高考物理一輪復(fù)習(xí) 第八章 恒定電流 第4講 實(shí)驗(yàn)八 描繪小燈泡的伏安特性曲線課件

第第4 4講講實(shí)驗(yàn)八實(shí)驗(yàn)八: :描繪小燈泡的伏安特性曲線描繪小燈泡的伏安特性曲線一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.描繪小燈泡的伏安特性曲線。2.分析伏安特性曲線的變化規(guī)律。二、實(shí)驗(yàn)原理1.用電流表測出流過小燈泡的電流,用電壓表測出小燈泡兩端的電壓,測出多組(U,I)值,在U-I坐標(biāo)系中描出各對應(yīng)點(diǎn),用一條平滑的曲線將這些點(diǎn)連起來。2.由于小燈泡的電阻很小,為減小實(shí)驗(yàn)誤差,采用電流表外接法;滑動變阻器采用分壓式:使電壓能從零開始連續(xù)變化。三、實(shí)驗(yàn)器材小燈泡(3.8 V,0.3 A)或(2.5 V,0.6 A)一個、電壓表(03 V15 V)與電流表(00.6 A3 A)各一個、滑動變阻器(最大阻值20 )一個、學(xué)生低壓直流電源(或電池組)一個、開關(guān)一個、導(dǎo)線若干、坐標(biāo)紙、鉛筆。 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.確定電流表、電壓表的量程,采用電流表外接法,滑動變阻器采用分壓式接法,按如圖所示的原理圖連接好實(shí)驗(yàn)電路。2.把滑動變阻器的滑片調(diào)節(jié)到圖中最左端,接線經(jīng)檢查無誤后,閉合開關(guān)S。3.移動滑動變阻器滑片位置,測出12組左右不同的電壓值U和電流值I,并將測量數(shù)據(jù)填入表格中,斷開開關(guān)S。4.拆除電路,整理儀器。 五、數(shù)據(jù)處理1.在坐標(biāo)紙上以U為橫軸,以I為縱軸,建立坐標(biāo)系。2.在坐標(biāo)紙上描出各組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的點(diǎn)。3.將描出的點(diǎn)用平滑的曲線連接起來,就得到小燈泡的伏安特性曲線。六、誤差分析1.系統(tǒng)誤差由于電壓表、電流表不是理想電表,電表內(nèi)阻對電路的影響帶來的誤差。2.偶然誤差(1)電壓表、電流表的讀數(shù)帶來的誤差。(2)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)、作圖帶來的誤差。 七、注意事項(xiàng) 1.閉合開關(guān)S前,滑動變阻器滑片應(yīng)移到使小燈泡分得電壓為0的一端,從而使開關(guān)閉合時(shí)小燈泡電壓能從0開始變化,同時(shí),也為了防止開關(guān)剛閉合時(shí)小燈泡兩端因電壓過大而被燒壞。2.I-U圖線在U=1.0 V左右將發(fā)生明顯彎曲,故在U=1.0 V 左右要多測幾組數(shù)據(jù),以防出現(xiàn)很大誤差。 3.誤差較大的點(diǎn)要舍去,I-U圖線應(yīng)是平滑曲線而非折線。4.建立坐標(biāo)系時(shí),縱軸表示電流,橫軸表示電壓,兩坐標(biāo)軸選取的標(biāo)度要合理,使得根據(jù)測量數(shù)據(jù)畫出的圖線盡量占滿坐標(biāo)紙。 八、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新描繪小燈泡伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn),涉及電壓、電流的測量以及分壓電路和部分電路與閉合電路等知識,往往涉及的變化有以下幾點(diǎn):1.電流表和電壓表改成用電流傳感器和電壓傳感器,用數(shù)據(jù)采集器跟電腦相連,在電腦上直接生成小燈泡的伏安特性曲線。2.也可以與電流表和電壓表的改裝結(jié)合在一起考查。3.與電源的路端電壓隨電流變化的圖象結(jié)合在一起考查。4.根據(jù)描繪小燈泡伏安特性的思想和方法遷移到研究其他電學(xué)元件的電學(xué)特性。 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作典例1(2016重慶南開中學(xué)期中檢測)2010年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈海姆和康斯坦丁諾沃肖洛夫,以表彰他們對石墨烯的研究,他們最初是用透明膠帶從石墨晶體上“粘”出一片石墨烯的。