【物理】2019届一轮复习人教版　实验9　描绘小灯泡的伏安特性曲线学案 19页

实验九 描绘小灯泡的伏安特性曲线 (对应学生用书第 148 页) 一、实验目的 1．描绘小灯泡的伏安特性曲线． 2．分析伏安特性曲线的变化规律． 二、实验原理 1．用电流表测出流过小灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多 组(U，I)值，在 IU 坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连起 来． 2．电流表外接：因为小灯泡的电阻较小，如果电流表内接，误差明显较大；滑 动变阻器采用分压式，使电压能从零开始连续变化． 3．滑动变阻器两种接法的对比： 方式 内容 限流接法 分压接法 对比说明 两种接法电路图 串、并联关系不同 负载 R 上电压调节范围 RE R＋R0 ≤U≤E 0≤U≤E 分压电路调节范围大 负载 R 上电流调节范围 E R＋R0 ≤I≤E R 0≤I≤E R 分压电路调节范围大 闭合 S 前触头位置 b 端 a 端 都是为了保护电路元件 4. 两种接法的选择： (1)限流式接法适合测量阻值小的电阻(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)三种必须用分压接法的情况． ①若限流式不能保证安全，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上 的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程，或超过待测电阻的额定 电流(或电压)，则必须选用分压式接法． ②若 Rx≫R 滑，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端 时，待测电阻上的电流或电压变化范围不明显，此时，应改用分压电路． ③若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式电路． 5．两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法电路 简单、耗能低． 三、实验器材 小灯泡(3.8 V,0.3 A)或(2.5 V,0.6 A)一个、电压表(0～3 V～15 V)与电流表 (0～0.6 A～3 A)各一个、滑动变阻器(最大阻值 20 Ω)一个、学生低压直流 电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔． 四、实验过程 (一)实验步骤 1．确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分压式接 法，按图实91 中的原理图连接好实验电路． 图实91 2．把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关 S. 3．移动滑动变阻器滑片位置，测出 12 组左右不同的电压值 U 和电流值 I，并将 测量数据填入表格中，断开开关 S. (二)数据处理 1．在坐标纸上以 U 为横轴，以 I 为纵轴，建立坐标系． 2．在坐标系上描出各组数据所对应的点(坐标系纵轴和横轴的标度要适中，以使 所描图线充分占据整个坐标纸为宜). 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． (对应学生用书第 149 页) 考点一| 实验原理与操作 要描绘一个标有“3 V 0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线，灯泡 两端的电压需要由零逐渐增加到 3 V，并便于操作．已选用的器材有： 电池组(电动势 4.5 V，内阻约 1 Ω)； 电流表(量程为 0～250 mA，内阻约 5 Ω)； 电压表(量程为 0～3 V，内阻约 3 kΩ)； 开关一个，导线若干. (1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的________(填仪器前的字母)． A．滑动变阻器(最大阻值 20 Ω，额定电流 1 A) B．滑动变阻器(最大阻值 1 750 Ω，额定电流 0.3 A) (2)实验的电路图应选用下列的图________． (3)根据你所选择的电路图分析，在闭合开关之前，应将滑动变阻器的滑 片移到最________(填“左”或“右”)端；闭合开关，移动滑片，使电表 的示数逐渐________(填“增大”或“减小”)．