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- 2021-06-01 发布
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实验九 描绘小灯泡的伏安特性曲线
板块一 主干梳理·夯实基础
实验原理与操作
◆ 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。
◆ 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UI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:因为小灯泡的电阻很小,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。
◆ 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。
◆ 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,按如图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,测出多组不同的电压值U和电流值I,并将测量数据填入表格中,断开开关S。
4.拆除电路,整理仪器。
数据处理与分析
◆ 数据处理(画出伏安特性曲线)
1.在坐标纸上以U为横轴,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结起来,就得到小灯泡的伏安特性曲线。
◆ 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)该用电器的实际最大电流不能大于用电器的额定电流。
(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)滑动变阻器,分压式接法要选用小阻值滑动变阻器。
◆ 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。
◆ 注意事项
1.本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小,因此测量电路必须采用电流表外接法。
2.本实验要作出UI图线,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.为保护元件不被烧毁,开关闭合前变阻器滑片应位于电路图中的a端。
4.IU图象在U0=1.0 V左右将发生明显弯曲,故在U=1.0 V左右绘点要密,以防出现较大误差。
5.电流表选择0.6 A量程,电压表量程选择视小灯泡的额定电压而定。(1)若使用“3.8 V 0.3 A”的小灯泡,选用电压表的15 V量程。(2)若使用“2.5 V 0.6 A”的小灯泡,则选用电压表的3 V量程。
6.当小灯泡电压快接近额定电压值时,要缓慢地增加到额定电压值,记录I后马上断开开关。
7.误差较大的点要舍去,IU图象应是平滑曲线而非折线。
8.建立坐标系时,纵轴表示电流,横轴表示电压,两坐标轴选取的标度要合理,使得根据测量数据画出的图线尽量占满坐标纸。
板块二 考点细研·悟法培优
考点1实验原理与器材的选取
例1 要测绘一个标有“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(电动势为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);
电键一个、导线若干。
(1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的________(填字母代号)。
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1750 Ω,额定电流0.3 A)
(2)请将设计的实验电路图画入下面的方框中。
(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图所示。现将这个小灯泡接到电动势为1.5 V,内阻为5 Ω的电源两端,由此得到小灯泡消耗的功率是 ________ W。
尝试解答 (1)A__(2)如图所示__(3)0.1。
(1)要测灯泡的伏安特性曲线,要求灯泡两端的电压需要由零开始,必须用滑动变阻器的分压式接法,而分压式接法,要求滑动变阻器的阻值较小,所以应选A。
(2)由于灯泡的阻值约R灯==15 Ω,属于小电阻,要用电流表的外接,因此要用分压、外接。
(3)将灯泡接到电源上时,作出电源的IU图象如图所示,读得两图线的交点坐标U=1.0 V、I=0.1 A,即为此时灯泡两端的电压及通过灯泡的电流,则小灯泡消耗的功率P=UI=1.0 V×0.1 A=0.1 W。
[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。
答案 (1)M C (2)图见解析
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。
考点2数据处理与注意事项
例2 [2013·福建高考]硅光电池在无光照时不产生电能,可视为一电子元件。某实验小组设计如图甲电路,给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点,正极接低电势点),探究其在无光照时的反向伏安特性。图中电压表V1量程选用3 V,内阻为6.0 kΩ;电压表V2量程选用15 V,内阻约为30 kΩ;R0为保护电阻;直流电源电动势E约为12 V,内阻不计。
(1)根据图甲,用笔画线代替导线,将图乙连接成完整电路。
(2)用遮光罩罩住硅光电池,闭合开关S,调节变阻器R,读出电压表V1、V2的示数U1、U2。
①某次测量时,电压表V1示数如图丙,则U1=________V,可算出通过硅光电池的反向电流大小为________mA。(结果保留两位小数)
