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高考总复实验描绘小电珠的伏安特性曲线


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新课标高考总复习

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(对应学生用书P133) 一、实验目的

描绘小电珠的伏安特性曲线.
二、实验器材 小电珠、电流表、电压表、滑动变阻器、电源、导线、开关、坐 标纸.

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/>三、实验原理

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用电流表和电压表测出电珠在不同电压下的电流,建立U-I坐标 系,描点连成直线或平滑曲线即得到小灯泡的伏安特性曲线. 滑动变阻器分压接法电路,因本实验电压范围变化较大,使小电珠电压 能从0开始. 四、实验步骤 1.连接电路

为了尽可能多取些数据点并减小实验误差,应选用电流表外接法,

将小电珠、电流表、电压表、滑动变阻器、电源、开关用导线连
接成如右图所示电路.

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2.测出小电珠在不同电压下的电流 (1) 闭合开关 S 前,滑动变阻器触头应移到最左端,以使开关闭合 时小电珠电压能从 0开始变化;同时,这样做也防止开关刚闭合时小电 珠两端电压过大而烧坏灯丝. (2)移动滑动变阻器触头的位置,测出 12 组不同的电压值 U 和电流 值I,并将测量数据填入表格.
U/V I/A U/V I/A 0 0 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 3.8 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

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I-U图线在U0=1.0 V左右将发生明显弯曲,故在U=1.0 V左右测 绘点要密,否则将出现很大误差.

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3.画出伏安特性曲线

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(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电珠的伏安特性曲 线. 4.拆除电路,整理仪器

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问题探究

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描绘出小电珠的伏安特性曲线后,曲线上各点对应的

曲线的斜率是否表示小电珠在该电压下的电阻值?若是,说明理由;若 不是,如何表示该电压下的电阻值?
[提示] U ΔU 由于电阻的定义式为 R= ,而不是 R= ,只有 U 与 I I ΔI

U ΔU U ΔU 为线性关系时 才等于 ,在 U 与 I 为非线性关系时 ≠ , 所以各点 I ΔI I ΔI 对应的曲线斜率并不表示该电压下的电阻值.该电压下的电阻值应等于 该点对应的电压与电流的比值.

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电路连接是关键,先串后并把线连,滑动变阻要分压, A 表外接 减误差,电压从零开始变,U-I坐标连曲线,要对图线细研究,得出规 律记心间.

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(对应学生用书P134)

要点一
带来误差.

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

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,作图带来误差.

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要点二 注意事项

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1.电路的连接方式 (1)电流表应采用外接法:因为小电珠(3.8 V 0.3 A)的电阻很小, 与0~0.6 A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,目的是为了使小电珠两端的电 压能从0开始连续变化. 2.闭合开关 S 前,滑动变阻器滑片应移到使小电珠分得电压为 0 的 一端,从而使开关闭合时小电珠电压能从 0开始变化,同时,也为了防

止开关刚闭合时小电珠两端因电压过大而烧坏灯丝.
3.I-U图线在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,以防出现很大误差.

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4.电流表选择0.6 A量程.电压表量程选择视小电珠的额定电压而 定,即使用的若是“3.8 V 若使用“2.5 V 上断开开关. 6.误差较大的点要舍去,I-U应是平滑曲线而非折线. 7.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. 0.6 A”的小电珠,则选用电压表3 V的量程.

0.3 A”的小电珠,选用电压表15 V的量程;

5.保持小电珠电压接近额定值时要缓慢增加到额定值,记录I后马

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下表中所列数据是测量小灯泡U-I关系的实验数据:
U(V) I(A) 0.0 0.000 0.2 0.050 0.50 0.100 1.0 0.150 1.5 0.180 2.0 0.195 2.5 0.205 3.0 0.215

(1)分析上表内的实验数据可知,应选用的实验电路图是图中的 __
______(填“甲”或“乙”);

(2)试分析所选实验电路图存在误差的原因.

