2022年度高考物理一輪復(fù)習(xí) 第八章 恒定電流 實驗九 描繪小電珠的伏安特性曲線學(xué)案

2022年度高考物理一輪復(fù)習(xí) 第八章 恒定電流 實驗九 描繪小電珠的伏安特性曲線學(xué)案1.實驗原理(1)測多組小電珠的U、I的值，并繪出IU圖象；(2)由圖線的斜率反映電流與電壓和溫度的關(guān)系.2.實驗器材小電珠“3.8V,0.3A”、電壓表“03V15V”、電流表“00.6A3A”、滑動變阻器、學(xué)生電源、開關(guān)、導(dǎo)線若干、坐標(biāo)紙、鉛筆.3.實驗步驟(1)畫出電路圖(如圖1甲所示).圖1(2)將小電珠、電流表、電壓表、滑動變阻器、學(xué)生電源、開關(guān)用導(dǎo)線連接成如圖乙所示的電路.(3)測量與記錄移動滑動變阻器觸頭位置，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)填入自己設(shè)計的表格中.(4)數(shù)據(jù)處理在坐標(biāo)紙上以U為橫軸，I為縱軸，建立直角坐標(biāo)系.在坐標(biāo)紙上描出各組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的點.將描出的點用平滑的曲線連接起來，得到小電珠的伏安特性曲線.4.實驗器材選取(1)原則：安全；精確；操作方便.(2)具體要求電源允許的最大電流不小于電路中的實際最大電流.干電池中電流一般不允許超過0.6A.用電器的額定電流不能小于通過該用電器的實際最大電流.電壓表或電流表的量程不能小于被測電壓或電流的最大值.電壓表或電流表的指針應(yīng)偏轉(zhuǎn)到滿刻度的以上.從便于操作的角度來考慮，限流式接法要選用與待測電阻相近的滑動變阻器，分壓式接法要選用較小阻值的滑動變阻器.1.注意事項(1)電路的連接方式：電流表應(yīng)采用外接法：因為小電珠(3.8V,0.3A)的電阻很小，與量程為0.6A的電流表串聯(lián)時，電流表的分壓影響很大.滑動變阻器應(yīng)采用分壓式接法：目的是使小電珠兩端的電壓能從0開始連續(xù)變化.(2)閉合開關(guān)S前，滑動變阻器的觸頭應(yīng)移到使小電珠分得電壓為0的一端，使開關(guān)閉合時小電珠的電壓能從0開始變化，同時也是為了防止開關(guān)剛閉合時因小電珠兩端電壓過大而燒壞燈絲.(3)IU圖線在U01.0V左右將發(fā)生明顯彎曲，故在U1.0V左右繪點要密，以防出現(xiàn)較大誤差.2.誤差分析(1)由于電壓表不是理想電表，內(nèi)阻并非無窮大，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(biāo)紙上描點、作圖帶來誤差.命題點一教材原型實驗例1(2017·全國卷·23)某同學(xué)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3.8V，額定電流0.32A)；電壓表(量程3V，內(nèi)阻3k)；電流表(量程0.5A，內(nèi)阻0.5)；固定電阻R0(阻值1000)；滑動變阻器R(阻值09.0)；電源E(電動勢5V，內(nèi)阻不計)；開關(guān)S；導(dǎo)線若干.(1)實驗要求能夠?qū)崿F(xiàn)在03.8V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進(jìn)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4V，內(nèi)阻1.00)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))答案(1)見解析圖(2)增大增大(3)0.391.17解析(1)電壓表量程為3V，要求能夠?qū)崿F(xiàn)在03.8V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進(jìn)行測量，需要給電壓表串聯(lián)一個定值電阻擴(kuò)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RL11.875，因，故電流表用外接法，實驗電路原理圖如圖所示.(2)由IU圖象知，圖象中的點與坐標(biāo)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知，燈絲的電阻率增大.(3)當(dāng)滑動變阻器的阻值最大為9.0時，電路中的電流最小，燈泡實際功率最小，由E0UI(Rr)得U10I4，作出圖線如圖所示.由交點坐標(biāo)可得U11.78V，I1221mA，P1U1I10.39W；當(dāng)滑動變阻器電阻值R0時，燈泡消耗的功率最大，由E0UI(Rr)得，IU4，作出圖線如圖所示.