2019高考物理一輪復習 第八章 恒定電流 第4講 描繪小電珠的伏安特性曲線學案.doc

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第4講　描繪小電珠的伏安特性曲線 一、實驗目的 1．掌握滑動變阻器的使用方法及連接方式． 2．掌握伏安特性曲線的描繪方法． 3．理解小電珠的伏安特性曲線為什么是曲線． 二、實驗原理 用電流表測出流過小電珠的電流，用電壓表測出小電珠兩端的電壓，測出多組(U，I)值，在U－I坐標系中描出各對應點，用一條平滑的曲線將這些點連起來． 三、實驗器材 小電珠“3.8 V　0.3 A”、電壓表“0～3 V～15 V”、電流表“0～0.6 A～3 A”、滑動變阻器、學生電源、開關、導線若干、坐標紙、鉛筆． 四、實驗步驟 1．畫出電路圖(如實驗原理圖所示)． 2．將小電珠、電流表、電壓表、滑動變阻器、學生電源、開關用導線連接成如實驗原理圖所示的電路． 3．測量與記錄：移動滑動變阻器觸頭位置，測出12組左右不同的電壓值U和電流值I，并將測量數據填入自己設計的表格中． 4．數據處理 (1)在坐標紙上以U為橫軸，I為縱軸，建立直角坐標系． (2)在坐標紙上描出各組數據所對應的點． (3)將描出的點用平滑的曲線連接起來，就得到小電珠的伏安特性曲線． 　對電路設計和實驗原理的考查[學生用書P158] 一、滑動變阻器的限流式接法和分壓式接法的比較 限流式接法 分壓式接法 電路圖 負載R上電壓 的調節(jié)范圍 ≤U≤E 0≤U≤E 負載R上電流 的調節(jié)范圍 ≤I≤ 0≤I≤ 二、兩種接法的選擇 1．限流式接法適合控制阻值較小的電阻的電壓，分壓式接法適合控制阻值較大的電阻的電壓． 2．要求電壓從0開始逐漸增大，采取分壓式接法． 【典題例析】 　有一個小電珠上標有“4 V，2 W”的字樣，現(xiàn)在要用伏安法描繪這個電珠的I－U圖線，現(xiàn)有下列器材供選用： A.電壓表(0～5 V，內阻10 kΩ) B.電壓表(0～15 V，內阻20 kΩ) C.電流表(0～3 A，內阻0.4 Ω) D.電流表(0～0.6 A，內阻1.0 Ω) E．滑動變阻器(10 Ω，2 A) F．滑動變阻器(500 Ω，1 A) G．學生電源(直流6 V)、開關、導線若干 (1)實驗時，選用圖甲而不選用圖乙的電路圖來完成實驗，請說明理由： ________________________________________________________________________. (2)實驗中所用電壓表應選用________，電流表應選用________，滑動變阻器應選用________．(用序號字母表示) (3)把圖丙中所示的實驗器材按圖甲用筆畫線代替導線連接成實物電路圖． [解析]　(1)由于測量數據要從零開始，故采用題圖甲所示的分壓式電路，且能方便地多測幾組數據． (2)因小電珠額定電壓為4 V，則電壓表選量程為0～5 V的電壓表A.小電珠的額定電流為I＝＝A＝0.5 A，則電流表選D.滑動變阻器應選最大阻值較小的E，這樣在實驗中移動滑片時能使電路中的電流和電壓有明顯的變化，從而減小讀數誤差． (3)電路圖如圖所示． [答案]　(1)描繪電珠的I－U圖線所測數據需從零開始，并要多取幾組數據　(2)A　D　E　(3)見解析圖 　1.(2018廣西柳州高級中學模擬)在描繪小燈泡的伏安特性曲線的實驗中，已知待測小燈泡的額定電壓為6 V，額定功率約為3 W，提供的器材有： 電流表A：量程為0.6 A，內阻約為0.5 Ω； 電壓表V：量程為3 V，內阻為3 kΩ； 滑動變阻器R1(0～10 Ω，2 A) 滑動變阻器R2(0～500 Ω，1 A) 定值電阻R3＝1 kΩ； 定值電阻R4＝3 kΩ； 電源：電動勢為9 V，內阻約為0.1 Ω； 開關一個，導線若干． (1)實驗中，應該選用的滑動變阻器是________，定值電阻是 ________(填儀器的字母代號)． (2)根據所給的器材，在虛線框中畫出實驗電路圖． 