L2電流的兩倍,則流過燈泡L1的電流是流過燈泡L2電流的3倍,而燈泡L1、L2兩端的電壓之和為3 V,在(2)描出的U-I圖象中,找出一個電流I對應的電壓U1,再找出3I對應的電壓U2,直到U1+U2=3 V為止.
最后得出結果,流過燈泡L1的電流約為0.21 A.
4.(1)A2 V1 R1 (2)電路圖如下圖所示
(3)伏安特性曲線都是非線性的. 小電珠的伏安特性曲線表明隨電流和電壓的增大電阻值增大,而該元件的伏安特性曲線表明隨電流和電壓的增大電阻值減小
解析 (1)從圖中所給的伏安特性曲線看出,最大電流不超過0.14 A,大于電流表A1的量程,小于電流表A2的量程,所以電流表選擇A2.圖中的最大電壓不超過V1的量程,且V1的測量更精確,R1的最大阻值與所給的伏安特性曲線反映的元件的電阻值相當,且I1== A=0.4 A<1 A,而R2的阻值太大,所以選擇R1.(2)待測元件的電阻滿足RA<RxRV,所以選擇電流表外接法,伏安特性曲線中要求電壓從零開始變化,所以選擇滑動變阻器分壓式接法.(3)伏安特性曲線的斜率表示電阻的倒數(shù),所測出的伏安特性曲線是斜率逐漸增大的曲線,表明電阻是隨電壓和電流的增大而減小的,所以是非線性的.而小電珠是金屬,其伏安特性曲線也是非線性的,這是兩者的相同點,但小電珠的電阻是隨電壓和電流的增大而增大的,這是兩者的不同點.
5.(1)見解析 (2)D (3)見解析圖 (4)0.18
解析 (1)要使小燈泡兩端電壓從零開始變化,滑動變阻器應采用分壓式接法,為測量更準確,應采用電流表內接法,實驗電路圖如下圖所示.
(2)由于采用分壓式接法,若選E,則滑動變阻器的電流I== A=0.6 A>0.5 A,故滑動變阻器應選用D.
(3)由第(1)問中所畫電路圖分析可得:U燈=U-IRA,則可根據(jù)表中數(shù)據(jù)求出U燈,并畫出U燈-I圖線如下圖所示.
I/A
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.48
U/V
0.08
0.15
0.25
0.40
0.60
0.90
1.30
1.85
2.50
3.00
U燈/V
0.03
0.05
0.10
0.20
0.35
0.60
0.95
1.45
2.05
2.52
(4)在同一坐標系中作出2U燈+IR0=E的圖線,根據(jù)此圖線與燈泡的U燈-I圖線的交點可得此時燈泡的電壓U燈=0.6 V,電流I=0.3 A.所以,燈泡的實際功率為P=U燈I=0.6 V×0.3 A=0.18 W.
6.(1)如下圖所示 (2)電流隨電壓的增大非線性增大 (3)0.13