我們平常所用的鉛筆芯中就含有石墨,能導(dǎo)電。某同學(xué)設(shè)計(jì)了探究鉛筆芯伏安特性曲線的實(shí)驗(yàn),得到如下數(shù)據(jù)(I和U分別表示通過鉛筆芯的電流和其兩端的電壓): 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三實(shí)驗(yàn)室提供如下器材:A.電流表A1(量程0.6 A,內(nèi)阻約為1.0 )B.電流表A2(量程3 A,內(nèi)阻約為0.1 )C.電壓表V1(量程3 V,內(nèi)阻3 k)D.電壓表V2(量程15 V,內(nèi)阻15 k)E.滑動變阻器R1(阻值010 ,額定電流2 A)F.滑動變阻器R2(阻值02 k,額定電流0.5 A)G.穩(wěn)壓直流電源E(6 V),開關(guān)和帶夾子的導(dǎo)線若干以及長約14 cm的繪圖2B鉛筆芯 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三(1)為了完成實(shí)驗(yàn)電流表應(yīng)該選擇,電壓表應(yīng)該選擇,滑動變阻器應(yīng)該選擇(填元件前字母)。 (2)下列選項(xiàng)中的實(shí)驗(yàn)電路圖合理的是。 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三【解題思路】(1)根據(jù)測量的數(shù)據(jù)可知,測得的電路中的最大電流為0.48 A,故電流表選用A,測得的電壓最大值為2 V,故電壓表選 C,因?yàn)殡妷阂獜牧汩_始調(diào)節(jié),故滑動變阻器選用分壓法,用小的滑動變阻器就可方便調(diào)節(jié),因此滑動變阻器選E。(2)因?yàn)殂U筆芯的電阻較小,為減小測量誤差,用電流表外接法,故電路圖選B?！緟⒖即鸢浮?(1)ACE(2)B【名師點(diǎn)睛】根據(jù)電路要求和電路計(jì)算,選擇出電源、滑動變阻器、電流表、電壓表以及合理的量程。待測電阻的額定電流、額定電壓(估算值)是選擇合適量程的電流表和電壓表的重要依據(jù)。 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三(2015廣東東莞東華中學(xué)模擬)為研究小燈泡的伏安曲線的特性,選用小燈泡額定值為“3.0 V,1.2 W”,實(shí)驗(yàn)儀器有:安培表、伏特表、開關(guān)、滑動變阻器、坐標(biāo)紙、導(dǎo)線。(1)為使小燈泡兩端的電壓從零開始,能在較大的范圍調(diào)節(jié),滑動變阻器應(yīng)采用怎樣連接?畫出相關(guān)的電路圖。答案:分壓接法,如圖所示 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三(2)請根據(jù)你畫的電路圖,把圖中的實(shí)驗(yàn)器材連成符合要求的實(shí)驗(yàn)電路。 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三答案:如圖所示 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三(3)為使讀數(shù)誤差盡可能小,電壓表的量程應(yīng)選用3 V擋,電流表的量程應(yīng)選用0.6 A擋,為保證實(shí)驗(yàn)安全,測量范圍不能超過3 V和0.4 A,開始做實(shí)驗(yàn)閉合S前,應(yīng)把P移到D端。 【解析】(1)電壓與電流從零開始變化,滑動變阻器應(yīng)采用分壓接法,小燈泡電阻遠(yuǎn)小于電壓表內(nèi)阻,所以電流表應(yīng)采用外接法,實(shí)驗(yàn)原理圖如答案中圖所示。(2)根據(jù)電路圖,把圖中的實(shí)驗(yàn)器材連成符合要求的實(shí)驗(yàn)電路。(3)選用小燈泡額定值為“3.0 V,1.2 W”,額定電壓U=3 V,所以電壓表的量程應(yīng)選用3 V擋,額定電流I=0.4 A,所以電流表的量程應(yīng)選用0.6 A擋,為保證實(shí)驗(yàn)安全,測量范圍不能超過3 V和0.4 A,開始做實(shí)驗(yàn)閉合S前,為保護(hù)電路應(yīng)把P移到D端。 