解析：(1)燈泡額定電壓為6 V，電壓表量程為3 V，需要把電壓表與定值電阻R4串聯(lián)組成新的電壓表，使電壓表量程擴大至6 V；電壓與電流從零開始變化，滑動變阻器應采用分壓式接法，燈泡正常發(fā)光時電阻約為R＝＝Ω＝12 Ω，電流表內阻約為0.5 Ω，電壓表內阻為6 kΩ，電壓表內阻遠大于燈泡電阻，電流表應采用外接法，因電源內阻約為0.5 Ω，滑動變阻器應選擇阻值較小的R1. (2)實驗電路圖如圖所示． 答案：(1)R1　R4　(2)見解析 　對數據處理和誤差分析的考查[學生用書P159] 誤差分析 (1)系統(tǒng)誤差：由于電壓表、電流表不是理想電表，電表內電阻對電路的影響帶來的誤差． (2)偶然誤差 ①電壓表、電流表的讀數帶來的誤差． ②在坐標紙上描點、作圖帶來的誤差． 【典題例析】 　(2017高考全國卷Ⅰ)某同學研究小燈泡的伏安特性．所使用的器材有：小燈泡L(額定電壓3.8 V，額定電流0.32 A)；電壓表V(量程3 V，內阻3 kΩ)；電流表A(量程0.5 A，內阻0.5 Ω)；固定電阻R0(阻值1 000 Ω)；滑動變阻器R(阻值0～9.0 Ω)；電源E(電動勢5 V，內阻不計)；開關S；導線若干． (1)實驗要求能夠實現(xiàn)在0～3.8 V的范圍內對小燈泡的電壓進行測量，畫出實驗電路原理圖． (2)實驗測得該小燈泡伏安特性曲線如圖(a)所示．由實驗曲線可知，隨著電流的增加小燈泡的電阻________(填“增大”“不變”或“減小”)，燈絲的電阻率________(填“增大”“不變”或“減小”)． (3)用另一電源E0(電動勢4 V，內阻1.00 Ω)和題給器材連接成圖(b)所示的電路，調節(jié)滑動變阻器R的阻值，可以改變小燈泡的實際功率．閉合開關S，在R的變化范圍內，小燈泡的最小功率為________W，最大功率為________W．(結果均保留2位小數) [解析]　(1)要實現(xiàn)在0～3.8 V的范圍內對小燈泡的電壓進行測量，則滑動變阻器需要設計成分壓接法；電壓表V應與固定電阻R0串聯(lián)，將量程改為4 V．由于小燈泡正常發(fā)光時電阻約為12 Ω，所以需將電流表外接． (2)由小燈泡伏安特性曲線可知，隨著電流的增加小燈泡的電阻增大．根據電阻定律可知，燈絲的電阻率增大． (3)當滑動變阻器接入電路中的阻值最大為9.0 Ω時，流過小燈泡的電流最小，小燈泡的實際功率最小，把滑動變阻器視為等效電源內阻的一部分，在題圖(a)中畫出等效電源E′0(電動勢4 V，內阻1.00 Ω＋9.0 Ω＝10 Ω)的伏安特性曲線，函數表達式為U＝4－10I(V)，圖線如圖中Ⅰ所示，故小燈泡的最小功率為Pmin＝U1I1＝1.750.225 W≈0.39 W．當滑動變阻器接入電路中的阻值最小為零時，流過小燈泡的電流最大，小燈泡的實際功率最大，在題圖(a)中畫出電源E0(電動勢4 V，內阻1.00 Ω)的伏安特性曲線，函數表達式為U＝4－I(V)，圖線如圖中Ⅱ所示，故小燈泡的最大功率為Pmax＝U2I2＝3.680.318 W≈1.17 W. [答案]　(1)實驗電路原理圖如圖所示 (2)增大　增大　(3)0.39　1.17 　2.(2016高考天津卷)某同學想要描繪標有“3.8 V，0.3 A”字樣小燈泡L的伏安特性曲線，要求測量數據盡量精確、繪制曲線完整．可供該同學選用的器材除開關、導線外，還有： 電壓表V1(量程0～3 V，內阻等于3 kΩ) 電壓表V2(量程0～15 V，內阻等于15 kΩ) 電流表A1(量程0～200 mA，內阻等于10 Ω) 電流表A2(量程0～3 A，內阻等于0.1 Ω) 滑動變阻器R1(0～10 Ω，額定電流2 A) 滑動變阻器R2(0～1 kΩ，額定電流0.5 A) 定值電阻R3(阻值等于1 Ω) 定值電阻R4(阻值等于10 Ω) 定值電阻R5(阻值等于1 kΩ) 電源E(E＝6 V，內阻不計) (1)請畫出實驗電路圖，并將各元件字母代碼標在該元件的符號旁． Ｋ (2)該同學描繪出的I－U圖象應是下圖中的________． 解析：(1)描繪小燈泡的伏安特性曲線實驗時，需要設計成滑動變阻器的分壓接法，滑動變阻器應選擇與小燈泡阻值相接近的R1.