(全国通用)2014届高三物理复习能力提升 第10章 实验12 描绘小电珠的伏安特性曲线.doc

实验十二　描绘小电珠的伏安特性曲线
考纲解读1.掌握滑动变阻器的使用方法及连接方式.2.掌握伏安特性曲线的描绘方法.3.理解小电珠的伏安特性曲线为什么不是一条直线．

基本实验要求

1．实验原理
(1)测多组小电珠的U、I，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(如实验原理图甲)．
(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实验原理图乙所示电路．
(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，分压式接法要选用小阻值滑动变阻器．
规律方法总结

1．滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比较
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≤
2. 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(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小)．
(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总电阻要大)．
3．注意事项
(1)电流表外接法：本实验中被测小电珠灯丝的电阻值较小，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接法：本实验要作出U－I图象，要求测出多组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压式接法．
(3)保护元件安全：为保护元件不被烧毁，开关闭合前滑动变阻器的滑片应位于最大电阻处，加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压．
4．误差分析
(1)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)测量时读数带来误差．
(3)在坐标纸上描点、作图带来误差.

考点一　对实验原理和电路设计的考查

例1　(2012·四川理综·22(2))某学习小组的同学拟探究小灯泡L的伏安特性曲线，可供选用的器材如下：
小灯泡L，规格“4.0 V　0.7 A”；
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甲同学设计了如图1甲所示的电路来进行测量，当通过L的电流为0.46 A时，电压表的示数如图乙所示，此时L的电阻为________Ω.

　　　　　　甲　　　　　　　　乙
图1
②乙同学又设计了如图2所示的电路来进行测量，电压表指针指在最大刻度时，加在L上的电压值是________ V.

　　　 图2　　　 　　　图3
③学习小组认为要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线，需要重新设计电路．请你在乙同学的基础上利用所供器材，在图3所示的虚线框内补画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号．
答案　①5　②4　③见解析图
解析　①电压表的示数U＝2.30 V，所以灯泡L的电阻RL＝＝ Ω＝5 Ω.
②由题图知电压表V与R2串联，根据串联分压，当电压表V的示数为3 V时，R2两端的电压U2＝R2＝×3 000 V＝1 V，所以灯泡两端的电压U′＝UV＋U2＝(3＋1) V＝4 V.
③要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线，则电压表的量程应变为4.0 V，电流表的量程应变为0.7 A，因此将电压表V与标准电阻R2串联改装成量程为4.0 V的电压表，将电流表A2与标准电阻R1并联改装成量程为0.6 A＋ A＝0.72 A的电流表．故虚线框内实验电路如图所示．

考点二　对仪器选取、图象描绘及数据处理的考查
例2　物理兴趣小组的同学们从实验室中找到一只小灯泡，其标称功率值为0.75 W，额定电压值已模糊不清．他们想测定其额定电压值，于是先用欧姆表直接测出该灯泡的电阻约为2 Ω，然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U＝＝ V＝1.22 V．他们怀疑所得电压值不准确，于是，再利用下面可供选择的实验器材设计一个电路，测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘灯泡的U－I图线，进而分析灯泡的额定电压．
A．电压表V(量程3 V，内阻约3 kΩ)
B．电流表A1(量程150 mA，内阻约2 Ω)
C．电流表A2(量程500 mA，内阻约0.6 Ω)
D．滑动变阻器R1(0～20 Ω)
E．滑动变阻器R2(0～100 Ω)
F．电源E(电动势4.0 V，内阻不计)
G．开关S和导线若干
H．待测灯泡L(额定功率0.75 W，额定电压未知)
(1)在下面所给的虚线框中画出他们进行实验的电路原理图，指出上述器材中，电流表选择________(填“A1”或“A2”)；滑动变阻器选择________(填“R1”或“R2”)．

(2)在实验过程中，该同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加，当电压达到1.23 V时，发现灯泡亮度很暗，当达到2.70 V时，发现灯泡已过亮，便立即断开开关，并将所测数据记录在下边表格中.
次数
1
2
3
4
5
6
7
U/V
0.20
0.60
1.00
1.40
1.80
2.20
2.70
I/mA
80
155
195
227
255
279
310
请你根据实验数据在图4中作出灯泡的U－I图线．