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[解析 ]

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(1) 从表格中的数据可以看出,小灯泡的电压和电流从零

开始逐渐变化.甲图所示电路中滑动变阻器采用分压接法,可以获得从 零开始变化的电压,符合图中数据的要求.所以应选用的实验电路图是 甲图. (2)由甲图可知,电流表的分压会造成实验误差,因为小灯泡的电 阻较小,和电流表内阻相差不太大,电流表最好用外接方式. [答案] (1)甲 (2)见解析

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(对应学生用书P134)

题型一
性曲线实验中:

实验操作及实验数据分析

例1 (2011·福建)某同学在探究规格为“6 V,3 W”的小电珠伏安特

①在小电珠接入电路前,使用多用电表直接测量小电珠的电阻,
则应将选择开关旋至________挡进行测量.(填选项前的字母) A.直流电压10 V B.直流电流5 mA

C.欧姆×100

D.欧姆×1

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②该同学采用图甲所示的电路进行测量.图中 R为滑动变阻器 (阻 内阻20 kΩ),A为电流表(量程0.6 A,内阻1 Ω),E为电源(电动势8 V, 内阻不计),S为开关.

值范围0~20 Ω,额定电流1.0 A),L为待测小电珠,V为电压表(量程6 V,

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Ⅰ.在实验过程中,开关S闭合前,滑动变阻器的滑片P应置于最__ ______端;(填“左”或“右”) Ⅱ.在实验过程中,已知各元器件均无故障,但闭合开关 S 后,无 论如何调节滑片P,电压表和电流表的示数总是调不到零,其原因是___ _____点至________点的导线没有连接好; (图甲中的黑色小圆点表示接 线点,并用数字标记,空格中请填写图甲中的数字,如“2点到3点”的 导线) Ⅲ.该同学描绘出小电珠的伏安特性曲线示意图如图乙所示,则小

电珠的电阻值随工作电压的增大而 ________ . (填“不变”、“增大”
或“减小”)

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[ 尝试解答 ]

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①根据小电珠的规格标称值可算出其正常工作时的

电阻为12 Ω,测电阻应选欧姆×1挡. ②开关闭合前,应保证小电珠电压不能太大,故应调滑片在最左 端使小电珠电压从零开始.电表示数总调不到零,可知电源总是对电表 供电,因此可知1点和5点间没有连接好,连成了限流式接法,这也是限 由图可知,随着电压的增大,曲线斜率减小,小电珠电阻增大. [答案] ①D ②Ⅰ.左 Ⅱ.1;5(或5;1) Ⅲ.增大

流式与分压式接法的最显著区别.伏安特性曲线的斜率表示电阻的倒数,

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题型二

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实验方法和原理的迁移

例2 (2011·佛山模拟)为了测定和描绘一只标有“220 V,40 W”的 白炽灯丝的伏安特性曲线,可以利用调压变压器供电.调压变压器是一 种自耦变压器,它只有一组线圈 L,绕在闭合的环形铁芯上.输入端接 在220 V交流电源的火线和零线间,输出端有一个滑动触头P,移动它的 位置,就可以使输出电压在0~250 V之间连续变化,如图中画出的是调 压变压器的电路图符号.实验室内备有交流电压表、交流电流表、滑动 变阻器、开关、导线等实验必备器材.

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(1)在上图中完成实验电路图,要求在额定电压下测得的数据误差 尽量小. (2)说明按你的实验电路进行测量时,在电压较高段与电压较低段 进行比较,哪段的系统误差较大?为什么? (3)如果根据测量结果作出的该灯泡的伏安特性曲线如右图所示, 试根据图线确定:把两只完全相同的“220 V,40 W”的白炽灯串联接在2 20 V交流电源的火线和零线间时,两只灯所消耗的总功率是多大?

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[尝试解答] I值,安培表内接.

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(1)该设计是“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验知

识的迁移和拓展,将变压器接入电路,开关接火线,采用伏安法测出U、 (2)在电压较低段误差大.因为电压低时灯泡消耗的实际功率小, 灯丝温度低,电阻小,对内接法而言,安培表的分压大,系统误差大. (3)两只白炽灯串联后分压各为 110 V,由灯泡的伏安特性曲线可 读出此时的工作电流约为0.15 A.故P=0.15×110×2 W=33 W.

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[答案] (1)如右图所示.

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(2)在电压较低段误差大.因为电压低时灯泡消耗的实际功率小, 灯丝温度低,电阻小,对内接法而言,安培表的分压大,系统误差大. (3)33 W

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(对应学生用书P135) 1.描绘小电珠的伏安特性曲线的实验电路如右图所示,所用小电 珠的额定电压是3.8 V.