給出的元件電壓表V1量程小于小燈泡的額定電壓，電壓表V2量程又太大，因此需要將電壓表V1串聯(lián)一個1 kΩ的定值電阻R5，改裝成最大量程為4 V的電壓表．給出的元件電流表A1量程小于小燈泡的額定電流，電流表A2量程又太大，因此需要將電流表A1并聯(lián)一個10 Ω的定值電阻R4，改裝成最大量程為400 mA的電流表． (2)由于小燈泡燈絲的電阻隨溫度的升高而增大，所以該同學繪出的小燈泡的I－U圖象應是B. 答案：(1)如圖所示　(2)B 　創(chuàng)新實驗[學生用書P160] 以課本實驗為背景，通過改變實驗條件、實驗儀器設置題目，不脫離教材而又不拘泥于教材，體現(xiàn)開放性、探究性等特點． 1．以實驗原理及實驗方法為基礎，探究小燈泡功率與電壓的關系． 2．實驗對象的變遷 3．數據處理方式的改進 采用“DIS”數字化實驗系統(tǒng)進行實驗數據的采集和處理． 【典題例析】 　(2016高考江蘇卷)小明同學通過實驗探究某一金屬電阻的阻值R隨溫度t的變化關系．已知該金屬電阻在常溫下的阻值約10 Ω，R隨t的升高而增大．實驗電路如圖所示，控溫箱用以調節(jié)金屬電阻的溫度． 實驗時閉合S1，先將開關S2與1端閉合，調節(jié)金屬電阻的溫度，分別記下溫度t1，t2…和電流表的相應示數I1，I2，….然后將開關S2與2端閉合，調節(jié)電阻箱使電流表的示數再次為I1，I2，…，分別記下電阻箱相應的示數R1，R2，…. (1)有以下兩種電流表，實驗電路中應選用________． A．量程0～100 mA，內阻約2 Ω B．量程0～0.6 A，內阻可忽略 (2)實驗過程中，要將電阻箱的阻值由9.9 Ω調節(jié)至10.0 Ω，需旋轉圖中電阻箱的旋鈕“a”“b”“c”，正確的操作順序是________． ①將旋鈕a由“0”旋轉至“1” ②將旋鈕b由“9”旋轉至“0” ③將旋鈕c由“9”旋轉至“0” (3)實驗記錄的t和R的數據見下表： 溫度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 請根據表中數據，在方格紙上作出R－t圖線． 由圖線求得R隨t的變化關系為R＝________Ω. [解析]　(1)電路中的最大電流可能為I＝A＝150 mA，因此選用A. (2)要將電阻箱的電阻值由9.9 Ω調為10.0 Ω，應先將a旋鈕由“0”旋轉至“1”，再將c由“9”旋轉至“0”，再將b由“9”旋轉至“0”，因此順序為①③②(或①②③)． (3)由作出的圖線可知，電阻R與時間t的關系為 R＝8.8＋t(Ω)＝8.8＋0.04t(Ω)． [答案]　(1)A　(2)①③②(或①②③)　(3)如圖所示 0．04t＋8.8(0.04t＋8.6～0.04t＋9.0都算對) 　3.(2018石家莊模擬) 為了探究某電阻Rt在不同溫度下的阻值，某同學設計了如圖甲所示的電路，其中A為內阻不計、量程為3 mA的電流表，E1為電動勢為1.5 V、內阻約為1 Ω的電源，R1為滑動變阻器，R2為電阻箱，S為單刀雙擲開關． (1)實驗室中提供的滑動變阻器有兩個：RA(0～150 Ω)，RB(0～500 Ω)，本實驗中滑動變阻器R1應選用________(選填“RA”或“RB”)． (2)完成下面實驗步驟： ①調節(jié)溫度，使Rt的溫度達到t1； ②將S撥向接點1，調節(jié)________，使電流表的指針偏轉到適當位置，記下此時電流表的讀數I； ③將S撥向接點2，調節(jié)________，使電流表的讀數仍為I，記下此時電阻箱的讀數R0，則當溫度為t1時，電阻Rt＝________； ④改變Rt的溫度，重復步驟②③，即可測得電阻Rt的阻值隨溫度變化的規(guī)律． (3)現(xiàn)測得電阻Rt隨溫度t變化的圖象如圖乙所示．把該電阻與電動勢為3.0 V、內阻不計的電源E2，量程為3.0 V的理想電壓表V(圖中未畫出)和電阻箱R2連成如圖丙所示的電路，用該電阻做測溫探頭，將電壓表的電壓刻度改為相應的溫度刻度，就得到了一個簡單的“電阻溫度計”．若要求電壓表的讀數必須隨溫度的升高而增大，則應在原理圖丙中________(選填“a、b”或“b、c”)兩點接入電壓表．