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- 2021-05-26 发布
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实验七 测绘小灯泡的伏安特性曲线
一、实验目的
1.测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
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U-I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.
三、实验器材
小灯泡(3.8V,0.3A)或(2.5V,0.6A)一个、电压表(0~3V~15V)与电流表(0~0.6A~3A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20Ω)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、滑动变阻器的限流接法和分压接法
1.两种接法比较
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
≤U≤E
0≤U≤E
分压电路调节范围大
负载R上电
流调节范围
≤I≤
0≤I≤
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
由上表可以看出:滑动变阻器的分压式接法中,电压和电流的调节范围很大,限流式接法较节能.
2.两种接法的选择
12
3.两种接法的适用条件
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).
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).
如果Rx很小,限流式接法中滑动变阻器分得电压较大,调节范围也比较大.Rx很大时,分压式接法中Rx几乎不影响电压的分配,滑片移动时,电压变化接近线性关系,便于调节.
(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.
五、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,按所示的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.
U(V)
I(A)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
U(V)
I(A)
1.6
2.0
2.4
2.8
3.2
3.6
3.8
4.拆除电路,整理仪器.
六、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,就得到小灯泡的伏安特性曲线.
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七、注意事项
1.电路的连接方式
(1)电流表应采用外接法:因为小灯泡(3.8V,0.3A)的电阻很小,与0~0.6A的电流表串联时,电流表的分压影响很大.
(2)滑动变阻器应采用分压式连接:目的是使小灯泡两端的电压能从零开始连续变化.
2.闭合开关S前,滑动变阻器的触头应移到使小灯泡分得电压为零的一端,使开关闭合时小灯泡的电压从零开始变化,同时也是为了防止开关刚闭合时因小灯泡两端电压过大而烧坏灯丝.
3.I-U图线在U0=1.0V左右将发生明显弯曲,故在U=1.0V左右绘点要密,以防出现较大误差.
4.当小灯泡的电压接近额定值时要缓慢增加,到额定值记录I后马上断开开关.
5.误差较大的点要舍去,I-U图线应是平滑曲线而非折线.
八、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,要严格按照读数规则读数.
3.在坐标纸上描点、作图带来操作误差.
对实验原理与操作的考查
【典题例析】
(2020·温州月考)在某次“测绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中,所选用的实验器材有:
A.小灯泡“2.5V 0.2A”
B.电流表0~0.6~3A(内阻约1Ω)
C.电压表0~3~15V(内阻很大)
D.滑动变阻器“2A 10Ω”
E.电源(两节干电池)
F.开关一个,导线若干
(1)在实验时小杰同学采用了如图所示的实物电路图,则具体实验操作前,
12
该电路需改进的地方有___________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
(2)在方框中画出正确的电路图.
(3)当开关闭合后,滑动变阻器的滑片从左向右滑动过程中,灯泡始终不亮,但电压表有示数,则可能出现的故障是________.
A.小灯泡灯丝断了
B.连接电源的导线断开
C.电流表上某个接线柱与导线断开
D.开关接触不良造成断路
[解析] (1)由于小灯泡电阻比电压表内阻小得多,和电流表内阻差不多,电流表要外接;小灯泡额定电流为0.2A,电流表应选0.6A量程;合上开关前,为了保护电表,测量电路电压最小,故滑动变阻器滑片应置于左侧.
(3)电压表有示数说明电压表到电源是通的,A正确.
[答案] (1)电流表应外接;电流表应选0.6A量程;滑动变阻器滑片应置于左侧 (2)如图所示 (3)A
在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,采用如图所示的电路可以方便地调节小灯泡两端的电压值,已知两个滑动变阻器的最大阻值分别为R1、R2,且R1
12
=10R2.
(1)请根据实物图在虚线框中画出相应的电路图;
(2)在实验中,为了使小灯泡的电压在开始时有最小值,在闭合开关前,两个滑动变阻器的滑片P1和P2应分别放在________(选填“a”或“b”)端和________(选填“c”或“d”)端;
(3)采用这个电路能够达到精细调节小灯泡两端电压的目的,其中滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)用于精细调节.
解析:(2)根据电路图可以看出,要使小灯泡的电压在开始时有最小值,在闭合开关前,两个滑动变阻器的滑片P1和P2应分别放在b端和c端.
(3)因为R2阻值较小,即移动相同长度时电阻变化较小,所以可用于精细调节.
答案:(1)如图所示 (2)b c (3)R2
对实验数据处理与误差分析的考查
【典题例析】
(2020·1月浙江选考)(1)小明同学用多用电表测量一未知电阻器的阻值.经过规范操作后,所选欧姆挡倍率及指针位置分别如图甲、乙所示,则此电阻器的阻值为________Ω.
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(2)在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中:
①如图丙所示,已经连接了一部分电路,请将电路连接完整.
②合上开关后,测出9组I、U值,在I-U坐标系中描出各对应点,如图丁所示.请在图中画出此小灯泡的伏安特性曲线.
③与图丁中P点对应的状态,小灯泡灯丝阻值最接近________.
A.16.7 Ω B.12.4 Ω C.6.2 Ω
答案:(1)1 700~1 800 (2)①如图1所示 ②如图2所示 ③C
在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,小灯泡额定电压为2.5V、额定电流为0.3A.