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三數(shù)據(jù)處理與誤差分析典例2物理興趣小組的同學(xué)們從實(shí)驗(yàn)室中找到一只小燈泡,其額定功率為0.75 W,額定電壓值已模糊不清。他們想測定其額定電壓值,于是先用歐姆表直接測出該燈泡的電阻約為2 ,然后根據(jù)公式計(jì)算出該燈泡的額定電壓 =1.22 V。他們懷疑所得電壓值不準(zhǔn)確,于是,再利用下面可供選擇的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)一個電路,測量通過燈泡的電流和它兩端的電壓并根據(jù)測量數(shù)據(jù)來繪制燈泡的U-I圖線,進(jìn)而分析燈泡的額定電壓。A.電壓表V(量程3 V,內(nèi)阻約3 k)B.電流表A1(量程150 mA,內(nèi)阻約2 )C.電流表A2(量程500 mA,內(nèi)阻約0.6 )D.滑動變阻器R1(020 )E.滑動變阻器R2(0100 )F.電源E(電動勢4.0 V,內(nèi)阻不計(jì))G.開關(guān)S和導(dǎo)線若干H.待測燈泡L(額定功率0.75 W,額定電壓未知) 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三(1)畫出他們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的電路原理圖,指出上述器材中,電流表應(yīng)選(填“A1”或“A2”);滑動變阻器應(yīng)選(填“R1”或“R2”)。 (2)在實(shí)驗(yàn)過程中,該同學(xué)將燈泡兩端的電壓由零緩慢地增加,當(dāng)電壓達(dá)到1.23 V時(shí),發(fā)現(xiàn)燈泡亮度很暗,當(dāng)達(dá)到2.70 V時(shí),發(fā)現(xiàn)燈泡已過亮,便立即斷開開關(guān),并將所測數(shù)據(jù)記錄在下邊表格中。 請你根據(jù)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖中作出燈泡的U-I圖線?？键c(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三(3)由圖象得出該燈泡的額定電壓應(yīng)為V;這一結(jié)果大于1.22 V,其原因是 。 【解題思路】(1)因?yàn)闊襞輧啥说碾妷阂獜牧汩_始調(diào)節(jié),故滑動變阻器必須采用分壓法,因?yàn)闊襞蓦娮栎^小,故用電流表外接法,根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知燈泡兩端的電流達(dá)到310 mA,因此電流表選用A2,分壓法為調(diào)節(jié)方便選用最大阻值小的滑動變阻器,因此選用R1。(2)先將測量數(shù)據(jù)描在U-I坐標(biāo)系中,然后用平滑的曲線將各點(diǎn)連接。(3)根據(jù)描得的圖線可知當(dāng)燈泡兩端的電壓為2.5 V時(shí),燈泡的額定電流為0.3 A,此時(shí)燈泡的額定功率為0.75 W;燈泡的電阻隨溫度的升高而增大,當(dāng)燈泡兩端的電壓增大時(shí),燈絲的溫度也升高,故燈泡正常工作時(shí)的電阻大于常溫下的電阻。 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三【參考答案】 (1)電路原理圖如圖甲所示A2R1(2)如圖乙所示 (3)2.5(2.42.6均可)燈泡的冷態(tài)電阻小于正常工作時(shí)的電阻(或燈泡電阻隨溫度升高而變大)【名師點(diǎn)睛】在描點(diǎn)時(shí),一是不要忘了(0,0)這個點(diǎn),二是連線時(shí)用平滑的曲線連接,使盡量多的點(diǎn)落在曲線上,不在線上的點(diǎn)均勻分布在線的兩側(cè),較遠(yuǎn)的點(diǎn)舍去,三是理解曲線斜率的意義,如果是U-I圖線斜率表示電阻,如果是I-U圖線斜率表示電阻的倒數(shù)?？键c(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三(2015浙江寧波鎮(zhèn)海中學(xué)模擬)LED發(fā)光二極管(如圖甲)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,下表為某發(fā)光二極管的正向電壓U與正向電流I關(guān)系的數(shù)據(jù)。 