依次记录电流及相应的电 压． [答案](1)A (2)B (3)左 增大 (2018·茂名一模)现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V，0.6 W”小灯泡的 IU 图线，有下列器材供选用： A．电压表(0～3 V，内阻 3 kΩ；0～15 V，内阻 10 kΩ) B．电流表(0～0.6 A，内阻 0.5 Ω；0～3 A，内阻 0.1 Ω) C．滑动变阻器(10 Ω，2 A) D．滑动变阻器(100 Ω，1.0 A) E．蓄电池(电动势 6 V，内阻不计) (1)为了减小测量误差，图甲中的 S1 应接________(选填“M”或“N”)， 滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)． (2)根据你选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所 需电路图． (3)开关 S 闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于________端(选填 “A”“B”或“AB 正中间”)．闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，电 压表示数变化明显，但电流表示数始终为 0，则电路故障为________． [解析](1)由电路图可知，电路采用了滑动变阻器分压接法；因灯泡内阻较 小，故电流表采用外接法；故 S1 应接在 M 点；因采用分压接法，故滑动 变阻器采用小电阻，应选用 C. (2)根据实验原理图画出实物图如图所示： (3)为了保证实验安全，开始时灯泡两端的电压应为最小，故滑动变阻器 的滑片应在 A 端；由题意可知，电压表示数变化明显，说明电压表与电源 相连，且滑动变阻器连接正常，而电流表没有示数说明电路是断开的，由 电路图可知，只能是灯泡发生了断路故障． [答案](1)M C (2)见解析 (3)A 小灯泡断路 考点二| 数据处理与误差分析 (2018·苏州高三调研)一实验小组用某种导电材料制作成电阻 较小的线状元件 Z，并通过实验研究该元件中的电流随两端电压从零逐渐 增大过程中的变化规律． (1)该小组连成的实物电路如图实92 所示，其中有两处错误，请在错误的 连线上打“×”，并在原图上用笔画出正确的连线． 图实92 (2)在实验中应选用的滑动变阻器是________． A．滑动变阻器 R1(0～5 Ω 额定电流 5 A) B．滑动变阻器 R2 (0～100 Ω 额定电流 0.5 A) (3)实验测得元件中的电流与电压的关系如下表所示，试在方格纸中画出 电流与电压的关系图线． U(V) 0 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 1.00 1.20 I(A) 0 0.20 0.30 0.40 0.55 0.75 1.25 1.80 (4)本实验中带来误差的电表是________，导致被测电阻的 R 测 ________R 真(选填“>”“＝”或“<”)． [答案](1)如图甲所示 (2)A (3)如图乙所示 (4)电压表 < 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的器材及代号如 下： A．小灯泡 L(3 V、5 Ω)； B．滑动变阻器 R(0～10 Ω，额定电流 1.5 A)； C．电压表 V1(量程：0～3 V，RV 约 5 kΩ)； D．电压表 V2(量程：0～15 V，RV 约 10 kΩ)； E．电流表 A1(量程：0～0.6 A，RA 约 0.5 Ω)； F．电流表 A2(量程：0～3 A，RA 约 0.1 Ω)； G．铅蓄电池、开关各一个，导线若干； 实验中要求加在小灯泡两端的电压可连续地从零调到额定电压． (1)为了减少误差，实验中应选电压表________，电流表________； (2)选出既满足实验要求，又要减小误差的实验电路图________． 