由交點坐標(biāo)可得，U23.70V，I2315mA，最大的功率為P2U2I21.17W.變式1小華和小明在“描繪小燈泡伏安特性曲線”的實驗中，將實驗數(shù)據(jù)記錄在下表中：電壓U/V0.000.200.400.701.001.301.702.102.50電流I/A0.000.140.240.260.370.400.430.450.46(1)實驗室有兩種滑動變阻器供選擇：A.滑動變阻器(阻值范圍010、額定電流3A)B.滑動變阻器(阻值范圍02000、額定電流1A)實驗中選擇的滑動變阻器是.(填寫字母序號)(2)在圖3甲中用筆畫線代替導(dǎo)線，將實驗電路連接完整.(3)開關(guān)閉合前，滑動變阻器的滑片應(yīng)滑至(選填“左”或“右”)端.(4)利用表中數(shù)據(jù)，在圖乙中畫出小燈泡的UI圖線.圖3(5)他們在UI圖象上找到小燈泡工作電壓為2.0V時坐標(biāo)點，計算此狀態(tài)的電阻值時，小明提出用圖象上該點曲線斜率表示小燈泡的阻值；小華提出該點與坐標(biāo)原點連線的斜率表示小燈泡的阻值.你認(rèn)為(選填“小華”或“小明”)的方法正確.答案(1)A(2)見解析圖(3)左(4)見解析圖(5)小華解析(1)由于燈泡的電阻大約在幾歐左右，為了便于測量，滑動變阻器選擇010的.(2)由于燈泡的電壓和電流從零開始測起，則滑動變阻器采用分壓式接法；電流表采用外接法.實物連線圖如圖甲所示.(3)為了保護(hù)測量電路，開關(guān)閉合前，滑動變阻器的滑片應(yīng)滑至最左端.(4)小燈泡的UI圖線如圖乙所示.(5)根據(jù)歐姆定律知，R，電阻的大小為該點與坐標(biāo)原點連線的斜率，故小華正確.變式2(2017·廣東華南三校聯(lián)考)為探究小燈泡L的伏安特性曲線，提供了以下器材：小燈泡L：規(guī)格“4.0V2.8W”；電流表A1，量程3A，內(nèi)阻約為0.1；電流表A2，量程0.6A，內(nèi)阻r20.2；電壓表V，量程3V，內(nèi)阻rV9k；標(biāo)準(zhǔn)電阻R1，阻值1；標(biāo)準(zhǔn)電阻R2，阻值3k；滑動變阻器R，阻值范圍010；學(xué)生電源E，電動勢6V，內(nèi)阻不計；開關(guān)S及導(dǎo)線若干.(1)某同學(xué)設(shè)計了如圖4甲所示的電路來進(jìn)行測量，閉合開關(guān)前，滑動變阻器滑片應(yīng)置于，當(dāng)通過L的電流為0.46A時，電壓表的示數(shù)如圖乙所示，電壓表的讀數(shù)為V，此時L的電阻為.圖4(2)要想更準(zhǔn)確完整地描繪出L的伏安特性曲線，需要重新設(shè)計電路.請你利用所提供器材，在圖5中的虛線框中補(bǔ)畫出實驗電路圖，并在圖上標(biāo)明所選器材代號.圖5(3)根據(jù)實驗測得的數(shù)據(jù)，描繪出小燈泡的伏安特性曲線如圖6，若將該燈泡接到E1.5V、r3.0的電源兩端，則燈泡實際消耗的功率PW.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖6答案(1)左端2.305(2)見解析圖(3)0.18解析(1)為保證安全且不損壞電路元件，閉合開關(guān)前，滑動變阻器滑片應(yīng)置于左端.題圖乙電壓表量程為3V，則讀數(shù)為2.30V，L的電阻R5.(2)如圖所示(3)在圖中畫出電源的IU圖線，由兩圖象交點可知，燈泡兩端電壓U0.9V，電流I0.20A，燈泡實際功率P0.9×0.20W0.18W.命題點二實驗拓展與創(chuàng)新例2某實驗小組研究兩個未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括電壓表(內(nèi)阻約為3k)、電流表(內(nèi)阻約為1)、定值電阻等.圖7(1)使用多用電表粗測元件X的電阻，選擇“×1”歐姆擋測量，示數(shù)如圖7(a)所示，讀數(shù)為.據(jù)此應(yīng)選擇圖中的(填“(b)”或“(c)”)電路進(jìn)行實驗；(2)連接所選電路，閉合S；滑動變阻器的滑片P從左向右滑動，電流表的示數(shù)逐漸(填“增大”或“減小”)；依次記錄電流及相應(yīng)的電壓；將元件X換成元件Y，重復(fù)實驗；(3)如圖(d)是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出的UI圖線，由圖可判斷元件(填“X”或“Y”)是非線性元件；(4)該小組還借助X和Y中的線性元件和阻值R21的定值電阻，測量待測電池的電動勢E和內(nèi)阻r，電路圖如圖(e)所示，閉合S1和S2，電壓表讀數(shù)為3.00V；斷開S2，讀數(shù)為1.00V.利用圖(d)可算得EV.r(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字，視電壓表為理想電壓表).