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三(1)根據(jù)以上數(shù)據(jù),在圖乙中畫出電壓在2.50 V3.00 V范圍內(nèi)二極管的I-U圖線;答案:如圖所示 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三(2)分析二極管的I-U圖線可知二極管的電阻隨U變大而變小(填“變大”“變小”或“不變”),在電壓2.50 V3.00 V范圍內(nèi)電阻最小約為970(20)(保留三位有效數(shù)字);(3)某同學(xué)用伏安法測電阻的電路驗(yàn)證該二極管的伏安特性曲線,要求二極管的正向電壓從 0開始變化,并使測量誤差盡量減小。圖丙是實(shí)驗(yàn)器材實(shí)物圖,電壓表量程為3 V,內(nèi)阻約為 3 k,電流表量程為5 mA,內(nèi)阻約為10 。圖丙中已連接了部分導(dǎo)線,請按實(shí)驗(yàn)要求將實(shí)物圖中的連線補(bǔ)充完整。答案:如圖所示 考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三【解析】(1)先描點(diǎn),然后將描出的點(diǎn)用平滑的曲線連接;(2)I-U圖象的斜率表示電阻的倒數(shù),隨U變大,斜率變大,表示電阻變小,因此當(dāng)電壓U=3 V時(shí),電阻最小,大約為970(20) ;(3)要描繪伏安特性曲線,需要將二極管兩端的電壓從零開始調(diào)節(jié),故用分壓法,因?yàn)殡娮璞容^大,為減小測量誤差用電流表內(nèi)接法。 考點(diǎn)一考點(diǎn)三考點(diǎn)二同類實(shí)驗(yàn)拓展與創(chuàng)新典例3硅光電池在無光照時(shí)不產(chǎn)生電能,可視為一電子元件。某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)如圖甲電路,給硅光電池加反向電壓(硅光電池負(fù)極接高電勢點(diǎn),正極接低電勢點(diǎn)),探究其在無光照時(shí)的反向伏安特性。圖中電壓表V1量程選用3 V,內(nèi)阻為6.0 k;電壓表V2量程選用15 V,內(nèi)阻約為30 k;R0為保護(hù)電阻;直流電源電動勢E約為12 V,內(nèi)阻不計(jì)。(1)根據(jù)圖甲,用筆畫線代替導(dǎo)線,將圖乙連接成完整電路。 考點(diǎn)一考點(diǎn)三考點(diǎn)二(2)用遮光罩罩住硅光電池,閉合開關(guān)S,調(diào)節(jié)變阻器R,讀出電壓表V1、V2的示數(shù)U1、U2。某次測量時(shí),電壓表V1示數(shù)如圖丙,則U1=V,可算出通過硅光電池的反向電流大小為mA(保留兩位小數(shù));該小組測出大量數(shù)據(jù),篩選出下表所示的9組U1、U2數(shù)據(jù),算出相應(yīng)的硅光電池兩端反向電壓Ux和通過的反向電流Ix(表中“-”表示反向),并在坐標(biāo)紙上建立Ix-Ux坐標(biāo)系,標(biāo)出了與表中前5組Ux、Ix數(shù)據(jù)對應(yīng)的5個坐標(biāo)點(diǎn)。請你標(biāo)出余下的4個坐標(biāo)點(diǎn),并繪出Ix-Ux圖線; 考點(diǎn)一考點(diǎn)三考點(diǎn)二由Ix-Ux圖線可知,硅光電池?zé)o光照下加反向電壓時(shí),Ix與Ux成(填“線性”或“非線性”)關(guān)系。 考點(diǎn)一考點(diǎn)三考點(diǎn)二考點(diǎn)一考點(diǎn)三考點(diǎn)二【參考答案】 (1)如圖所示 考點(diǎn)三考點(diǎn)二考點(diǎn)一(2)1.400.23如圖所示 非線性考點(diǎn)三考點(diǎn)二考點(diǎn)一【名師點(diǎn)睛】(1)根據(jù)圖象分析,若圖線是直線,則Ix與Ux呈線性關(guān)系;若圖線是曲線,則Ix與Ux成非線性關(guān)系。(2)本實(shí)驗(yàn)還可以從以下三個方面改進(jìn)和創(chuàng)新:描繪二極管的伏安特性曲線;描繪太陽能電池在沒有光照時(shí)的伏安特性曲線;測定小燈泡在不同電壓下的電功率,描繪小燈泡電功率與兩端電壓的平方的曲線。 