1、实验9 描绘小电珠的伏安特性曲线-2-一、实验目的 1.描绘小电珠的伏安特性曲线。2.分析伏安特性曲线的变化规律。二、实验原理 1.测多组小电珠的U、I的值,并绘出I-U图象。2.由图象的斜率反映电流与电压和温度的关系。三、实验器材 学生电源(46 V直流)或电池组、小电珠(3.8 V,0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐标纸、导线若干。-3-四、实验步骤 1.连接电路 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,用导线连接成如图所示电路。-4-2.测出小电珠在不同电压下的电流(1)闭合开关S前,滑动变阻器滑片应移到最左端,以使开关闭合时小电珠两端的电压
2、能从零开始变化;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)移动滑动变阻器滑片的位置,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。U/V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 I/A 0 U/V 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 3.8 I/A 3.拆除电路,整理仪器。-5-五、数据处理 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。六、误差分析 1.系统误差:由于电
3、压表、电流表不是理想电表,电表内电阻对电路的影响带来的误差。2.偶然误差:(1)电压表、电流表的读数带来的误差。(2)在坐标纸上描点、作图带来的误差。-6-七、注意事项 1.电路的连接方式:(1)电流表应采用外接法:因为小电珠(3.8 V 0.3 A)的电阻很小,与00.6 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,目的是使小电珠两端的电压能从零开始连续变化。2.闭合开关S前,滑动变阻器的滑片应移到使小电珠分得电压为零的一端,使开关闭合时小电珠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电珠两端电压过大而烧坏灯丝。3.I-U图线在U0=1.0 V左右将发
4、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。4.当小电珠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。-7-1.在实验中,由于电源电动势的限制,小电珠两端的电 压达不到其工作的额定电压,是否影响该实验的实验结论?提示：不影响。-8-2.设计一种测小电珠电阻的准确方法。提示：如图所示,两个电压表完全相同且内阻很大。移动滑动变阻器滑片,调节电阻箱的示数,使两个电压表示数相同,则电阻箱的读数即为小电珠的电阻值,记下小电珠的电阻和电压;多次移动滑动变阻器滑片,采用相同方法,记下相应电阻箱示数和电压表的读数。在坐标纸
5、上画出R-U图线,并分析R随U变化的规律。在描绘小电珠的伏安特性曲线的实验中,由于电表内阻的影响,会产生系统误差使得小电珠的电阻测量不准确。上述实验方法可以消除这种误差,操作、读数比较方便。-9-考点一 考点二 考点三 考点一 实验原理与操作 例1有一个小电珠上标有“4 V 2 W”的字样,现在要用伏安法描绘这个小电珠的I-U图线。有下列器材供选用:A.电压表(05 V,内阻10 k);B.电压表(010 V,内阻20 k);C.电流表(00.3 A,内阻1 );D.电流表(00.6 A,内阻0.4 );E.滑动变阻器(5 ,1 A);F.滑动变阻器(500 ,0.2 A)。-10-考点一 考
6、点二 考点三(1)实验中电压表应选用 ,电流表应选用 。(用序号字母表示)(2)为使实验误差尽量减小,要求电压从零开始变化且多取几组数据,滑动变阻器应选用 。(用序号字母表示)(3)请在虚线框内画出满足实验要求的电路图,并把图中所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图。-11-考点一 考点二 考点三 解析：(1)因小电珠的额定电压为4 V,为保证安全,选用的电压表量程应稍大于4 V,但不能大太多,量程太大则示数不准确,故选用05 V的电压表,故选A;由P=UI得,小电珠的额定电流I=0.5 A,故应选择00.6 A量程的电流表,故选D。(2)由题意可知,电压从零开始变化,并要求多测几组数据,