②该小组测出大量数据,筛选出下表所示的9组U1、U2数据,算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“-”表示反向),并在坐标纸上建立IxUx坐标系,标出了与表中前5组Ux、Ix数据对应的5个坐标点。请你标出余下的4个坐标点,并绘出IxUx图线。
③由IxUx图线可知,硅光电池无光照下加反向电压时,Ix与Ux成________(填“线性”或“非线性”)关系。
尝试解答 (1)见下图__(2)①1.40__0.23__②见下图__③非线性。
(1)题
(2)题
(1)实物图见尝试解答。
(2)①由题图知,电压表读数为1.40 V,通过硅光电池的反向电流也等于通过电压表V1的电流,故I== A≈0.23 mA;
②先在坐标纸上描点,然后用平滑的曲线将其连接起来,图见尝试解答;
③因图线为曲线,故Ix与Ux成非线性关系。
[2017·河南郑州二模]在探究小灯泡的伏安特性曲线时,所用小灯泡上标有“2.5 V,0.6 W”字样,实验室提供的器材有:
A.电流表A1(内阻约为5 Ω、量程为0~25 mA)
B.电流表A2(内阻约为1 Ω,量程为0~300 mA)
C.电压表V1(内阻约为5 kΩ、量程为0~3 V)
D.电压表V2(内阻约为15 kΩ、量程为0~15 V)
E.滑动变阻器R1(最大阻值为10 Ω、额定电流为0.6 A)
F.滑动变阻器R2(最大阻值为1000 Ω、额定电流为0.2 A)
G.稳压电源E(电动势为9.0 V、内阻可忽略)
H.开关一个、定值电阻若干、导线若干
由以上信息回答下列问题:
(1)实验前设计的电路图如图甲所示。为了减小实验误差,该实验所用的电流表、电压表、滑动变阻器应分别为________(选填器材前的字母)。为保护滑动变阻器和灯泡,应在电路中串联的定值电阻R0合适的电阻值应为________(选填“1 Ω”“10 Ω”“30 Ω”或“100 Ω”)。
(2)请确定测量电路中电压表右侧导线的正确位置后,在图乙中用笔画线代替导线,将实物完整连接起来。
(3)连接好电路后,通过改变滑动变阻器的滑片位置,并通过计算机描绘了该小灯泡的伏安特性曲线如图丙所示。若将两个这样的小灯泡并联后直接接在电动势E=3 V、内电阻r=5 Ω的电源上,每个小灯泡所消耗的实际功率为________W。(结果保留两位有效数字)
答案 (1)B、C、E 10 Ω (2)如图所示
(3)0.22(0.21~0.23)
解析 (1)小灯泡的额定电压为2.5 V,电压表选C;小灯泡的额定电流I==0.24 A=240 mA,电流表选B;滑动变阻器采用分压式,选最大阻值较小的E。为保护滑动变阻器和灯泡,又方便调节小灯泡两端电压在0~2.5 V,保护电阻选阻值为10 Ω的定值电阻。
(2)由题意可知小灯泡的阻值R≈10.4 Ω,有R<,电流表采用外接法,实物连接图见答案图。
(3)两灯泡并联在电源两端,设路端电压为U,通过每个灯泡的电流为I,则由闭合电路欧姆定律得U=E-2Ir,在灯泡伏安特性曲线中作出U=E-2Ir对应的UI图线,如图所示,则由图可知,此时灯泡两端电压约为1.2 V,电流约为0.18 A,则功率为P=UI≈1.2×0.18 W≈0.22 W。
考点3实验创新与改进
例3 发光二极管(LED)是一种节能、环保的元器件,被广泛应用到显示器、照明等各领域。某兴趣小组为探究工作电压是“1.4~4 V”、正向直流电流是“5~20 mA”的LED管的IU曲线,设计了如图1所示的实验电路。实验室备有以下器材:
电流表A1:量程0~50 mA,内阻约为50 Ω
电流表A2:量程0~200 mA,内阻约为10 Ω
电压表V:量程0~5 V,内阻约为10 kΩ
滑动变阻器R1:阻值范围0~15 Ω,允许最大电流1 A
滑动变阻器R2:阻值范围0~1 kΩ,允许最大电流100 mA
直流电源E:输出电压6 V,内阻不计
开关(S)、导线若干
(1)为了提高实验结果的准确性,电流表应选择______;滑动变阻器应选用________。(以上填器材代号)
(2)实验小组根据实验得到的数据描点绘出了如图2所示的IU图象,而发光二极管(LED)的效率η与通过二极管的电流I的关系曲线如图3所示。其中发光二极管的效率η是指辐射的全部光功率Φ与供给发光二极管的电功率比值。则发光二极管效率达最大时其电阻RL=________Ω,辐射的光功率Φ=________W。
尝试解答 (1)A1__R1__(2)106.7__0.00576。
(1)因LED正向直流电流是5~20 mA,所以电流表应选择A1,由题图1可知供电电路采用分压式接法,所以选择的滑动变阻器应是阻值较小的R1。
(2)由题图3可知发光二极管效率达到最大时电流为6 mA,由题图2可知其对应的电压为1.6 V,故此时其电功率为UI,热功率为I2RL,又有I2RL=(1-η)UI,得出RL=(1-η)=106.7 Ω;根据题意可知60%=×100%,则辐射的光功率Φ=0.00576 W。
太阳能是一种清洁、“绿色”能源。在我国上海举办的2010年世博会上,大量利用了太阳能电池。太阳能电池在有光照时,可以将光能转化为电能,在没有光照时,可以视为一个电学器件。某实验小组根据测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法,探究一个太阳能电池在没有光照时(没有储存电能)的IU特性。所用的器材包括:太阳能电池,电源E,电流表A,电压表V,滑动变阻器R,开关S及导线若干。
(1)为了达到上述目的,请将图甲连成一个完整的实验电路图。
(2)该实验小组根据实验得到的数据,描点绘出了如图乙所示的IU图象,由图可知,当电压小于2.00 V时,太阳能电池的电阻________(填“很大”或“很小”);当电压为2.80 V时,太阳能电池的电阻约为________Ω。
答案 (1)图见解析 (2)很大 1.0×103(965~1040)
解析 (1)实验电路如图所示。由乙图可知,电压、电流都从零开始变化,因此用分压式接法。
(2)太阳能电池的电阻:R== Ω=1.0×103 Ω(965~1040 Ω均正确)。