高考物理一轮复习第七章恒定电流实验九描绘小电珠的伏安特性曲线 13页

实 验 九 绘小电珠的伏安特性曲线 突破点(一) 实验原理与电路设计 [典例 1] 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 [由题引知·要点谨记] 1．考查滑动变阻器的选择[对应第(1)题] 在分压式接法中，为便于调节，滑动变阻器应选用阻值小，额定电流较大的。 2．考查滑动变阻器的分压式与限流式接法的判断[对应第(2)题] (1)两种接法的适用情形 ①限流式接法适合测量阻值小的电阻。 ②分压式接法适合测量阻值较大的电阻。 (2)两种接法的选择 ①若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求，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若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多，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够大，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。 ④两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。 3．考查电流表内、外接法的选择[对应第(2)题] 根据 Rx< RARV知，应该选择电流表外接法。 4．考查实验操作[对应第(3)题] (1)为保证电表的安全，在闭合开关时，应使电表的示数为零。 (2)实验中应缓慢移动滑动变阻器的滑片，且使电表的示数由零逐渐增大。 (3)实验结束后，断开开关，应先拆除电源两端的导线，以防止电源短路。 [集训冲关] 1．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“2.5 V 0.5 A”； 电流表 G1，满偏电流为 1 mA，内阻为 30 Ω； 电流表 G2，满偏电流为 10 mA，内阻为 30 Ω； 电压表 V，量程 3 V，内阻为 9 kΩ； 标准电阻 R1，阻值 1 Ω； 标准电阻 R2，阻值 0.05 Ω； 滑动变阻器 R，阻值范围为 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。 学习小组认为要想准确地描绘出小灯泡 L 完整的伏安特性曲线，需要重新改装电流表并 设计电路。 (1)电流表应该选________，标准电阻应该选________。 (2)在虚线框中画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号。 解析：绘制小灯泡的伏安特性曲线，需要测量小灯泡的电压和电流，电压表量程 3 V 可以满足实验要求，电流表量程过小，需要并联小电阻以扩大量程。根据并联分流规律可知， 电流表 G1 与标准电阻 R2 并联，可将量程扩大到 0.6 A，满足实验需要。由于电流表和电压表 内阻均已知，采用电流表内接或外接均可。 答案：(1)G1 R2 (2)如图所示 2．(2017·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________(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)由实物图可知，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 3．(2015·广东高考)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。 图 1 (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 1(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。 图 2 (3)图 2(a)是根据实验数据作出的 UI 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 2(b)所示，闭合 S1 和 S2，电压表读数为 3.00 V；断开 S2，读数 为 1.00 V。