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實驗九　描繪小電珠的伏安特性曲線 注意事項 1.電流表外接法：本實驗中被測小電珠燈絲的電阻值較小，因此測量電路必須采用電流表外接法。 2.滑動變阻器應(yīng)采用分壓式連接 本實驗要作出I－U圖象，要求測出一組包括零在內(nèi)的電流、電壓值，故控制電路必須采用分壓接法。 3.保護元件安全：為保護元件不被燒毀，開關(guān)閉合前變阻器滑片應(yīng)位于圖中的a端。加在小電珠兩端的電壓不要超過其額定電壓。 誤差分析 1.由于電壓表不是理想電表，內(nèi)阻并非無窮大，對電路的影響會帶來誤差，電流表外接，由于電壓表的分流，使測得的電流值大于真實值。 2.測量時讀數(shù)帶來誤差。 3.在坐標紙上描點、作圖帶來誤差。 熱點一　教材原型實驗 【例1】　有一個小電珠上標有“4 V　2 W”的字樣，現(xiàn)在要用伏安法描繪這個電珠的I－U圖線。有下列器材供選用： A.電壓表(0～5 V，內(nèi)阻10 kΩ) B.電壓表(0～10 V，內(nèi)阻20 kΩ) C.電流表(0～0.3 A，內(nèi)阻1 Ω) D.電流表(0～0.6 A，內(nèi)阻0.4 Ω) E.滑動變阻器(5 Ω，1 A) F.滑動變阻器(500 Ω，0.2 A) (1)實驗中電壓表應(yīng)選用______，電流表應(yīng)選用______。(用序號字母表示) (2)為使實驗誤差盡量減小，要求電壓從零開始變化且多取幾組數(shù)據(jù)，滑動變阻器應(yīng)選用________。(用序號字母表示) (3)請在虛線框內(nèi)畫出滿足實驗要求的電路圖，并把圖1中所示的實驗器材用實線連接成相應(yīng)的實物電路圖。 圖1 解析　(1)因小電珠的額定電壓為4 V，為保證安全，選用的電壓表量程應(yīng)稍大于4 V，但不能大太多，量程太大則示數(shù)不準確，故選用0～5 V的電壓表，故選A；由P＝UI得，小電珠的額定電流I＝＝0.5 A，故應(yīng)選擇0～0.6 A量程的電流表，故選D。 (2)由題意可知，電壓從零開始變化，并要求多測幾組數(shù)據(jù)，故只能采用滑動變阻器分壓接法，而分壓接法中應(yīng)選總阻值小的滑動變阻器，故選E。 (3)小電珠內(nèi)阻R＝＝8 Ω，電壓表內(nèi)阻遠大于小電珠內(nèi)阻，應(yīng)采用電流表外接法，故電路圖和實物連接圖如圖所示。 答案　(1)A　D　(2)E　(3)圖見解析 1.滑動變器的選取：在分壓電路中，一般選用全電阻小于用電器電阻的滑動變阻器。在限流電路中，一般選用全電阻和用電器電阻相差不多或大幾倍的滑動變阻器。 2.滑動變阻器的兩種連接方式 兩種接法的電路圖 負載R上電壓 的調(diào)節(jié)范圍 ～E 0～E 3.兩種接法的適用條件 (1)限流式接法適合測量阻值較小的電阻(跟滑動變阻器的最大電阻相比相差不多或比滑動變阻器的最大電阻還小)。 (2)分壓式接法適合測量阻值較大的電阻(一般比滑動變阻器的最大電阻要大)。 (3)若實驗中要求電壓從零開始調(diào)節(jié)，則必須采用分壓式接法?！　　　　　? 【變式訓練1】　(2017全國卷Ⅰ，23)某同學研究小燈泡的伏安特性，所使用的器材有：小燈泡L(額定電壓3.8 V，額定電流0.32 A)；電壓表(量程3 V，內(nèi)阻 3 kΩ)；電流表(量程0.5 A，內(nèi)阻0.5 Ω)；固定電阻R0(阻值1 000 Ω)；滑動變阻器R(阻值0～9.0 Ω)；電源E(電動勢5 V，內(nèi)阻不計)；開關(guān)S；導線若干。 (1)實驗要求能夠?qū)崿F(xiàn)在0～3.8 V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進行測量，畫出實驗電路原理圖。 (2)實驗測得該小燈泡伏安特性曲線如圖2 a所示。 圖2 由實驗曲線可知，隨著電流的增加小燈泡的電阻______(填“增大”“不變”或“減小”)，燈絲的電阻率________(填“增大”“不變”或“減小”)。 (3)用另一電源E0(電動勢4 V，內(nèi)阻1.00 Ω)和題給器材連接成圖b所示的電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器R的阻值，可以改變小燈泡的實際功率。閉合開關(guān)S，在R的變化范圍內(nèi)，小燈泡的最小功率為________ W，最大功率為________ W。