图4
(3)由图象得出该灯泡的额定电压应为________V；这一结果大于1.23 V，其原因是
________________________________________________________________________．
解析　(1)根据P＝I2R，估算灯泡的电流大约是600 mA，因此电流表应选A2；本实验要描绘出灯泡的U－I图线，需要测量多组数据，因此滑动变阻器应接成分压式，所以应选阻值较小的R1；小灯泡电阻不大，电流表应外接；
(2)如图所示

(3)由P＝UI＝0.75 W，再结合图象可知U额＝2.5 V；大于1.23 V的原因是由于灯泡冷态电阻小于正常工作时的电阻．
答案　(1)电路原理图如图所示　A2　R1

(2)见解析图
(3)2.5(2.4～2.6)　灯泡冷态电阻小于正常工作时的电阻(或灯泡电阻随温度升高而变大)

48．电学实验电路设计的思路与方法

1．首先应明确题目的要求，看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或要求设计达到何种标准的电路等．其设计原则是：安全、方便、经济．
2．在测量电路中，一般有电流表内接和外接两种方式，对于给定电表内阻的情况，应先比较R0与待测电阻Rx的关系，其中R0＝，若Rx>R0，则设计为内接；若Rx<R0，则设计为外接；若电表量程不合适，往往还要用定值电阻对电表进行改装．
3．在控制电路中，滑动变阻器有分压式、限流式两种接法，若变阻器阻值较小，一般设计为
分压式；若变阻器阻值较大，一般设计为限流式，在二者都可行时，应先考虑限流方式，但下面三种情形必须设计为分压式接法：(1)数据要求从0开始变化；(2)变阻器阻值太小，
限流限不住；(3)调节变阻器时，不能获取有区分度的多组数据.

答案　(1)A2　V1　R1　(2)如图所示　(3)减小　0.12

1．(2012·安徽理综·21Ⅱ)图6为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为2.5 V.

图6
(1)完成下列实验步骤：
①闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，______________；
②闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，__________；
③断开开关，……根据实验数据作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线．
(2)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图．

答案　(1)①使它靠近滑动变阻器左端的接线柱　②增加小灯泡两端的电压，记录电流表和电压表的多组读数，直至电压达到其额定电压　(2)见解析图
解析　(1)滑动变阻器为分压式接法，故闭合开关前，小灯泡两端的电压为零，调节滑动变阻器的滑片，使它靠近滑动变阻器左端的接线柱．闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，增加小灯泡两端的电压，记录电流表和电压表的多组读数，直至电压达到额定电压．
(2)与实物电路相应的电路图如图所示．

2．(2011·福建理综·19(2))某同学在探究规格为“6 V，3 W”的小电珠伏安特性曲线实验中：
(1)在小电珠接入电路前，使用多用电表直接测量小电珠的电阻，则应将选择开关旋至
________挡进行测量．(填选项前的字母)
A．直流电压10 V
B．直流电流5 mA
C．欧姆×100
D．欧姆×1
(2)该同学采用图7所示的电路进行测量．图中R为滑动变阻器(阻值范围0～20 Ω，额定电流1.0 A)，L为待测小电珠，为电压表(量程6 V，电阻20 kΩ)，为电流表(量程0.6 A，内阻1 Ω)，E为电源(电动势8 V，内阻不计)，S为开关．
图7

Ⅰ.在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于最
______端；(填“左”或“右”)
Ⅱ.在实验过程中，已知各元件均无故障，但闭合开关S后，无论如何调节滑片P，电压表和电流表的示数总是调不到零，其原因是________点至________点的导线没有连接好；(图中的黑色小圆点表示接线点，并用数字标记，空格中请填写图7中的数字)
图8