利用图 2(a)可算得 E＝________V，r＝________Ω(结果均保留两位有效数字， 视电压表为理想电压表)。 解析：(1)用多用电表的欧姆挡测电阻时，电阻值＝示数×倍率，故 X 的读数为 10 Ω×1 ＝10 Ω，由于RX RA ＜RV RX ，或 RX≪RV，故用伏安法测元件 X 的电阻时，电流表应外接，故选 b 电 路进行实验。 (2)滑片 P 从左向右滑动过程中，元件 X 两端的电压越来越大，电流越来越大，故电流 表示数逐渐增大。 (3)由 UI 图线可知 Y 是非线性元件。 (4)由(3)中的 UI 图线，可知线性元件的电阻 RX＝10 Ω，当 S1、S2 都闭合时，回路中 的电流 I1＝U1 RX ＝0.3 A，当 S1 闭合，S2 断开时，回路中的电流 I2＝U2 RX ＝0.1 A，根据闭合电路 欧姆定律，得 E＝I1(RX＋r)，E＝I2(RX＋R＋r)，联立两式并代入数据解得 E≈3.2 V，r＝0.50 Ω。 答案：(1)10 b (2)增大 (3)Y (4)3.2 0.50 突破点(二) 器材选取与数据处理 [典例 2] 有一个小灯泡上有“4 V 2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的 IU 图线。现有下列器材供选用： A．电压表(0～5 V，内阻约 10 kΩ) B．电压表(0～15 V，内阻约 20 kΩ) C．电流表(0～3 A，内阻约 1 Ω) D．电流表(0～0.6 A，内阻约 0.4 Ω) E．滑动变阻器(最大阻值 10 Ω，额定电流 2 A) F．滑动变阻器(最大阻值 500 Ω，额定电流 1 A) G．学生电源(直流 6 V)、开关、导线若干 (1)实验中所用电压表应选______，电流表应选______，滑动变阻器应选________。 (2)在虚线框内画出实验电路图。 (3)利用实验数据绘出小灯泡的 IU 图线如图所示，分析图线说明小灯泡电阻变化的特 点：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)实验误差主要是________表的读数与小灯泡的真实值不同，导致 被 测 电 阻 R 测 ______R 真 ( 选 填 “>”“ ＝ ” 或 “<”) ， 该 误 差 属 于 ________(选填“系统”“偶然”)误差。 [答案] (1)A D E (2)如图所示 (3)随着灯泡两端电压的增大， 灯泡的电阻逐渐增大 (4)电流 < 系统 [由题引知·要点谨记] 1.考查实验器材的选择 (1)电压表的选择 根据用电器的额定电压来选择。[对应第(1)题第 1 空] (2)电流表的选择 根据用电器的额定电流来选择。[对应第(1)题第 2 空] (3)滑动变阻器的选择 在分压式接法中，滑动变阻器选阻值小、额定电流大的。[对应第(1)题第 3 空] 2.考查数据处理和识图能力[对应第(3)题] (1)根据数据描出的点，若不在一条直线上，则应用平滑的曲线进行连接，不能用直线 或折线连接。 (2)应使图线穿过尽可能多的点。 (3)根据图线斜率的物理意义去分析判断。 3.误差分析[对应第(4)题] (1)系统误差：电压表分流带来的误差。 (2)偶然误差：电表读数、作图带来的误差。 [集训冲关] 3．(2015·浙江高考)图甲是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物 连接图。 (1)根据图甲画出实验电路图； (2)调节滑动变阻器得到了两组电流表与电压表的示数如图乙中的①、②、③、④所示， 电流表量程为 0.6 A，电压表量程为 3 V。所示读数为：①________、②________、③________、 ④________。两组数据得到的电阻分别为________和________。 解析：(1)实验电路图如图所示。 (2)电流表量程为 0.6 A，每一小格代表 0.02 A，读数时估读到精度的本位即可；电压 表量程为 3 V，每一小格代表 0.1 V，读数时估读到精度的下一位。读数分别为：①0.10 A、 ②0.24 A、③2.00 V、④0.27 V。