(結(jié)果均保留兩位小數(shù)) 解析　(1)電壓表量程為3 V，要求能夠?qū)崿F(xiàn)在0～3.8 V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進行測量，需要給電壓表串聯(lián)一個定值電阻擴大量程，題目中要求小燈泡兩端電壓從零開始，故滑動變阻器用分壓式接法，小燈泡的電阻RL＝＝ Ω＝ 11.875 Ω，所以＜，故電流表用外接法，如圖所示。 (2)由I－U圖象知，圖象中的點與坐標原點連線的斜率在減小，表示燈泡的電阻隨電流的增大而增大，根據(jù)電阻定律R＝ρ知，燈絲的電阻率增大。 (3)當滑動變阻器的阻值最大為9.0 Ω時，電路中的電流最小，燈泡實際功率最小，由E＝U＋I(R＋r)得U＝－10I＋4，作出圖線①如圖所示。 由交點坐標可得U1＝1.78 V，I1＝221 mA，P1＝U1I1＝0.39 W；當滑動變阻器電阻值R＝0時，燈泡消耗的功率最大，由E＝U＋I(R＋r)得，I＝－U＋，即I＝－U＋4，作出圖線②如圖所示。由交點坐標可得，U2＝3.68 V，I2＝0.318 A，最大的功率為P2＝U2I2＝1.17 W。 答案　(1)見解析　(2)增大　增大　(3)0.39 W　1.17 W 熱點二　實驗拓展創(chuàng)新 以本實驗為背景，通過改變實驗條件、實驗儀器設(shè)置題目，不脫離教材而又不拘泥教材，體現(xiàn)開放性、探究性等特點。 1.以實驗原理及實驗方法為基礎(chǔ)，探究小燈泡功率與電壓的關(guān)系。 2.實驗對象的變遷 3.數(shù)據(jù)處理方式的改進 采用“DIS”數(shù)字化實驗系統(tǒng)進行實驗數(shù)據(jù)的采集和處理。 【例2】　如圖3甲所示為某同學實驗得到的小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系曲線圖。 圖3 (1)在圖乙中畫出實驗電路圖(根據(jù)該電路圖可得到U－I關(guān)系的完整曲線)，可用的器材有：電壓傳感器、電流傳感器、滑動變阻器(變化范圍0～50 Ω)、電動勢為 6 V的電源(不計內(nèi)阻)、小燈泡、電鍵、導線若干。 (2)如果將該小燈泡分別接入圖4甲、乙兩個不同電路，其中甲電路的電源為一節(jié)干電池，乙電路的電源為三節(jié)干電池，每節(jié)干電池的電動勢為1.5 V，內(nèi)電阻為1.5 Ω，定值電阻R＝18 Ω。則接入________(填“甲”或“乙”)電路時，小燈泡較亮些。 圖4 (3)在電路乙中，小燈泡消耗的電功率為________W。 (4)若將電路乙中的電阻R替換為另一個完全相同的小燈泡，其他條件不變，則此時電源內(nèi)部的發(fā)熱功率為________W。 解析　由于要畫出U－I關(guān)系的完整曲線，必須用分壓接法畫出實驗電路圖。分別在小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系曲線圖上畫出電源的伏安特性曲線，與小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系的曲線交點即為工作點。顯然接入圖4甲電路時，燈泡中電流較大，小燈泡較亮些。在電路乙中，小燈泡消耗的電功率為P＝UI＝10.15 W＝0.15 W。若將電路乙中的電阻R替換為另一個完全相同的小燈泡，其他條件不變，可等效為電動勢為2.25 V、內(nèi)阻為2.25 Ω的電池連接一個燈泡，在小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系曲線圖上畫出電源(電動勢2.25 V，內(nèi)阻2.25 Ω)的伏安特性曲線，與小燈泡燈絲電阻的U－I關(guān)系曲線交點對應(yīng)的橫坐標值為電源輸出電流I＝0.26 A，此時電源內(nèi)部的發(fā)熱功率為P＝I2r＝0.2624.5 W≈0.30 W。 答案　(1)實驗電路圖如圖所示。 (2)甲　(3)0.15　(4)0.30 【變式訓練2】　[2016天津理綜，9(3)]某同學想要描繪標有“3.8 V，0.3 A”字樣小燈泡L的伏安特性曲線，要求測量數(shù)據(jù)盡量精確、繪制曲線完整?？晒┰撏瑢W選用的器材除開關(guān)、導線外，還有： 電壓表V1(量程0～3 V，內(nèi)阻等于3 kΩ) 電壓表V2(量程0～15 V，內(nèi)阻等于15 kΩ) 電流表A1(量程0～200 mA，內(nèi)阻等于10 Ω) 電流表A2(量程0～3 A，內(nèi)阻等于0.1 Ω) 滑動變阻器R1(0～10 Ω，額定電流2 A) 滑動變阻器R2(0～1 kΩ，額定電流0.5 A) 定值電阻R3(阻值等于1 Ω) 定值電阻R4(阻值等于10 Ω) 定值電阻R5(阻值等于1 kΩ) 電源E(E＝6 V，內(nèi)阻不計) (1)請畫出實驗電路圖，并將各元件字母代碼標在該元件的符號旁。 (2)該同學描繪出的I－U圖象應(yīng)是下圖中的________。 