如果電阻箱阻值R2＝75 Ω，則電壓表刻度盤2.0 V處對應的溫度數值為________℃. 解析：(1)由電源的電動勢為1.5 V，電流表量程為3 mA可知，達到滿偏時，電路總電阻約為500 Ω，故滑動變阻器選擇RB. (2)實驗中選用替代法測量電阻，第二步中，先將S撥向接點1，調節(jié)滑動變阻器R1，記錄電流表讀數I；然后將S撥向接點2，調節(jié)電阻箱R2，使電流表讀數仍為I，此時電阻箱的讀數即為待測電阻的阻值，即Rt＝R0. (3)由于電阻Rt隨溫度升高而增大，由閉合電路歐姆定律可知其兩端電壓也增大，所以電壓表與之并聯(lián)，即電壓表接在b、c兩點．根據題圖乙中圖象可得Rt＝(100＋t)Ω，由串聯(lián)分壓規(guī)律可得電壓表示數為2.0 V時，Rt＝150 Ω，解得t＝50(℃)． 答案：(1)RB　(2)②R1?、跼2　R0　(3)b、c　50 ,　　　　　　　　[學生用書P161]) 1．(2015高考浙江卷)圖甲是小紅同學在做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗的實物連接圖． 　　　　　　　　　　甲　　　　　　　　　　　乙 (1)根據圖甲畫出實驗電路圖； (2)調節(jié)滑動變阻器得到了兩組電流表與電壓表的示數如圖乙中的①、②、③、④所示，電流表量程為0.6 A，電壓表量程為3 V．所示讀數為：①________、②________、③________、④________．兩組數據得到的電阻分別為________和________． 解析： (1)實驗電路圖如圖所示． (2)電流表量程為0.6 A，每一小格代表0.02 A，讀數時估讀到精度的本位即可；電壓表量程為3 V，每一小格代表0.1 V，讀數時估讀到精度的下一位．讀數分別為：①0.10 A、②0.24 A、③2.00 V、④0.27 V．應用R＝求電阻時，電流為0.10 A時對應的電壓為0.27 V；電流為0.24 A時對應的電壓為2.00 V，求得的兩組數據對應的電阻分別為2.7 Ω和8.3 Ω. 答案： (1)如解析圖所示 (2)0.10 A　0.24 A　2.00 V　0.27 V 2．7(0.1) Ω　8.3(0.1) Ω[如填為8.3(0.1) Ω 2．7(0.1) Ω也行] 2．在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗中，要測量一個標有“3 V，1.5 W”的小燈泡兩端的電壓和通過它的電流，現(xiàn)有如下器材： A．直流電源3 V(內阻可不計) B．直流電流表0～600 mA(內阻約為0.5 Ω) C．直流電壓表0～3 V(內阻約3 kΩ) D．滑動變阻器(10 Ω，1 A) E．滑動變阻器(1 kΩ，300 mA) F．開關、導線若干 (1)本實驗中滑動變阻器應選用________(選填“D”或“E”)． (2)下表中的各組數據是該同學在實驗中測得的，根據表格中的數據在如圖甲所示的坐標紙上作出該小燈泡的伏安特性曲線． U/V I/A 0 0 0.5 0.17 1.0 0.30 1.5 0.39 2.0 0.45 2.5 0.49 (3)如圖乙所示，將兩個這樣的小燈泡并聯(lián)后再與阻值為5 Ω的定值電阻R0串聯(lián)，接在電壓恒定為4 V的電路中，每個小燈泡的實際功率為________W. 解析：(1)實驗中需測量多組數據，滑動變阻器用分壓式接法，為了調節(jié)方便，滑動變阻器用阻值較小的，故選D. (2)描點畫圖，如圖所示． (3)設小燈泡兩端的電壓為U，電流為I，根據閉合電路歐姆定律得：U0＝U＋2IR0，所以U＝－2R0I＋U0，代入數據得U＝－10I＋4，在小燈泡的伏安特性曲線同一坐標系上畫出該直線，其交點(1.0，0.3)即為小燈泡的實際電壓、電流值，可得小燈泡消耗的實際功率P＝UI＝0.3 W. 答案：(1)D　(2)見解析圖　(3)0.3 3．