应用 R＝U I 求电阻时，电流为 0.10 A 时对应的电压为 0.27 V；电流为 0.24 A 时对应的电压为 2.00 V，求得的两组数据对应的电阻分别为 2.7 Ω和 8.3 Ω。 答案：(1)见解析 (2)①0.10 A ②0.24 A ③2.00 V ④0.27 V 2．7(±0.1) Ω 8.3(±0.1) Ω[如填为 8.3(±0.1) Ω 2．7(±0.1) Ω也行] 4．某实验小组要描绘一个标有“3.8 V,1 W”的小灯泡 RL 的 RU 曲线，所供选择的器 材除了导线和开关外，还有以下一些器材可供选择： A．电压表○V (量程 5 V，内阻约为 5 kΩ) B．直流电源 E(电动势 4.5 V，内阻不计) C．电流表○A2 (量程 150 mA，内阻约为 2 Ω) D．电流表○A2 (量程 300 mA，内阻约为 1 Ω) E．滑动变阻器 R1(阻值 0～10 Ω) F．滑动变阻器 R2(阻值 0～200 Ω) (1)实验中为较准确测量，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________(填写仪 器符号)。 (2)要求实验中小灯泡电压从零逐渐增大到额定电压，测量误差尽可能小。请你为该实 验小组设计电路图，画在图甲所示的方框中。 甲 (3)据实验数据，计算并描绘出了 RU 的图像，如乙图所示。由图像可知，当所加电压 为 3.00 V 时，灯泡实际消耗的电功率为______ W(保留三位有效数字)。假设灯丝电阻 R 与 其温度 t 的关系是 R＝k(t＋273)(k 为比例系数)，室温为 27 ℃，可知该灯泡正常发光时， 灯丝的温度约为______ ℃。 解析：(1)本题主要考查描绘小灯泡伏安特性曲线。因为描绘小灯泡伏安特性曲线要求 电流表能测灯泡的额定电流，故量程不小于 I 额＝P U ≈263 mA，选用○A2 合适；因要求小灯泡 电压能从零开始，必须采用分压式接法，故选取阻值较小的滑动变阻器 R1。 (2)因为描绘小灯泡伏安特性曲线要求电压能从零开始，必须采用 分压式接法，由于小灯泡电阻较小，故采用电流表外接法，具体如图所 示。 (3)依据图像可知，当电压为 3 V 时，对应电阻值为 11.5 Ω，故 P=U2 R ≈0.783 W；当电阻两端电压为零时，灯丝为常温状态，结合图像(读出电压为零时的电 阻值)知 R=k(t+273)=k(27+273)=1.5 Ω，解得 k=1.5 300 ；当正常工作时，电压为 3.8 V，由图 像(读出电压为 3.8 V 时的电阻值)知 R=k(t+273)=13 Ω，解得 t=2 327 ℃。 答案：(1) ○A2 R1 (2)见解析图(滑动变阻器分压接法；电流表外接) (3)0.783 2 327 突破点(三) 实验的改进和创新 [典例 3] (2015·海南高考)某同学利用如图所示电路测量电容器充电时两极板间的 电压随时间的变化。实验中使用的器材为：电池 E(内阻很小)、开关 S1 和 S2、电容器 C(约 100 μF)、电阻 R1(约 200 kΩ)、电阻 R2(1 kΩ)、电压表 V(量程 6 V)、秒表、导线若干。 (1)按图甲所示的电路原理将图乙中实物图连线。 (2)先闭合开关 S2，再断开开关 S2，闭合开关 S1，同时按下秒表开始计时。若某时刻电 压表的示数如图丙所示，电压表的读数为 V(保留 2 位小数)。 (3)该同学每隔 10 s 记录一次电压表的读数 U，记录的数据如表所示。在给出的坐标纸 上绘出 Ut 图线，已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是 s。 时间 t/s 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 电压 U/V 2.14 3.45 4.23 4.51 5.00 5.18 (4)电路中 C、R2 和 S2 构成的回路的作用是______________________________________。 [解析] (1)根据电路图，实物图连线如图所示。 (2)电压表的量程为 6 V，分度值为 0.1 V，所以读数为 3.60 V。 (3)先描点，然后用圆滑的曲线将所描的点连接起来，如图所示。 