甲 乙 丙 丁 (3)请按电路图连接好图中的实物图． (4)根据所得到的小灯泡的相关数据描绘的伏安特性曲线如图所示，若将 该小灯泡接在电动势为 3.0 V，内阻是 5.0 Ω的电池两端，小灯泡的实际功 率为________(保留两位有效数字)． [解析](1)灯泡的额定电流为 I＝U R ＝3 5 A＝0.6 A，故电流表选择 E 即可，电 压表选 C； (2)因电压表内阻远大于待测灯泡的内阻，故采用电流表外接电路，滑动 变阻器用分压电路，故图丙正确； (3)根据给出的原理图可得出对应的实物图如图所示； (4)在表示小灯泡的 IU 图象中画出表示电源的 IU 图象如图所示，读出两 图线交点坐标为：U＝1.3 V，I＝0.34 A，所以小灯泡消耗的功率为：P＝ UI＝1.3×0.34 W＝0.44 W. [答案](1)C E (2)丙 (3)见解析 (4)0.44 W 考点三| 实验拓展与创新 视角 1：实验目的改变 以实验原理及实验方法为基础，探究小电珠功率与电压的关系． 视角 2：实验对象的变迁 视角 3：数据处理方式的改进 采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理． 创新点 1 结合电表的改装和电源的 IU 图线分析 1．(2017·全国Ⅰ卷)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图实93(a)所示． (a) (b) 图实93 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 2 位小数) [解析](1)小灯泡的电压要求从 0 开始调节，滑动变阻器采用分压式接法， 小灯泡的额定电压超出电压表的量程，需与 R0 串联后接入电路．电路图 如图所示． (2)IU 图象中随着电流的增大，图线的斜率变小，小灯泡的电阻增大．根 据电阻定律 R＝ρL S ，得灯丝的电阻率增大． (3)当 R＝0 时，电源路端电压与电流的关系图象如图线甲所示．此时小灯 泡功率有最大值． 当 R＝9 Ω时，将 R 看作电源内阻，则等效电源内阻为 10 Ω，其路端电压 与电流的关系图象如图线乙所示．此时小灯泡功率有最小值． 取图线甲与小灯泡伏安特性曲线交点： U1＝3.66 V，I1＝0.319 A， 小灯泡的最大功率 P1＝U1I1≈1.17 W. 取图线乙与小灯泡伏安特性曲线交点： U2＝1.77 V，I2＝0.222 A， 小灯泡的最小功率 P2＝U2I2≈0.39 W. [答案](1)实验电路原理如图所示． (2)增大 增大 (3)0.39 1.17 某实验小组为了测定小灯泡的伏安特性曲线，选取了如图甲所示的实验器 材．待测小灯泡的额定电压为 3.2 V，要求测量范围尽量大一些，并描绘 出小灯泡的伏安特性曲线． (1)选取电源的电动势 4.0 V，电源内阻不计．同学们为了精确测量电压， 需要将量程 1.0 V 的电压表改装为量程 4.0 V，已知 1.0 V 电压表的内阻 为 1.2 kΩ，需要给电压表________(选填“串联”或“并联”)一个 R0＝ ________kΩ的定值电阻． (2)用笔画线代替导线，将仪器实物图按实验要求连接好． (3)同学们正确实验后描绘出小灯泡伏安特性曲线如图乙所示，由伏安特 性曲线可知，当小灯泡两端电压增大、灯丝温度升高时，电阻________(选 填“增大”“不变”或“减小”)．正常工作时灯丝电阻等于________Ω， 额定功率是________W(均取两位有效数字)． (4)将实验时所用的电源串联上一个 R′＝10 Ω的电阻，再与这个小灯泡直 接串连在一起，则小灯泡的实际功率是________W(取两位有效数字)． [解析](1)根据改装原理，要将电压表量程扩大，应串联一个电阻，根据串 并联电路规律可知，应串接的电阻为：R＝ U Ug Rg －Rg＝ 4 1 1.2×103 －1.2×103 Ω＝3.6×103 Ω＝3.6 kΩ； (2)本实验要求电压由零开始调节，故滑动变阻器采用分压接法，同时因 灯泡内阻较小，故应采用电流表外接法，如图甲所示； (3)IU 图象中图象的斜率表示电阻的倒数，则由图可知，电阻随电压的升 高而增大；当电压为 3.2 V 时，电流约为 0.31 A，则电阻为：R＝U I ＝ 3.2 0.31 Ω＝10.3 Ω； 额定功率为：P＝UI＝3.2×0.31 W＝0.99 W； (4)电源的电动势为 4 V，接入电阻为 10 Ω，将其等效为电源内阻，在灯泡 伏安特性曲线中作出等效电源的图象，如图乙所示；灯泡实际电压为 1.7 V，电流为 0.23 A，则其功率：P＝UI＝1.7×0.23 W＝0.39 W. [答案](1)串联 3.6 (2) (3)增大 10.3 至 10.5 0.97 至 0.99 (4)0.40(或 0.39) 创新点 2 分析二极管的 IU 图象 2. 