(2018長興中學模擬)小明做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗，已知小燈泡標稱值是“2.5 V，0.3 A”，不考慮電壓表分流引起的誤差，請完成如下小題： (1)為初步了解小燈泡的電阻值，小明使用多用電表的歐姆擋按正確測量步驟進行測量，根據圖甲所示，小燈泡阻值為________Ω. (2)為進一步探究小燈泡伏安特性，小明連接了如圖乙所示實物圖，請在圖中補上一根導線，使實驗能夠正常進行． (3)按要求操作得到數據如表所示，第7組中電壓表示數如圖丙所示，則U＝________V；判斷U＝0、I＝0時的小燈泡電阻值為________Ω，試分析此電阻值遠小于(1)中阻值的原因________________________________________________________________________. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 I/A 0 0.04 0.08 0.09 0.10 0.11 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 U/V 0 0.05 0.10 0.13 0.17 0.20 0.55 0.80 1.05 1.35 R/Ω 1.3 1.3 1.4 1.7 1.8 3.9 5.0 5.8 6.8 解析：(1)采用“1”倍率，所以讀數為6 Ω. (2)“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗中，需要多組數據，所以滑動變阻器應采用分壓接法，如圖所示． (3)電壓表采用0～3 V擋，分度值為0.1 V，故讀數為0.30 V，U＝0、I＝0時溫度接近2、3組的溫度，故應為1.3 Ω，遠小于(1)中的測量值是因為用歐姆“1”倍率擋測電阻時電流較大，小燈泡已有發(fā)光，燈絲溫度升高，電阻較冷燈絲時大的多． 答案：(1)6　(2)如解析圖所示　 (3)0.30　1.3　用歐姆“1”倍率擋測電阻時電流較大，小燈泡已有發(fā)光，燈絲溫度升高，電阻較冷燈絲時大的多 4．某學習小組擬研究一個標有“3.6 V，1.8 W”的小電珠的伏安特性曲線，可供選用的器材如下： ①電流表A，量程0～0.6 A，內阻約為0.2 Ω； ②電壓表V，量程0～15 V，內阻約為15 kΩ； ③滑動變阻器R，阻值范圍0～10 Ω； ④學生電源E，電動勢為4 V，內阻不計； ⑤開關S及導線若干． (1)該學習小組中的甲同學設計了如圖甲所示的電路進行測量，請按照圖甲所示的電路圖幫甲同學將圖乙中的實物圖連接起來． (2)甲同學在實驗中發(fā)現(xiàn)，由于電壓表的量程較大而造成讀數誤差很大，因而影響了測量結果．于是又從實驗室找來一量程為Ig＝100 μA、內阻Rg＝1 000 Ω的靈敏電流計，想把該靈敏電流計改裝成量程為5 V的電壓表，則需串聯(lián)一個阻值為________Ω的電阻． (3)甲同學用改裝后的電壓表進行實驗，得到電流表讀數I1和靈敏電流計讀數I2如表所示： I1(A) 0 0.19 0.30 0.37 0.43 0.46 0.48 0.49 I2(μA) 0 10 20 30 40 50 60 70 請在圖丙中的坐標紙上畫出I1－I2圖線． 　 (4)若將該小電珠接在如圖丁所示的電路中，則該小電珠消耗的電功率約為________W．已知電源的電動勢為E′＝3.0 V，內阻r＝1.5 Ω，定值電阻R0＝4.5 Ω.(結果保留兩位有效數字) 解析：(1)如圖所示． (2)設需要串聯(lián)的電阻阻值為Rx，則有Ig(Rg＋Rx)＝5 V，代入數據可得Rx＝49 000 Ω. (4)將定值電阻R0看做該電源的內阻的一部分，則內阻r′＝6 Ω，由此可得路端電壓U＝E′－Ir′，在I1－I2圖線所在坐標紙上作出該I－U圖象如圖所示，可知其交點坐標表示的電流約為0.32 A，電壓約為1.1 V，所以該小電珠消耗的功率約為P＝0.321.1 W≈0.35 W. 答案：(1)見解析圖　(2)49 000　(3)如圖所示 (4)0.35