考點(diǎn)三考點(diǎn)二考點(diǎn)一(2015聊城二模)熱敏電阻包括正溫度系數(shù)電阻器(PTC)和負(fù)溫度系數(shù)電阻器(NTC),正溫度系數(shù)電阻器(PTC)在溫度升高時(shí)電阻值越小,負(fù)溫度系數(shù)電阻器(NTC)在溫度升高時(shí)電阻值越大。某實(shí)驗(yàn)小組欲探究通過熱敏電阻R1(常溫下阻值約為10.0 )的電流隨其兩端電壓變化的特點(diǎn),現(xiàn)提供下列器材:A.電流表A1(量程100 mA,內(nèi)阻約1 )B.電流表A2(量程0.6 A,內(nèi)阻約0.3 )C.電壓表V1(量程3.0 V,內(nèi)阻約3 k)D.電壓表V2(量程15.0 V,內(nèi)阻約10 k)E.滑動變阻器R(最大阻值為10 )F.電源E(電動熱15 V,內(nèi)阻忽略)G.開關(guān),導(dǎo)線若干 考點(diǎn)三考點(diǎn)二考點(diǎn)一(1)該小組測出熱敏電阻R1的U-I圖線如甲圖曲線所示,該熱敏電阻是NTC熱敏電阻(填“PTC”或“NTC”)。 考點(diǎn)三考點(diǎn)二考點(diǎn)一(2)請?jiān)谒峁┑钠鞑闹羞x擇必需的器材,電流表應(yīng)選B,電壓表應(yīng)選D(填寫器材前面的字母)。 (3)該小組又通過查閱資料得出了熱敏電阻R2的U-I圖線如曲線所示。然后將熱敏電阻R1、R2分別與某電池組連成如圖乙所示電路。測得通過R1和R2的電流分別為0.30 A和0.60 A,則該電池組的電動勢為10.0V(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。 考點(diǎn)三考點(diǎn)二考點(diǎn)一1.(2015長春質(zhì)檢)在探究小燈泡的伏安特性實(shí)驗(yàn)中,所用器材有:小燈泡L、量程恰當(dāng)?shù)碾娏鞅鞟和電壓表V、直流電源E、滑動變阻器R、開關(guān)S等,要求小燈泡兩端電壓從零開始變化。 (1)實(shí)驗(yàn)中滑動變阻器應(yīng)采用分壓接法(填“分壓”或“限流”)。 (2)某同學(xué)已連接如圖所示的電路,在連接最后一根導(dǎo)線的c端到直流電源正極之前,請指出其中僅有的兩個不當(dāng)之處,并說明如何改正。開關(guān)S閉合,應(yīng)處于斷開狀態(tài);滑動變阻器滑片位置不當(dāng),應(yīng)將其置于b端。 【解析】(1)因?yàn)樾襞輧啥说碾妷阂獜牧汩_始變化,故滑動變阻器只能采用分壓接法。(2)在電路接好并檢查是否正確連線之前,開關(guān)S應(yīng)處于斷開狀態(tài),以免因接線錯誤而導(dǎo)致儀表損壞;接分壓電路時(shí),滑動變阻器的有效電阻應(yīng)從最大值開始調(diào)節(jié),故滑片應(yīng)先處于b端。 2.有一個小燈泡上標(biāo)有“4.8 V,2 W”的字樣,現(xiàn)在測定小燈泡在不同電壓下的電功率,并作出小燈泡的電功率P與它兩端電壓的平方U2的關(guān)系曲線。有下列器材可供選用:A.電壓表V1(03 V,內(nèi)阻3 k)B.電壓表V2(015 V,內(nèi)阻15 k)C.電流表A(00.6 A,內(nèi)阻約1 )D.定值電阻R1=3 kE.定值電阻R2=15 kF.滑動變阻器R(10 ,2 A)G.學(xué)生電源(直流6 V,內(nèi)阻不計(jì))H.開關(guān)、導(dǎo)線若干 (1)實(shí)驗(yàn)中所用電壓表應(yīng)選用A,定值電阻應(yīng)選用D(均用序號字母填寫);(2)為盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差,并要求從零開始多取幾組數(shù)據(jù),請畫出滿足實(shí)驗(yàn)要求的電路圖;答案:如圖所示 (3)利用上述實(shí)驗(yàn)電路圖測出的電壓表讀數(shù)UV與此時(shí)小燈泡兩端電壓U的定量關(guān)系是U=2UV,下圖的四個圖象中可能正確的是C。 【解析】(1)由于量程15 V的電壓表量程較大,所以可以采用擴(kuò)大3 V量程電壓表的辦法,實(shí)驗(yàn)中所用電壓表應(yīng)選用A,定值電阻應(yīng)選用D;(2)采用分壓電路,電流表外接;(3)由于電壓表V1內(nèi)阻RV與定值電阻R1的阻值相等,故電壓表V1讀數(shù)UV與此時(shí)小燈泡兩端電壓U的定量關(guān)系是U=2UV;由 且R隨溫度升高(電壓增大)而增大可知,小燈泡的電功率P與它兩端電壓的平方U2的關(guān)系曲線可能正確的是圖C。