高考物理大一轮复习实验描绘小电珠的伏安特性曲

实验9 描绘小电珠的伏安特性曲线
一、实验目的
1．描绘小电珠的伏安特性曲线．
2．分析伏安特性曲线的变化规律．
二、实验原理
1．测多组小电珠的U、I的值，并绘出I­U图象．
2．由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系．
三、实验器材
学生电源(4～6 V直流)或电池组、小电珠(3.8 V,0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐标纸、导线若干．
四、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，按实验原理图连接好实验电路．
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.
4.
(2018·银川月考)小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大．某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据(I和U分别表示小灯泡上的电流和电压)．实验时用到的器材有：电压表、电流表、滑动变阻器(变化范围0～10 Ω)、电源、小灯泡、电键、导线若干.
(2)在方格图中画出小灯泡的U­I曲线．
解析：(1)要研究小灯泡的伏安特性曲线，需要电压从零开始，所以采用滑动变阻器的分压接法，因为小灯泡的电阻和电流表的内阻相接近，所以采用电流表的外接法，如图所示．
(2)将测得的数据在图象上用描点法描出来，然后用平滑的曲线连接．
答案：(1)图见解析(2)图见解析
一、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．在坐标纸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，就得到小电珠的伏安特性曲线．
二、误差分析
1．由于电压表、电流表不是理想电表，电表内阻对电路的影响会带来误差．
2．电流表、电压表的读数带来误差．
3．在坐标纸上描点、作图带来操作误差．
三、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连接
本实验要作出U­I图象，要求测出一组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压接法．
3．保护元件安全：为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于图中的a端．加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压．
(2017·全国卷Ⅰ)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○V(量程3 V，内阻3 kΩ)；电流表○A(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(a)所示．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) 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
以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性等特点．
1．以实验原理及实验方法为基础，探究小灯泡功率与电压的关系．
2．实验对象的变迁
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．
(2015·广东卷)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．
(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(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)图(c)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 ，电路如图(d)所示．闭合S 1和S 2，电压表读数为3.00 V ；断开S 2，读数为1.00 V ，可得E ＝________V ，r ＝________Ω.(结果均保留两位有效数字，电压表为理想电压表)．
解析：(1)因倍率为“×1”，故指针所指的数字即为读数，为10 Ω；由于待测电阻的阻值比电压表的内阻小得多，故采用电流表外接的方式测量电阻，即选择b .
(2)滑动变阻器的滑片P 向右滑动时，由于加在待测电阻两端的电压逐渐增大，故电流表的示数也逐渐增大．
(3)由图(a)知，元件X 的电流与电压成正比，故为线性元件；而元件Y 的电流与电压不成正比，故Y 是非线性元件．
(4)由图可知，线性元件的电阻为R X ＝3.0
0.3
Ω＝10 Ω，若S 1、S 2都闭合，则电阻R 被短
路，电路中的电流I ＝U R X ＝3
10
A ＝0.3 A ，由闭合电路的欧姆定律得E ＝U ＋Ir ，断开S 2后，电流I ′＝
U ′R X ＝1
10
A ＝0.1 A ，故E ＝U ′＋I ′(R ＋r )，两式联立并代入数据得：E ＝3.2 V ，r ＝0.50 Ω.
答案：(1)10 b (2)增大 (3)Y (4)3.2 0.50。