2022高中物理 第二章 恒定電流 實驗 測繪小燈泡的伏安特性曲線學案 新人教版選修3-1

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1、2022高中物理 第二章 恒定電流 實驗 測繪小燈泡的伏安特性曲線學案 新人教版選修3-1 一、實驗目的 測繪小燈泡的伏安特性曲線，并分析其變化規(guī)律． 二、實驗原理 用電壓表測出小燈泡兩端的電壓，用電流表測出通過小燈泡的電流，在I－U坐標系中描出各組實驗數(shù)據(jù)對應的點，用平滑的曲線連接起來就得到小燈泡的伏安特性曲線． 1．電流表的內(nèi)接法和外接法的比較 內(nèi)接法 外接法 電路圖 誤差原因 電流表的分壓 電壓表的分流 測量值和真實值的比較 R測＝＝Rx＋RA 測量值大于真實值 R測＝＝ 測量值小于真實值 適用于測量 測大電阻或＞ 測小電阻或＞ 2．滑

2、動變阻器的兩種接法比較 限流式 分壓式 電路 組成 變阻器接入電路的特點 采用“一上一下”的接法 采用“兩下一上”的接法 調(diào)壓范圍 E～E (不計電源內(nèi)阻) 0～E (不計電源內(nèi)阻) 三、實驗器材 電源、小燈泡、電壓表、電流表、滑動變阻器、開關(guān)、導線、坐標紙、鉛筆． 四、實驗步驟 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按如圖所示的電路原理圖連接好實驗電路． 實驗原理圖 2．把滑動變阻器的滑片調(diào)節(jié)到a端，電路經(jīng)檢查無誤后，閉合開關(guān)S． 3．改變滑動變阻器滑片的位置，讀出幾組相應的電流表、電壓表的示數(shù)I和U，記入記

3、錄表格內(nèi)，斷開開關(guān)S． 4．拆除實驗電路，整理好實驗器材． 五、數(shù)據(jù)處理 1．以I為縱坐標，U為橫坐標建立坐標系． 2．選取適當?shù)姆侄?，描出各組數(shù)據(jù)所對應的點． 3．將描出的點用平滑的曲線連接起來，得到小燈泡的伏安特性曲線． 六、誤差分析 1．由于電壓表不是理想電表，內(nèi)阻對電路的影響會帶來誤差，電流表外接，則電流表示數(shù)偏大． 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． 七、注意事項 1．開關(guān)閉合前，滑動變阻器的滑片應滑到使燈泡兩端電壓為零的位置，如實驗原理圖乙中a端． 2．在增大電壓的過程中，要確保不超過小燈泡的額定電壓． 3．在選擇電表的量程時，

4、掌握以下原則： 在測量值不超過電表量程的前提下，指針盡量偏轉(zhuǎn)至～量程之間． 4．測繪I－U(U－I)圖線時要注意三點：一是標度選取合理．即作出的圖象既可以把表中所給出的所有點都標注上，同時又要使圖象分布在中央位置上；二是用“·”或“×”標注點；三是用平滑曲線擬合連接各點，誤差較大的點可以舍棄． 　對實驗原理和電路連接、器材選擇的考查 　有一個小燈泡上標有“4 V　2 W”的字樣，現(xiàn)在要用伏安法描繪這個燈泡的I－U圖線．現(xiàn)有下列器材供選擇： A．電壓表(0～5 V，內(nèi)阻10 kΩ) B．電壓表(0～15 V，內(nèi)阻20 kΩ) C．電流表(0～3 A，內(nèi)阻1 Ω) D．電流表(

5、0～0．6 A，內(nèi)阻0．4 Ω) E．滑動變阻器(10 Ω，2 A) F．滑動變阻器(500 Ω，1 A) G．學生電源(直流6 V)、開關(guān)、導線若干 (1)實驗時，選用圖甲而不選用圖乙的電路圖來完成實驗，請說明理由： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________． (2)實驗中所用電壓表應選用________，電流表應選用_____