(1)部分连线的实物图如图甲所示,请完成实物连接图;
甲 乙
(2)某次实验中,电流表的示数为0.18A,电压表的指针如图乙所示,则读数为______V,此时小灯泡的功率是______W;
(3)正确测量获得的伏安特性曲线应是如图所示图象中的________(填选项字母).
解析:(2)电压表读数为1.50V,小灯泡的功率P=UI=0.27W.
(3)温度升高,小灯泡的电阻变大,所以C正确.
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答案:(1)如图所示 (2)1.50 0.27 (3)C
创新实验
【典题例析】
(2019·4月浙江选考)小明想测额定电压为2.5V的小灯泡在不同电压下的电功率,设计了如图1所示的电路.
(1)在实验过程中,调节滑片P,电压表和电流表均有示数但总是调不到零,其原因是________的导线没有连接好(图中用数字标记的小圆点表示接线点,横线上请填写图中的数字,如“7点至8点”);
(2)正确连好电路,闭合开关,调节滑片P,当电压表的示数达到额定电压时,电流表的指针如图2所示,则电流为________A,此时小灯泡的功率为______W;
(3)做完实验后,小明发现在实验报告上漏写了电压为1.00V时通过小灯泡的电流,但在草稿纸上记录了下列数据,你认为最有可能的是________.
A.0.08A B.0.12A C.0.20A
[解析] (1)根据题意可知,1点至4点的导线没有连接好,使得滑动变阻器的分压接法变为限流接法.
(2)根据读数规则,电流表的读数为0.30A,此时小灯泡的功率P=UI=0.75W.
(3)电压较小时,灯丝温度不高,故阻值比电压较大时的阻值要小,根据I=可知,C可能正确.
[答案] (1)1点至4点 (2)0.30 0.75 (3)C
某同学研究小灯泡的伏安特性.所使用的器材有:小灯泡L
12
(额定电压3.8V,额定电流0.32A);电压表V(量程3V,内阻3kΩ);电流表A(量程0.5A,内阻0.5Ω);固定电阻R0(阻值1000Ω);滑动变阻器R(阻值0~9.0Ω);电源E(电动势5V,内阻不计);开关S;导线若干.
(1)实验要求能够实现在0~3.8V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4V,内阻1.00Ω)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)要实现在0~3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量,则滑动变阻器需要设计成分压接法;电压表V应与固定电阻R0串联,将量程改为4V.由于小灯泡正常发光时电阻约为12Ω,所以需将电流表外接.(2)由小灯泡伏安特性曲线可知,随着电流的增加小灯泡的电阻增大.根据电阻定律可知,灯丝的电阻率增大.(3)当滑动变阻器接入电路中的阻值最大为9.0Ω时,流过小灯泡的电流最小,小灯泡的实际功率最小,把滑动变阻器视为等效电源内阻的一部分,在题图(a)中画出等效电源E′0(电动势4V,内阻1.00Ω+9.0Ω=10
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Ω)的伏安特性曲线,函数表达式为U=4-10I(V),图线如图中Ⅰ所示,故小灯泡的最小功率为Pmin=U1I1=1.75×0.225W≈0.39W.当滑动变阻器接入电路中的阻值最小为零时,流过小灯泡的电流最大,小灯泡的实际功率最大,在题图(a)中画出电源E0(电动势4V,内阻1.00Ω)的伏安特性曲线,函数表达式为U=4-I(V),图线如图中Ⅱ所示,故小灯泡的最大功率为Pmax=U2I2=3.68×0.318W≈1.17W.
答案:(1)实验电路原理图如图所示
(2)增大 增大 (3)0.39 1.17
1.(2016·10月浙江选考)“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验,要求采用分压电路,电流表外接.小王的连线如图1所示,闭合开关S前请老师检查,老师指出图中标示的①、②两根连线有一处错误,错误连线是________(填“①”或“②”);图中标示的③、④和⑤三根连线有一处错误,错误连线是________(填“③”“④”和“⑤”).小王正确连线后,闭合开关S前,应将滑动变阻器滑片C移到________处(填“A”或“B”).闭合开关S,此时电压表读数为________V.缓慢移动滑片C至某一位置时,电流表指针如图2所示,电流表的示数为________A.
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解析:本实验的电路图如图所示,应该采用分压式、外接法,所以①、④两根导线有问题.实验开始时为了保证实验仪器的正常使用,需要将C拨到最左端,即A处,开关闭合后,电压表读数为0.图2中电流表的读数为0.32A.
答案:① ④ A 0 0.32
2.(2020·丽水调研)某学习小组要描绘一个标有“3.6V 1.2W”的小灯泡的伏安特性曲线,除了导线和开关外,还有下列器材可供选择:
直流电源E(电动势4.5V,内阻不计)
电压表V(量程5V,内阻约为5kΩ)
电流表A1(量程350mA,内阻约为1Ω)
电流表A2(量程150mA,内阻约为2Ω)
滑动变阻器R1(阻值0~200Ω)
滑动变阻器R2(阻值0~10Ω)
(1)实验中电流表应选________,滑动变阻器应选________;(填写器材代号)
(2)如图所示,以下的四个电路中应选用________进行实验.
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解析:(1)灯泡的规格为“3.6V 1.2W”,则灯泡的额定电流I=A=333mA,灯泡的电阻Rx=10.8Ω,观察所给器材的规格,电流表应该用量程为350mA的A1,测量灯泡的伏安特性曲线,小灯泡的电压和电流需要从零调起,所以滑动变阻器应该用分压式接法,所以用R2.
(2)据R=10.82
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