答案(1)10(b)(2)增大(3)Y(4)3.20.50解析(1)由題圖(a)可知，多用電表的讀數(shù)為10，由于元件的電阻較小，電路應(yīng)選用電流表外接法，即選擇圖(b)電路.(2)當(dāng)滑動變阻器的滑片向右移時，電流表的示數(shù)增大.(3)由于元件Y的UI圖線是曲線，因此Y是非線性元件.(4)設(shè)線性元件的電阻為R，由UI圖線可知，R10 ，則S1、S2均閉合時，E0.3 A×(10 r)，S1閉合、S2斷開時，E0.1 A×(10 21 r)，解得E3.2 V，r0.50 .變式3某實驗小組的同學(xué)在學(xué)校實驗室中發(fā)現(xiàn)一電學(xué)元件，該電學(xué)元件上標(biāo)有“最大電流不超過6mA，最大電壓不超過7V”，同學(xué)們想通過實驗描繪出該電學(xué)元件的伏安特性曲線，他們設(shè)計的一部分電路如圖8所示，圖中定值電阻R1k，用于限流；電流表量程為10mA，內(nèi)阻約為5；電壓表(未畫出)量程為10V，內(nèi)阻約為10k；電源電動勢E為12V，內(nèi)阻不計.圖8(1)實驗時有兩個滑動變阻器可供選擇：A.阻值0200，額定電流0.3AB.阻值020，額定電流0.5A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：12345678910U/V0.003.006.006.166.286.326.366.386.396.40I/mA0.000.000.000.060.501.002.003.004.005.50(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)將電路圖在方框中補(bǔ)充完整；(4)從表中數(shù)據(jù)可知，該電學(xué)元件的電阻的特點是：.答案(1)A(2)P(3)見解析圖(4)當(dāng)元件兩端的電壓小于6V時，元件電阻非常大，不導(dǎo)電；當(dāng)元件兩端的電壓大于6V時，隨著電壓的升高電阻變小解析(1)滑動變阻器A允許的最大電壓為0.3×200V60V12V，滑動變阻器B兩端所能加的最大電壓為0.5×20V10V12V，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(xué)元件電阻的最小測量值約為：R1163.6，電流表內(nèi)阻約為5，電壓表內(nèi)阻約為10k，相對來說，元件電阻遠(yuǎn)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(dāng)元件兩端的電壓小于6V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(dǎo)電；當(dāng)元件兩端電壓大于6V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.變式4硅光電池在無光照時不產(chǎn)生電能，可視為一電子元件.某實驗小組設(shè)計了如圖9甲所示的電路，給硅光電池加反向電壓(硅光電池負(fù)極接高電勢點，正極接低電勢點)，探究其在無光照時的反向伏安特性.圖中電壓表V1量程選用3V，內(nèi)阻為6k；電壓表V2量程選用15V，內(nèi)阻約為30k；R0為保護(hù)電阻；直流電源電動勢E約為12V，內(nèi)阻不計.(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.圖9(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，電壓表V1示數(shù)如圖丙所示，則U1V，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)，并在圖10坐標(biāo)紙上建立IxUx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.請你標(biāo)出余下的4個坐標(biāo)點，并繪出IxUx圖線.123456789U1/V0.000.000.060.120.240.420.721.141.74U2/V0.01.02.13.14.25.46.78.19.7Ux/V0.01.02.03.04.05.06.07.08.0Ix/mA0.000.000.010.020.040.070.120.190.29圖10由IxUx圖線可知，硅光電池?zé)o光照下加反向電壓時，Ix與Ux成(填“線性”或“非線性”)關(guān)系.答案(1)連線如圖所示(2)1.400.23描點繪出IxUx圖線，如圖所示.非線性解析V1選用的是3V量程，則刻度盤的最小分度為0.1V，根據(jù)電表的讀數(shù)原則知U114.0×0.1V1.40V，I10.23mA.由于繪出的IxUx圖象不是直線，即Ix與Ux成非線性關(guān)系.