从数据中可得出，电压表示数变化得越来越慢，而从 40 s 到 50 s 之间数据变化又突然 快了，所以该数据对应表中的时间为 40 s。 (4)电路中 C、R2 和 S2 构成的回路，先闭合开关 S2，再断开开关 S2，使电容器上所带电 荷量释放干净，不影响实验。 [答案] (1)见解析图 (2)3.60 V (3)图像见解析图 40 s (4)使每次实验前电容器两极板上的电 荷相中和 [由题引知·要点谨记] 1.实验原理的创新[对应题干部分] (1)本实验描绘的不是小灯泡的伏安特性曲线，而是电容器充电电压随时间变化的图 像。 (2)应对措施：掌握含容电路的特点，理解电容器充、放电的规律。 2.实验器材的创新[对应第(3)题] (1)本实验用到了秒表，这在整个高中的物理实验中都是很少见的；由电学实验中使用 更是第一次在高考中出现。 (2)应对措施：掌握秒表及其他读数仪器的读数规则，强化读数方面的训练。 3.还可以从以下角度创新 将电压表改成电压传感器直接连接电脑，绘出 Ut 图像，可以减少因电表和秒表读数 及作图带来的误差 [集训冲关] 6．(2016·湛江一模)现要测定一个额定电压 2.5 V、额定功率约 0.7 W 的小灯泡的伏 安特性曲线。 (1)为了测量的电压能从零开始，测量误差较小，请在图甲中连好实物电路图。 (2)合上开关前，滑动变阻器的滑动触头应置于滑动变阻器的________(填“左端”或 “右端”)。 (3)根据实验数据，描绘出的 UI 图像如图乙所示，由图可知，当灯泡的电压为 1.80 V 时，小灯丝电阻为________Ω，小灯泡的功率为________W(结果保留两位有效数字)。 (4)由图乙可确定小灯泡耗电功率 P 与外加电压 U 的关系，符合该关系的图像是图丙中 的________。 解析：(1)实物电路图如图所示。 (2)为了让测量电路中电压从零开始调节，则滑片开始时应滑到最左端。 (3)由图可知，当电压为 1.8 V 时，电流为 0.25 A，则电阻 R＝U I ＝ 1.8 0.25 Ω＝7.2 Ω； 功率 P＝UI＝1.8×0.25 W＝0.45 W。 (4)由功率公式 P＝U2 R 可知，功率与电压的图像应为 D。 答案：(1)见解析 (2)左端 (3)7.2 0.45 (4)D 7．(2016·天津高考)某同学想要描绘标有“3.8 V,0.3 A”字样小灯泡 L 的伏安特性曲 线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。可供该同学选用的器材除开关、导线外，还有： 电压表 V1(量程 0～3 V，内阻等于 3 kΩ) 电压表 V2(量程 0～15 V，内阻等于 15 kΩ) 电流表 A1(量程 0～200 mA，内阻等于 10 Ω) 电流表 A2(量程 0～3 A，内阻等于 0.1 Ω) 滑动变阻器 R1(0～10 Ω，额定电流 2 A) 滑动变阻器 R2(0～1 kΩ，额定电流 0.5 A) 定值电阻 R3(阻值等于 1 Ω) 定值电阻 R4(阻值等于 10 Ω) 定值电阻 R5(阻值等于 1 kΩ) 电源 E(E＝6 V，内阻不计) (1)请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。 (2)该同学描绘出的 IU 图像应是下图中的________。 解析：描绘小灯泡的伏安特性曲线时，要求“测量数据尽量精确、绘制曲线完整”，从 电表的量程来看，V1、A1 量程偏小，直接测量灯泡的电压、电流时，曲线不完整，若用 V2、 A2 测量灯泡的电压、电流时，读数不够精确。题目中给了滑动变阻器和几个定值电阻，我们 可以采用定值电阻分压、分流的方式扩大电表的量程，准确读出灯泡的电流值、电压值，绘 制完整的曲线。 (1)电路图如图所示，滑动变阻器的选择：R2 的阻值太大，调节不 灵敏，故选 R1。与电流表 A1 并联的电阻：由于 A1 的内阻为 10 Ω，若选 R4 为并联电阻，则量程为 0～0.4 A，若并联阻值过小，电流表读数偏小， 读数欠精确。与电压表串联的电阻：分压电阻的阻值应该与电压表 V1 的内阻具有可比性，故选择 R5 作为分压电阻，此时量程为 0～4 V。 (2)灯丝的电阻率随温度的升高而增大，其阻值也随温度的升高而增大，则 IU 图线的 斜率应越来越小，图 B 正确。 答案：(1)见解析图 (2)B