2014 年 10 月 7 日瑞典皇家科学院宣布：2014 年诺贝尔物理学奖授予发明了蓝 色发光二极管(LED)的日本科学家，以表彰他们为提高人类生活品质所做的 卓越贡献．如图实94 为一个蓝色发光二极管(LED)的示意图，杭州少年科学 院的“少年科学家”们对它的电学特性进行系列研究． 图实94 (1)因蓝色发光二极管(LED)未标明极性，“少年科学家”们利用多用电表 的________(选填“欧姆挡”“电压挡”或“电流挡”)探测二极管的极 性．请你写出正确的判断方法___________________________________ ______________________________________________________________. (2)为探究蓝色发光二极管(LED)的伏安特性、测绘它的伏安特性曲线， “少年科学家”们得到科学探究实验室老师的帮助，通过实验，测得发光 二极管两端电压 U 和通过它的电流 I 的数据如下表： U/V 0 1.50 1.80 1.90 2.00 2.08 2.19 2.33 I/mA 0 0 0.01 0.02 0.04 0.06 0.09 0.20 U/V 2.43 2.51 2.56 2.62 2.70 2.82 2.87 I/mA 0.50 0.80 1.00 3.00 5.00 9.00 11.01 ①请在图实95 中以笔画线代替导线，按实验要求将实物图中的连线补充 完整． 图实95 ②请你根据“少年科学家”实验时收集到的数据，在图实96 所示的坐标 纸中画出该蓝色发光二极管(LED)的伏安特性曲线(IU 图线)． 图实96 (3)若将该蓝色发光二极管(LED)与一个电池组(电动势为 E＝3 V、内阻不 计)、阻值 R＝150 Ω的电阻相串联，则该蓝色发光二极管(LED)的发光功 率约为________W．(结果保留 2 位有效数字) [解析](1)由于二极管的单向导电性，可运用多用电表的欧姆挡测试正向、 反向电阻，确定二极管的极性．多用电表(欧姆表)的黑、红表笔分别接表 内电源的正、负极．将调零后的多用电表的红、黑表笔分别接二极管的 a、 b 端，若测得电阻几乎为零，则 b 为正极，若测得电阻较大，则 a 为正极； (2)由于需要二极管两端电压从零开始增加，滑动变阻器应采用分压式接 法，电路连接如图甲所示．由表中数据作出二极管的伏安特性曲线如图乙 所示．将与二极管串联的电阻 R 视为电池组的内阻，在二极管的伏安特性 曲线坐标系中再作出闭合电路的 IU 图象(电源的伏安特性曲线)，两图象 的交点坐标(2.62 V,2.6×10－3 A)，为二极管两端的电压 U 和通过的电流 I， 则二极管的功率约为 P＝UI＝0.006 8 W. [答案](1)欧姆挡 将红、黑表笔短接进行欧姆调零后，将红表笔接 a 端、 黑表笔接 b 端时，若多用电表的指针偏转角较小，而红、黑表笔反接时指 针偏转角较大，说明 a 端是该发光二极管正极；反之，则 b 端是该发光二 极管正极 (2)①连线如下 甲 ②IU 图线如下 乙 (3)0.006 2～0.007 3 创新点 3 研究小灯泡的 P U2 图线 3．为探究小灯泡的电功率 P 和电压 U 的关系，小明测量小灯泡的电压 U 和电流 I，利用 P＝UI 得到电功率．实验所使用的小灯泡规格为“3.0 V 1.8 W”， 电源为 12 V 的电池，滑动变阻器的最大阻值为 10 Ω. (1)准备使用的实物电路如图实97 所示．请将滑动变阻器接入电路的正确 位置．(用笔画线代替导线) 图实97 (2)现有 10 Ω、20 Ω和 50 Ω的定值电阻，电路中的电阻 R1 应选________Ω 的定值电阻． (3)测量结束后，应先断开开关，拆除________两端的导线，再拆除其他 导线，最后整理好器材． (4)小明处理数据后将 PU2 描点在坐标纸上，并作出了一条直线，如图实 98 所示．请指出图象中不恰当的地方. 图实98 [解析](1)连线如图所示． (2)小灯泡电阻大约为 5 Ω，当滑动变阻器阻值最大时，小灯泡与滑动变阻 器的并联电阻值约为 3.3 Ω，则 12 V－3 V＝ 3 V 3.3 Ω ×R1，解得 R1＝9.9 Ω， 所以 R1 应取 10 Ω的定值电阻． (3)实验结束，断开开关，拆除电池两端导线，以防电源短路． (4)在坐标纸上描出的点并不是在一条直线上，图线应为曲线；横坐标的 标度值取得太大，应适当减小． [答案](1)见解析图 (2)10 (3)电池 (4)图线不应画为直线；横坐标的标 度不恰当 [随堂训练] 1．