关于该实验的系统误差,下列说法中正确的是( A.系统误差主要是由电压表的分流引起的

)

B.系统误差主要是由电流表的分压引起的
C.系统误差主要是由于忽略电源内阻引起的 D.系统误差主要是由读数时的估读引起的

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[ 解析 ]

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由于小电珠的电阻比较小,所以采用电流表外接的方

法.此时电压表的测量值是准确的,但是电流表的测量值和真实值相比 要大,原因是电压表分流. [答案] A

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2.在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中备有下列器材: A.小电珠(3.8 V,1.5 W) B.直流电源(电动势4.5 V,内阻约0.4 Ω) C.电流表(量程0~500 A,内阻约0.5 Ω) D.电压表(量程0~5 V,内阻约5000 Ω) E.滑动变阻器R1(0~5 Ω,额定电流2 A) F.滑动变阻器R2(0~50 Ω,额定电流1 A) G.开关一个,导线若干

如果既要满足测量要求,又要使测量误差较小,应选择如下图所
示的四个电路中的________,应选用的滑动变阻器是________.

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[ 解析 ]

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由于伏安特性曲线中的电压和电流均要从零开始测量,

所以滑动变阻器应选用分压式,分压式接法适用于测量较大阻值电阻 (与滑动变阻器的总电阻相比 ),由于 R1<RL,选用 R1时滑片移动时,电 所以安培表应该选用外接法. [答案] 丙 R1(或E)

压变化明显,便于调节.又小电珠的电阻约为RL=9.6 Ω,Rv/RL>RL/RA,

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3.(2011·海淀模拟)如下图甲为某同学测绘额定电压为 2.5 V的小 电珠的I-U图线实验电路图.

(1)根据电路图,用笔画线代替导线,将图乙中的实物图连接成完

整实验电路.
(2) 开关 S 闭合之前,图乙中滑动变阻器的滑片应该置于 ________ (选填“A端”、“B端”或“AB正中间”).

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(3)已知小电珠灯丝在27℃时电阻值约为1.5 Ω,并且其电阻值与灯 丝的热力学温度成正比(热力学温度T与摄氏温度t的关系为T=273+t), 根据右图画出的小电珠I-U特性曲线,估算该电珠以额定功率工作时灯 丝的温度约为________℃(保留两位有效数字).

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[解析]

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对于分压电路,开关S闭合前,应该将滑动变阻器的滑片

置于最左端 (A端 ),使待测电路上电压为零.由灯丝电阻与热力学温度 成正比可得R=kT,当灯丝温度为300 K时电阻为1.5 Ω可得k=0.005. 由 小电珠的 I - U 特性曲线可得当电压为 2.5 V 时灯丝中电流约为 0.265 A.根据欧姆定律可得出灯丝电阻R′=U/I=9.4 Ω,由R=kT解得此时灯 丝热力学温度T′=R′/k=1880 K,即灯丝温度约为t=T′-273=1607℃≈ 1.6×103 ℃. [答案] (1)实物连线图如下图所示

(2)A端

(3)1.6×103

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4.(2010·安徽理综 )Ⅰ.(1)在测定金属的电阻率实验中,用螺旋测 微器测量金属丝的直径,示数如图1所示,读数为________mm. (2)在用单摆测定重力加速度实验中,用游标为 20分度的卡尺测量 摆球的直径,示数如图2所示,读数为______cm.

Ⅱ.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

时的I-U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.

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(1)为了达到上述目的,请将图1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 2 的 I - U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.

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[解析] Ⅰ .略

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Ⅱ.(1)描述某个电学元件的伏安特性曲线,滑动变阻器应采用分压 式接法,以保证电学元件两端的电压能从零开始调节,电路图见答案.