6、___，滑動變阻器應選用________．(用序號字母表示)． (3)把圖丙中所示的實驗器材用實線連接成實物電路圖． 丙 [解析]　因?qū)嶒災康氖且枥L小燈泡的伏安特性曲線，需要多次改變小燈泡兩端的電壓，故采用甲圖所示的分壓式電路合適，這樣電壓可以從零開始調(diào)節(jié)，且能方便地測多組數(shù)據(jù)．因小燈泡額定電壓為4 V，則電壓表選0～5 V的A而舍棄0～15 V的B，因15 V的量程太大，讀數(shù)誤差大．小燈泡的額定電流I＝0．5 A，則電流表只能選D．滑動變阻器F的最大阻值遠大于小燈泡內(nèi)阻8 Ω，調(diào)節(jié)不方便，電壓變化與滑動變阻器使用部分的長度線性關(guān)系差，故舍去．小燈泡內(nèi)阻為電流表內(nèi)阻的＝20倍，電壓

7、表內(nèi)阻是小燈泡內(nèi)阻的＝1 250倍，故電流表采用了外接法． [答案]　(1)描繪小燈泡的I－U圖線所測數(shù)據(jù)需從零開始，并要多取幾組數(shù)據(jù) (2)A　D　E　(3)如圖所示 1．電流表兩種不同接法的電路選擇 (1)定量判定法 若已知待測電阻的大約值Rx，電流表的內(nèi)阻RA和電壓表的內(nèi)阻RV，則： 當＞，即Rx＞時，選用電流表內(nèi)接法． 當＜，即Rx＜時，選用電流表外接法． 當＝，即Rx＝時，選用兩種接法都可以． 對用伏安法測電阻電路的選擇及誤差可總結(jié)為：“大內(nèi)偏大，小外偏小”．即測大電阻采用電流表內(nèi)接法，測量值比真實值偏大；測小電阻采用電流表外接法，測量值比真實值偏?。? (

8、2)試觸法 若不知Rx的大概值，為了選擇正確的電路接法以減小誤差，可將電路按如圖所示連接，只空出電壓表的一個接頭，然后將該接頭分別與A、B兩處接觸一下，觀察電壓表和電流表的示數(shù)變化情況．若電流表示數(shù)有顯著變化，說明電壓表的分流作用較強，即Rx是一個大阻值電阻，應選用內(nèi)接法，接頭應接在B處測量．若電壓表示數(shù)有顯著變化，說明電流表的分壓作用較強，即Rx是一個小阻值電阻，應選用外接法，接頭應接在A處測量． 2．滑動變阻器兩種不同接法的電路選擇 (1)要求回路中的某部分電路的電壓從0開始連續(xù)變化，必須選擇分壓接法． (2)若題目所提供的實驗儀器、電表量程或電阻的最大允許電流不夠，則選擇分壓

9、接法． (3)滑動變阻器的最大阻值遠小于被測電阻或電路中串聯(lián)的其他電阻時，必須選擇分壓接法． (4)分壓接法、限流接法都可以時，因為采用限流接法能耗小，優(yōu)先采用限流接法．　 　對實驗數(shù)據(jù)的處理和誤差分析的考查 　某同學在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中得到如下表所示的幾組U和I的數(shù)據(jù)： 編號 1 2 3 4 5 6 7 8 U/V 0．20 0．60 1．00 1．40 1．80 2．20 2．60 3．00 I/A 0．020 0．060 0．100 0．140 0．170 0．190 0．200 0．205 發(fā)光情況

10、不亮 微亮 逐漸變亮 正常發(fā)光 (1)在下圖中畫出I－U圖象． (2)從圖象上可以看出，當電壓逐漸增大時，燈絲電阻的變化情況是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________． (3)這表明小燈泡的電阻隨溫度的升高而_____________________________________． [解析]　根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在坐標紙上找出對應