7、故滑动变阻器只能采用分压接法,而分压接法中应选总阻值小的滑动变阻器,故选E。-12-考点一 考点二 考点三(3)小电珠内阻R=8 ,电压表内阻远大于小电珠内阻,应采用电流表外接法,故电路图和实物连接图如图所示。2答案：(1)A D(2)E(3)见解析图-13-考点一 考点二 考点三 思维点拨(1)小电珠的额定电流I=。(2)要求电压从零开始变化,滑动变阻器应采用 接法。(3)连接实物时应注意什么问题?=0.5 A分压提示：先画出实验原理图,按照原理图按顺序连接实物。-14-考点一 考点二 考点三 规律总结电学实验电路设计的思路与方法 1.首先应明确题目的要求,看清题目要求测量什么物理量,验证、
8、探究什么物理规律,或要求设计达到何种标准的电路等。其设计原则是:安全、方便、经济。2.在测量电路中,一般有电流表内接和外接两种方法,对于给定电表内阻的情况,应先比较R0与待测电阻Rx的关系,其中R0=,若RxR0,则设计为电流表内接法;若RxR0,则设计为电流表外接法;若电表量程不合适,往往还要用定值电阻对电表进行改装。AV-15-考点一 考点二 考点三 3.控制电路有滑动变阻器的分压式和限流式两种接法,两种接法的选择方法如下:(1)采用限流式接法时不能控制电流(或电压)满足实验要求,即滑动变阻器阻值调到最大,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(
9、或额定电压),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的最大电阻大得多,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,应改用分压式接法。(3)若实验中要求测量电路中电压从0开始连续变化,则必须采用分压式接法。(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。-16-考点一 考点二 考点三 考点二 数据处理与误差分析 例2要描绘一个标有“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 );电流表
10、(量程为0250 mA,内阻约5 );电压表(量程为03 V,内阻约3 k);开关一个、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 ,额定电流1 A)B.滑动变阻器(最大阻值1 750 ,额定电流0.3 A)-17-考点一 考点二 考点三(2)实验的电路图应选用下列的图 (填字母代号)。-18-考点一 考点二 考点三(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图所示。如果将这个小灯泡接到电动势为1.5 V,内阻为5 的电源两端,小灯泡消耗的功率是 W。答案：(1)A(2)B(3)0.1-19-考点一 考点二 考点三 解析：(1)测绘小灯泡的伏安特性
11、曲线,要求能较大范围测量数据,所以控制电路部分应用分压式接法,滑动变阻器应用最大阻值小额定电流大的A。(2)灯泡的电阻 R=2=15 ,额定电流 I=0.2 A,由 R=15 AV=15 000 ,依据公式法“大内小外”的原则,可知电流表应采用外接法,故选 B。(3)在灯泡的I-U图上作出电源的I-U图线,交点即为这个电源给这个灯泡供电时的电流和电压,此时P灯=IU=0.11 W=0.1 W。-20-考点一 考点二 考点三 例3由金属丝制成的电阻器阻值会随温度的升高而变大。某同学为研究这一现象,亲自动手通过实验描绘这样一个电阻器的伏安特性曲线。可供选择的实验器材有:A.待测电阻器Rx(2.5
12、V,1.2 W);B.电流表A(00.6 A,内阻为1 );C.电压表V(03 V,内阻未知);D.滑动变阻器(010 ,额定电流为1 A);E.电源(电动势E=3 V,内阻r=1 );F.定值电阻R0(阻值为5 );G.开关一个和导线若干。-21-考点一 考点二 考点三(1)实验时,该同学采用电流表内接法,并且电阻器两端电压从零开始变化,请在方框内画出实验电路图。(2)按照正确的电路图,该同学测得实验数据如下:I/A 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.48 U/V 0.25 0.40 0.60 0.90 1.25 1.85 2.50 3.00 UR/V