在探究小灯泡的伏安特性实验中，所用器材有：灯泡 L、量程恰当的电流表 A 和电压表 V、直流电源 E、滑动变阻器 R、电键 S 等，要求灯泡两端电压 从零开始变化． (1)实验中滑动变阻器应采用________接法(填“分压”或“限流”)． (2)某同学已连接如图实99 所示的电路，在连接最后一根导线的 c 端到直 流电源正极之前，请指出其中仅有的 2 个不当之处，并说明如何改正． A．____________________________________________________________ ； B．____________________________________________________________ _. 图实99 [解析](1)因为灯泡两端的电压要从零开始调节，故滑动变阻器只能采用分 压接法． (2)在电路接好并检查是否正确连线之前，电键应处于断开状态，以免因 接线错误而导致仪表损坏；接为分压电路时，待测部分电路的电压应从零 开始调节，故滑片应先处于 b 端． [答案](1)分压 (2)电键 S 闭合，应处于断开状态 滑动变阻器滑动触头位 置不当，应将其置于 b 端 2．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，除标有“6 V 1.5 W”的小灯 泡、导线和开关外，还有下列器材： A．直流电源(6 V，内阻不计) B．直流电流表(0～3 A，内阻 0.1 Ω以下) C．直流电流表(0～300 mA，内阻约为 5 Ω) D．直流电压表(0～10 V，内阻约为 15 kΩ) E．滑动变阻器(10 Ω，2 A) F．滑动变阻器(1 kΩ，0.5 A) 实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量． (1)实验中电流表应选用________，滑动变阻器应选用________．(均用序 号表示) (2)画出实验电路图. [解析](1)由 I 额＝1.5 6 A＝250 mA 可知电流表应选 C；因为要求小灯泡两 端的电压从零开始变化，所以滑动变阻器应采用分压接法，故应选小阻值 的 E. (2)实验电路图如图所示． [答案](1)C E (2)如图所示 3．某同学通过实验研究小灯泡的电流与电压的关系．可用的器材如下：电源、 滑动变阻器、电流表、电压表、不同规格的小灯泡两个、电键、导线若干． 甲 乙 图实910 (1)通过实验、作图得到了小灯泡 L1 的 UI 图象如图实910 甲中的图线Ⅰ， 则可知小灯泡 L1 的电阻随电压增大而________(填“增大”、“减小”或 “不变”)． (2)为了得到图甲中的图线Ⅰ，请将图乙中缺少的两根导线补全，连接成 合理的实验电路(其中电流表和电压表分别测量小灯泡的电流和电压)． (3)换小灯泡 L2 重做实验、作图，得到其 UI 图象如图甲中的图线Ⅱ.若将 小灯泡 L1、L2 并联使用．请根据Ⅰ、Ⅱ两条图线，在图甲中做出两小灯 泡并联的图象． (4)现将这两个小灯泡并联接在电动势 3 V、内阻 6 Ω的电源两端，则此时 电源两端的电压为________V；两小灯泡消耗的总功率为________W. [解析](1)由图象根据欧姆定律 R＝U I 知，小灯泡的电阻随电压的增大而增 大； (2)由于小灯泡的电阻远小于电压表的内阻，电流表应用外接法；又电流 与电压从零逐渐增大，故滑动变阻器应用分压式接法，实物图如图： (3)如图： (4)电动势为 3 V，内阻为 6 Ω，则短路电流 I 短＝3 6 A＝0.5 A，在小灯泡的 UI 图象中，连接 U＝3 V 与 I＝0.5 两点，画出表示电源的 UI 图象，如 图所示： 要使两灯泡并联后接在电源两端，应符合闭合电路欧姆定律，则电源的输 出电压与两灯泡电压相等，且路端电压与内电压之和等于电动势；由上图 可知，输出电压应为 0.6 V， 此时灯泡 L2 的电流为 0.15 A，则其功率：P2＝U2I2＝0.6×0.15 W＝0.09 W， 此时灯泡 L1 的电流为 0.25 A，则其功率：P1＝U1I1＝0.6×0.25 W＝0.15 W， 则：P＝P1＋P2＝0.15 W＋0.09 W＝0.24 W. [答案](1)增大 (2)图见解析 (3)图见解析 (4)0.6 0.24