Ⅲ.该同学描绘出小电珠的伏安特性曲线示意图如图8所示，则小电珠的电阻值随工作电压的增大而________．(填“不变”、“增大”或“减小”)
答案　(1)D　(2)Ⅰ.左　Ⅱ.1　5(或5　1)　Ⅲ.增大
解析　(1)因小电珠正常发光时的电阻R＝＝ Ω＝12 Ω，小电珠未接入电路的电阻要比正常发光时小得多(因温度的影响)，故用多用电表测未接入电路的小电珠的电阻，应选D.
(2)Ⅰ.在实验时，闭合开关前，应使用电器的电压、电流为最小值，故应使滑片P置于最左端．
Ⅱ.若1点到5点未接好，则电路成为滑动变阻器的限流式电路．
Ⅲ.在I－U图象中的每一点与O点连线的斜率逐渐减小，即电阻的倒数减小，所以电阻增大．
3．(2011·山东理综·23(2))某同学利用图9所示电路，探究了电源在不同负载下的输出功率．

图9
①所得实验数据如下表，请在图10上画出U－I图象.
U/V
1.96
1.86
1.80
1.84
1.64
1.56
I/A
0.05
0.15
0.25
0.35
0.45
0.55

图10
②根据所画的U－I图象，可求得电流I＝0.20 A时电源的输出功率为__________ W．(保留两位有效数字)
③实验完成后，该同学对实验方案进行了反思，认为按图9电路进行实验操作的过程中存在安全隐患，并对电路重新设计．在图11所示的电路中，你认为既能测出电源在不同负载下的输出功率，又能消除安全隐患的是________________．(Rx阻值未知)

图11
答案　①如图所示

②0.37　③bc
解析　①选择合适标度后描点，连接成图象时，应舍弃第四组数据点．
②在所画的U－I图象上读出与I＝0.2 A对应的电压U值，根据P＝IU求解．
③题中“存在安全隐患”，意为缺乏保护措施．a电路中Rx起不到保护作用，d中Rx起保护作用，但不能测出电源的输出功率，b、c能满足题目要求，选b、c.
4．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)
F．滑动变阻器(阻值范围0～5 Ω)，额定电流为0.6 A
G．滑动变阻器(阻值范围0～100 Ω)，额定电流为0.6 A
H．直流电源(电动势E＝3 V，内阻不计)
I．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)请在下面的虚线框中画出实验电路图；

(3)在图12中描出该电学元件的伏安特性曲线；

图12
(4)据图中描出的伏安特性曲线可知，该电学元件的电阻随温度而变化的情况为：________________________________________________________________________.
答案　(1)C　A　F　(2)见解析图　(3)见解析图　(4)元件电阻随温度升高而增大
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，变阻器应接成分压式，且选阻值较小的滑动变阻器F.
(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，因此电流表外接．电 路图如图所示：

(3)如图所示

(4)由图象知，图线的斜率逐渐变小，因此随着温度的变化，电学元件的电阻逐渐增大．
5．在做“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验时，所用器材有：电动势为6 V的电源、额定电压为2.5 V的小电珠、以及符合实验要求的滑动变阻器、电表、开关和导线．要求能测出尽可能多组数据．图13是没有连接完整的实物电路．(已连接好的导线有a、b、c、d、e、f六根)

图13
(1)请你用笔画线代替导线，在原图中将实物电路连接完整；
(2)连好电路，闭合开关，移动变阻器滑片P，发现小电珠始终不亮，但电压表有示数，电流表几乎不偏转，则故障的原因可能是____________________________________
________________________________________________________________________；
(3)排除故障后闭合开关，移动滑片P到某处，电压表的示数为2.2 V，要测量小电珠的额定功率，应将滑片P向____端滑动(选填“左”或“右”)；
(4)通过移动滑片P，分别记下了多组对应的电压表和电流表的读数，并绘制成了如图14所示的U－I图象．根据U－I图象提供的信息，可计算出小电珠的额定功率是________ W；

图14
(5)图线是曲线而不是过原点的直线，原因是___________________________________
________________________________________________________________________.
答案　(1)连线如图所示

(2)c段导线断路或电珠损坏
(3)右　(4)0.5　(5)小电珠的电阻随温度的升高而增大

13