13、 -22-考点一 考点二 考点三 其中,I是电流表的示数,U是电压表的示数,UR是电阻器两端的实际电压。请通过计算补全表格中的空格,然后在下图中画出电阻器的伏安特性曲线。(3)该同学将本实验中的电阻器Rx以及给定的定值电阻R0二者串联起来,接在本实验提供的电源两端,则电阻器的实际功率是 W。(结果保留两位小数)-23-考点一 考点二 考点三 解析：(1)要使电阻器两端电压从零开始变化,滑动变阻器应采用分压式接法。电路图如图甲所示。(2)电压表的示数减去电流表的分压即为电阻器两端的电压:UR=U-Ir,数据如下表。电阻器的伏安特性曲线如图乙中曲线所示。I/A0.150.200.250.300.3
14、50.400.450.48UR/V0.100.200.350.600.901.452.052.52-24-考点一 考点二 考点三(3)由UR+I(r+R0)=E作出U-I图象如图乙中直线所示,由此图象与电阻器U-I图线的交点可得此时电阻器的电压UR=0.9 V,电流I=0.35A,电阻器的实际功率为P=URI0.32 W。答案：(1)见解析图(2)见解析(3)0.32-25-考点一 考点二 考点三 方法归纳电源与小灯泡的伏安特性曲线结合法 电源对电路中小灯泡供电工作,显然路端电压与电路中电流满足关系U=E-Ir,整理可得I=,即可作出一条电源的伏安特性曲线。同时流经小灯泡的电流与其两端电压满足
15、小灯泡的伏安特性曲线,两线的交点既符合闭合电路的欧姆定律,又满足小灯泡的伏安特性曲线特点,即为所求的电流与电压值。-26-考点一 考点二 考点三 考点三 实验的改进与创新 以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器设置新题目,不脱离教材而又不拘泥于教材,体现开放性、探究性等特点。1.以实验原理及实验方法为基础,探究小灯泡功率与电压的关系。2.实验对象的变迁-27-考点一 考点二 考点三 3.数据处理方式的改进 采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理。-28-考点一 考点二 考点三 例4为探究小灯泡的电功率P和电压U的关系,小明测量小灯泡的电压U和电流I,利用P=UI得到电功率,实
16、验所使用的小灯泡规格为“3.0 V 1.8 W”,电源为12 V的电池,滑动变阻器的最大阻值为10 。甲-29-考点一 考点二 考点三(1)准备使用的实物电路如图甲所示,请将滑动变阻器接入电路的正确位置。(用笔画线代替导线)(2)现有10 、20 和50 的定值电阻,电路中的电阻R1应选 的定值电阻。(3)测量结束后,应先断开开关,拆除 两端的导线,再拆除其他导线,最后整理好器材。乙-30-考点一 考点二 考点三(4)小明处理数据后,将P、U2的数值在坐标纸上描点,并作出了一条直线,如图乙所示,请指出图象中不恰当的地方。解析：(1)由于电压调节范围大,因此滑动变阻器用分压式接法;由于小灯泡的额
17、定电流 I=0.6 A,因此电流表选用 0.6 A 的量程。(2)电路中定值电阻起保护作用,电池的电动势为 12 V,小灯泡的内阻为 R=2=91.8 =5 ,因此小灯泡和滑动变阻器并联后的最大电阻为51015=103 ,要使小灯泡两端的电压能达到 3 V,由3V103 =9V1可知,R1 不能超过 10 ,所以 R1 应选 10 的定值电阻。(3)测量结束后,应先断开开关,拆除电池两端的导线,防止电池出现短路以致被烧毁。-31-考点一 考点二 考点三(4)由P=U2知,图象的斜率是变化的,因此图线应是一条曲线。画图线取标度时,应使点尽可能分布在整个坐标纸上,显然该同学的横坐标的标度选择不合适
18、。1-32-考点一 考点二 考点三 答案：(1)如图所示(2)10(3)电池(4)图线不应画为直线;横坐标的标度选择不合适。-33-23411.小亮同学为研究某电学元件(最大电压不超过2.5 V,最大电流不超过0.55 A)的伏安特性曲线,在实验室找到了下列实验器材:A.电压表(03 V,内阻6 k)B.电压表(015 V,内阻30 k)C.电流表(00.6 A,内阻0.5 )D.电流表(03 A,内阻0.1 )E.滑动变阻器(阻值范围05 ,额定电流为0.6 A)F.滑动变阻器(阻值范围0100 ,额定电流为0.6 A)G.直流电源(电动势E=3 V,内阻不计)H.开关、导线若干-34-23
19、41该同学设计电路并进行实验,通过实验得到如下数据(I和U分别表示电学元件上的电流和电压)。I/A 0 0.12 0.21 0.29 0.34 0.38 0.42 0.45 0.47 0.49 0.50 U/V 0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 (1)为了提高实验结果的准确程度,电流表选 ;电压表选 ;滑动变阻器选 。(以上均填写器材代号)(2)请在虚线框中画出实验电路图。答案 解析 解析 关闭(1)从表格中的实验数据可知,电流测量值 I 的范围为 00.50 A,电压测量值 U 的范围为 02.00 V,因此电流表应选 C