11、的點，連成平滑的曲線，即I－U圖線． 在I－U圖線中，任一點與原點連線的斜率的倒數(shù)即為這一狀態(tài)的電阻值，即R＝，從圖線看出斜率越來越小，其倒數(shù)越來越大，即燈絲電阻隨功率增加而變大，或者說隨溫度升高而變大． [答案]　(1)見解析圖　(2)開始不變，后來逐漸變大 (3)增大 對于圖象問題需要注意的幾點 (1)合理選取標度； (2)仔細、準確地描點； (3)連線時，偏離線太遠的點應舍去； (4)要用平滑曲線連接，圖線要過原點不能用折線； (5)對小燈泡的伏安特性曲線要做到“心中有圖”，曲線的特點要符合：隨著電壓升高，電阻逐漸變大，但增得越來越慢，若結(jié)果與此不符，須認真核對

12、．　 　實驗改進與創(chuàng)新 　某同學利用如圖甲所示的實驗電路來探究電阻Rx隨電壓U變化的關(guān)系．操作如下： A．閉合開關(guān)S1，單刀雙擲開關(guān)S2撥到a點，適當調(diào)節(jié)滑動變阻器R′，讀出電壓表示數(shù)U1；保持R′阻值不變，把S2撥到b點，調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，直到電壓表示數(shù)仍為U1，電阻箱讀數(shù)為R1 B．把S2再撥到a點，調(diào)節(jié)R′的阻值，讀出電壓表示數(shù)U2；把S2再撥到b點，調(diào)節(jié)電阻箱R的阻值，直到電壓表示數(shù)為U2，此時電阻箱讀數(shù)為R2 C．改變滑動變阻器R′的阻值，重復上述操作，得到幾組電壓表示數(shù)與R的數(shù)據(jù)如下表 電阻R/Ω 5．0 10．0 15．0 25．0 35．0 45

13、．0 電壓U/V 1．00 1．50 1．80 2．14 2．32 2．45 (1)請在圖乙中根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出U－R關(guān)系圖象． (2)若電壓表示數(shù)為2．00 V．利用所測繪的U－R圖象可得Rx＝________Ω． [解析]　(1)先以實驗得到的每一組(R，U)數(shù)據(jù)描點，然后用平滑的曲線連接以上所描的點，得到U－R圖線如圖所示． (2)對照U－R圖線，找到圖線上U＝2．00 V的點，讀出其對應的Rx＝20 Ω(19～21 Ω均可以)． [答案]　(1)見解析圖　(2)20 本實驗是采用替代法測量電阻Rx在不同電壓下的阻值，因此描繪出的U－R圖線即為U－Rx

14、圖線．　 1．(2018·湘潭縣校級月考)做“測繪小燈泡的伏安特性曲線”時所描繪曲線不是直線，某同學分析實驗結(jié)論時給出以下理由，其中正確的是(　　) A．電源電壓較高，降低電壓就一定會是直線 B．小燈泡燈絲電阻不是恒值，隨溫度升高會發(fā)生變化 C．電路中的連接點有接觸不良的現(xiàn)象 D．改描U－I曲線可能變?yōu)橹本€ 解析：選B．所繪圖象之所以不是直線，是因為金屬導體的電阻隨溫度的升高而增大；降低電壓時溫度也會升高，得出的也是曲線；接觸不良時會出現(xiàn)燈泡閃亮的情況，不會使圖象為曲線；本實驗得出的U－I圖象也是曲線，故A、C、D錯誤，B正確． 2．在測量燈泡伏安特性實驗中，同學們連接的電

15、路中有四個錯誤電路，如圖所示．電源內(nèi)阻不計，導線連接良好．若將滑動變阻器的觸頭置于左端，閉合S，在向右端滑動觸頭過程中，會分別出現(xiàn)如下四種現(xiàn)象： a．燈泡L不亮；電流表示數(shù)幾乎為零 b．燈泡L亮度增加；電流表示數(shù)增大 c．燈泡L開始不亮，后來忽然發(fā)光；電流表從示數(shù)不為零到線圈被燒斷 d．燈泡L不亮；電流表從示數(shù)增大到線圈被燒斷 與上述a、b、c、d四種現(xiàn)象對應的電路序號為(　　) A．③①②④ 　　　　　　　　 B．③④②① C．③①④② D．②①④③ 解析：選A．①中滑片向右移動過程，燈泡兩端電壓增大，燈泡實際功率增大，燈泡變亮，電