U (2)当电压为 2.8 V 时,电流 I=2.8 mA,由 R= 得 R=1.0×103 Ω. I [答案] Ⅰ.(1)0.617(0.616~0.619) (2)0.675

Ⅱ.(1)连线如图

(2)很大

1.0 ×103(965~1040)

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5. (2011· 厦门模拟 )某同学在实验室中找到一只小电珠,标称功率 值为 0.75 W,额定电压值已模糊不清,为了得到额定电压值,他先用欧 姆表直接测出该电珠的电阻约 2 Ω,然后根据公式计算出该电珠的额定 电压 U= PR= 2× 0.75 V= 1.22 V.该同学怀疑所得电压值不准确, 于是,他利用表 (a)中可供选择的实验器材设计一个电路进行测量.当电 压达到 1.22 V 时,发现电珠亮度很弱,于是,该同学继续缓慢地增加电 压,观察电珠的亮度,并测出不同电压时的电流值,当达到 2.70 V 时, 发现电珠已太亮,立即断开开关,所测数据如表(b)所示 .

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表(a)实验器材 电压表V 电流表A1 量程3 V,内阻约3 kΩ 量程3 A,内阻约0.5 Ω

电流表A2
滑动变阻器R1 滑动变阻器R2 电源E 开关S和导线

量程0.5 A,内阻约3.0 Ω
0~500 Ω 0~10 Ω 电动势4.0 V

表(b) 实际测量的电压、电流值 次数 U/V I/mA 1 0.20 80 2 0.60 155 3 1.00 195 4 1.40 227 5 1.80 255 6 279 7 310 2.20 2.70

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通过表(b)中记录的数据进行分析,请完成下列实验要求: (1)根据表(b)中的实验数据,在给出的方格纸内画出U-I图线,并 从图线上分析得到该灯的额定电压为________;

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(2)从表(b)中的实验数据可以分析,该同学实验时所选择的最合理 滑动变阻器为________.

的电路应为下列四个电路图中的图 ________;所用的电流表为________;

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[解析]

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(1)根据表(b)中的数据,找坐标点,得如图所示图线

因额定功率为0.75 W,由图知,当电流为300 mA时,电压为2.5 V, 此时功率P=UI=0.75 W,故该灯的额定电压为2.5 V. (2)因表(b)中电压从0.20 V开始增大,电路采用限流式不能得到低 电压,故电路采用分压式;又待测灯泡的阻值较小,只能采用电流表外 接法,故图C符合要求;因电流最大为310 mA,故电流表应选A2;电路 采用分压式,应取小阻值滑动变阻器,故应选R2.

[答案] (2)C

(1)图线见解析 A2 R2

2.5 V

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6 . (2012· 洛阳四校联考 ) 如图所示为某同学实验得到的小灯泡灯 丝电阻的U-I关系曲线图。

(1)在上框中画出实验电路图(根据该电路图可得到U-I关系的完整

曲线),可用的器材有:电压传感器、电流传感器、滑线变阻器(变化范

围0~50Ω)、电动势为 6V的电源(不计内阻)、小灯泡、电键、导线若干。

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(2)如果将该小灯泡分别接入甲、乙两个不同电路,如图所示,其 中甲电路的电源为一节干电池,乙电路的电源为三节干电池,每节干电 池的电动势为1.5 V,内电阻为1.5 Ω,定值电阻R=18 Ω,则接入_____ ___(选填“甲”或“乙”)电路时,小灯泡较亮些。

(3)在电路乙中,小灯泡消耗的电功率为________W.
(4) 若将电路乙中的电阻 R替换为另一个完全相同的小灯泡,其他 条件不变,则此时电源内部的发热功率为________W.

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[解析 ]

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由于要画出 U- I关系的完整曲线,必须用分压接法画出

实验电路图.分别在小灯泡灯丝电阻为U-I关系曲线图上画出电源的伏 安特性曲线,与小灯泡灯丝电阻为U-I关系曲线交点即为工作点,显然

接入甲电路时,灯泡中电流较大,小灯泡较亮些.在电路乙中,小灯泡
消耗的电功率为 P= UI= 1×0.15W= 0.15W.若将电路乙中的电阻 R替换 为另一个完全相同的小灯泡,其他条件不变,可等效为 1.5 节干电池连

接一个灯泡,在小灯泡灯丝电阻的U-I关系曲线图上画出电源(电动势2.
25V,内阻2.25Ω)的伏安特性曲线,与小灯泡灯丝电阻的 U-I关系曲线 交点对应的横坐标值为电源输出电流 I=0.25A,此时电源内部的发热功

率为P=I2r=0.252×4.5W=0.28W.

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[答案]

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(1)实验电路图如图所示.

(2)甲

(3)0.15

(4)0.28


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