解析　(1)用電壓表V1和R5串聯(lián)，可改裝成量程為U＝(rg＋R5)＝(3＋1) V＝4 V的電壓表；用量程為200 mA 的電流表A1與定值電阻R4并聯(lián)可改裝為量程為I＝Ig＋＝0.2 A＋ A＝0.4 A的電流表；待測小燈泡的阻值較小，故采用電流表外接，電路圖見答案。 (2)小燈泡的電阻隨溫度升高而變大，故該同學描繪出的I－U圖象應(yīng)該是B。 答案　(1)如圖所示　(2)B 1.如圖5是小紅同學在做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗的實物連接圖。 圖5 圖6 (1)根據(jù)圖5在虛線框內(nèi)畫出實驗電路圖； (2)調(diào)節(jié)滑動變阻器得到了兩組電流表與電壓表的示數(shù)如圖6中的①、②、③、④所示，電流表量程為0.6 A，電壓表量程為3 V。所示讀數(shù)為：①________、②________、③________、④________。兩組數(shù)據(jù)得到的電阻分別為________和________。 解析　(1)描繪小燈泡的伏安特性曲線需要測量電壓范圍大，變阻器用分壓接法，小燈泡電阻比較小，電流表要外接，電路圖如圖所示。 (2)電流表量程為0.6 A時，最小刻度為0.02 A，讀數(shù)讀到小數(shù)點后兩位，所以①表示數(shù)為0.10 A，②表示數(shù)為0.24 A；電壓表量程為3 V，最小刻度為0.1 V，應(yīng)估讀到0.01 V，所以③表示數(shù)為2.00 V，④表示數(shù)為0.27 V，根據(jù)歐姆定律R1＝＝＝8.3 Ω，R2＝＝ Ω＝2.7 Ω。 答案　(1)見解析　(2)①0.10 A(0.100.02均可) ②0.24 A　③2.00 V?、?.27 V(0.270.01均可)；8.3 Ω(8.30.1均可)　 2.7 Ω(2.70.1均可) 2.某實驗小組的同學在學校實驗室中發(fā)現(xiàn)一電學元件，該電學元件上標有“最大電流不超過6 mA，最大電壓不超過7 V”，同學們想通過實驗描繪出該電學元件的伏安特性曲線，他們設(shè)計的一部分電路如圖7所示，圖中定值電阻R＝1 kΩ，用于限流；電流表量程為10 mA，內(nèi)阻約為5 Ω；電壓表(未畫出)量程為10 V，內(nèi)阻約為10 kΩ；電源電動勢E為12 V，內(nèi)阻不計。 圖7 (1)實驗時有兩個滑動變阻器可供選擇： A.阻值0～200 Ω，額定電流0.3 A B.阻值0～20 Ω，額定電流0.5 A 應(yīng)選的滑動變阻器是________(填“A”或“B”)。 正確接線后，測得數(shù)據(jù)如下表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U/V 0.00 3.00 6.00 6.16 6.28 6.32 6.36 6.38 6.39 6.40 I/mA 0.00 0.00 0.00 0.06 0.50 1.00 2.00 3.00 4.00 5.50 (2)由以上數(shù)據(jù)分析可知，電壓表應(yīng)并聯(lián)在M與________之間(填“O”或“P”)； (3)將電路圖在虛線框中補充完整； (4)從表中數(shù)據(jù)可知，該電學元件的電阻的特點是：_________________________ ____________________________________________________________________。 解析　(1)滑動變阻器A允許的最大電壓為0.3200 V＝60 V>12 V，滑動變阻器B兩端所能加的最大電壓為0.520 V＝10 V<12 V，為保證安全，滑動變阻器應(yīng)選A。 (2)由表中實驗數(shù)據(jù)可知，電學元件電阻最小測量值約為R＝ Ω≈1 163.6 Ω，電流表內(nèi)阻約為5 Ω，電壓表內(nèi)阻約為10 kΩ，相對來說，元件電阻遠大于電流表內(nèi)阻，電流表應(yīng)采用內(nèi)接法，因此電壓表應(yīng)并聯(lián)在M與P之間。 (3)描繪伏安特性曲線，電壓與電流從零開始變化，滑動變阻器應(yīng)采用分壓接法，由(2)可知，電流表采用內(nèi)接法，實驗電路圖如圖所示： (4)由表中實驗數(shù)據(jù)可知，當元件兩端的電壓小于6 V時，電路電流很小，幾乎為零，由歐姆定律可知，元件電阻非常大，不導電；當元件兩端電壓大于6 V時，隨著電壓的升高電流迅速增大，電壓與電流的比值減小，電阻變小。 答案　(1)A　(2)P　(3)電路圖見解析圖　(4)當元件兩端的電壓小于6 V時，元件電阻非常大，不導電；當元件兩端電壓大于6 V時，隨著電壓的升高而電阻變小