16、路總電阻減小，干路電流增大，電流表示數(shù)增大，對應b；②中燈泡與電流表并聯(lián)，燈泡被短路，滑片向右移動過程，滑動變阻器接入電路阻值減小，電路電流增大，電流表示數(shù)增大，燈泡始終不發(fā)光，當滑片到達最右端時，電源短路，電流表燒壞，此時，燈泡忽然發(fā)光，對應c；③中燈泡被短路，燈泡不亮，電流表與電壓表串聯(lián)，電流表示數(shù)幾乎為零，對應a；④中安培表使燈泡短路，燈泡L始終不亮，電流表從示數(shù)增大到線圈被燒斷，對應d． 3． 伏安法測電阻，當被測電阻的阻值不能估計時，可采用試接的辦法，如圖所示，讓電壓表一端接在電路上a點，另一端先后接到b點和c點．注意觀察兩個電表的示數(shù)，若電流表的示數(shù)有顯著變化，則待測電阻的

17、阻值跟________表的內(nèi)阻可比擬，電壓表的兩端應接在a和________點．若電壓表的示數(shù)有顯著變化，則待測電阻的阻值跟________表的內(nèi)阻可比擬，電壓表應接在a和________兩點． 解析：若電流表示數(shù)變化明顯，說明電壓表的分流作用較大，即說明電壓表的內(nèi)阻不是很大，則待測電阻的阻值跟電壓表的內(nèi)阻可比擬，應采用電流表內(nèi)接法，即電壓表的兩端應接在a和c之間；若電壓表示數(shù)變化明顯，說明電流表的分壓作用較明顯，即電流表的內(nèi)阻與待測電阻可比擬，應采用電流表的外接法，即電壓表應接在a、b之間． 答案：電壓　c　電流　b 4．(2018·增城校級聯(lián)考)某同學用下列器材描繪額定電壓為3．0

18、V小燈泡的伏安特性曲線(要求電壓變化從零開始)． A．電流表(0．6 A，1 Ω)　 　 B．電壓表(3 V，1 kΩ) C．滑動變阻器(10 Ω，1 A) D．電源(4 V，內(nèi)阻不計) (1)請你在實物連接圖甲中，把還需要連接的導線補上． (2)開關(guān)閉合前，滑動變阻器的滑片應置于________端(選填“左”或“右”)． (3)閉合開關(guān)，移動滑動變阻器的滑片，電壓表的示數(shù)逐漸增大，電流表指針卻幾乎不動，則電路的故障為____________________________． (4)排除故障后，某次測量時電流表的指針位置如圖乙所示，其讀數(shù)為________ A． (5)

19、小明完成實驗后，由實驗數(shù)據(jù)畫出小燈泡的I－U圖象，如圖丙中實線所示．由圖可確定小燈泡在電壓為2．0 V時的電阻為________Ω(保留兩位有效數(shù)字)． 解析：(1)該實驗要求電壓從零調(diào)節(jié)，因此滑動變阻器要采用分壓接法，由于燈泡電阻很小，因此電流表要采用外接法，由此可正確連接實物圖如圖所示． (2)開始實驗之前，要使滑動變阻器的輸出電壓為零，根據(jù)電路圖可知滑動變阻器的滑片應置于左端． (3)電壓表有示數(shù)，說明電壓表的兩個接線柱和電源的兩極連接的電路中無斷路；電流表指針幾乎不動，說明電路中電阻很大，可能是斷路了，故出現(xiàn)這種情況的可能性是小燈泡斷路． (4)本實驗中電流表選擇0．6 A量程，電流表最小分度為0．02 A，故指針的示數(shù)為0．25 A． (5)根據(jù)燈泡的I－U圖象可知，當燈泡的電壓為2．0 V時，燈泡的電流約為0．185 A，因此此時燈泡的電阻R＝＝ Ω≈11 Ω． 答案：(1)見解析圖　(2)左　(3)小燈泡斷路　(4)0．25 (5)11