20、,电压表应选 A。因为本实验要测量多组(U,I)值,需使电压 U连续变化,因此,滑动变阻器应接成分压式,故选阻值较小的滑动变阻器 E。(2)由表格中的数据,根据 R=,估算电学元件的电阻值大约为几欧,因此电流表外接。电路图如图所示。答案 解析 关闭(1)C A E(2)见解析图 A-35-23412.某学习小组探究一小电珠在不同电压下的电功率大小,实验器材如图甲所示,现已完成部分导线的连接。甲乙-36-2341丙-37-2341(1)实验要求滑动变阻器的滑片从左到右移动过程中,电流表的示数从零开始逐渐增大,请按此要求用笔画线代替导线在图甲实物接线图中完成其余导线的连接。(2)某次测量,电流表指
21、针偏转如图乙所示,则电流表的示数为 A。(3)该小组描绘出的伏安特性曲线如图丙所示,根据图线判断,将 只相同的小电珠并联后,直接与电动势为3 V、内阻为1 的电源组成闭合回路,可使小电珠的总功率最大,其总功率的值约为 W(保留三位小数)。-38-2341解析：(1)电流表示数要从零开始逐渐增大,滑动变阻器要用分压式接法,如图所示。(2)电流表示数为0.44 A。-39-2341(3)当外电路的总电阻与电源内阻相等时,电源有最大的输出功率,即小电珠的总功率最大,此时 R 外=r=1 ,I=外+=32 A=1.5 A,U 外=2=1.5 V,即每只小电珠两端的电压为 1.5 V,通过图象可知每只小
22、电珠的电流为 I0=0.38 A,n=04(只);通过每只小电珠的电流为 I0,两端电压为U,根据闭合电路欧姆定律得:U+nI0r=E,而U+4I0=3 V,U=-4I0+3 V,如图所示,图线的交点纵、横坐标分别为U1.5 V,I00.38A,P=UI0=0.57 W,P总=nP=0.574 W=2.28 W。-40-2341答案：(1)见解析图(2)0.44(3)4 2.28-41-23413.在有光照时太阳能电池可以将光能转化为电能,在没有光照时,太阳能电池可以视为一个电学器件。某实验小组用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I-U特性。所用
23、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,应选用哪个电路图:(选填“甲”或“乙”)。-42-2341丙(2)该实验小组根据实验得到的数据,描点绘出了如图丙所示的I-U图象。由图可知,当电压小于2.0 V时,太阳能电池的电阻 (选填“很大”或“很小”);当电压为2.8 V时,太阳能电池的电阻约为 。(保留两位有效数字)答案 解析 解析 关闭(1)用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射时(没有储存电能)的 I-U 特性,应选用滑动变阻器分压接法,为电路图甲。(2)由图可知,当电压小于 2.0 V 时,电流
24、几乎为零,所以太阳能电池的电阻很大。当电压为 2.8 V 时,对应电流为 2.8 mA,由欧姆定律可得太阳能电池的电阻约为 R=1.0103 。答案 解析 关闭(1)甲(2)很大 1.0103-43-23414.在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中。(1)某同学通过实验得到了8组数据,且已经描在了图甲所示的I-U坐标系中,请在图甲中画出小灯泡的伏安特性曲线。(2)该实验正确的实验电路图应选 (选填“乙”或“丙”)。-44-2341(3)根据所选电路图,请在图丁中用笔画线代替导线,把实验仪器连接成完整的实验电路。丁-45-2341(4)由伏安特性曲线知,该小灯泡的电阻随电压的升高而 (选填“增大”
25、“减小”或“不变”)。(5)根据伏安特性曲线,可判断出图中正确的关系图象是 (图中P为小灯泡的功率,I为通过小灯泡的电流)。-46-2341解析：(1)如图甲所示。(2)观察小灯泡的I-U图象,可以看出实验是从电压为零时开始描点,说明电压从零开始调节,所以滑动变阻器应采用分压式接法,因此题中乙图所示电路正确。(3)电路实物连接图如图乙所示。(4)由小灯泡的伏安特性曲线可知,随电压增大逐渐减小,而=1,则小灯泡电阻变大。(5)根据电功率表达式P=I2R可知,图象P-I2的斜率即为小灯泡的电阻,由于电阻随功率增大而增大,因此选项D正确。-47-2341答案：(1)图见解析(2)乙(3)图见解析(4)增大(5)D