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2019-2020年高中物理 第2章 实验:描绘小灯泡的伏安特性曲线学案 粤教版选修3-1

2019-2020年高中物理 第2章 实验:描绘小灯泡的伏安特性曲线学案 粤教版选修3-1

2019-2020 年高中物理 第 2 章 实验:描绘小灯泡的伏安特性曲线学

案 粤教版选修 3-1
一、实验目的 1.描绘小灯泡的伏安特性曲线. 2.分析曲线的变化规律. 二、实验原理 1.用电流表测出流过小灯泡的电流,用电压表测出小灯泡两端的电压,测出多组(U, I)值,在 U-I 坐标系中描出各对应点,用一条平滑的曲线将这些点连接起来. 2.电流表外接:因为小灯泡电阻很小,如果内接电流表,分压明显. 滑动变阻器采用分压式:使电压能从 0 开始连续变化. 三、实验器材 学生电源(4~6 V 直流)、小灯泡(4 V、0.7 A 或 3.8 V、0.3 A),电流表(内阻较小)、 电压表(内阻很大),开关和导线、滑动变阻器、坐标纸. 四、实验步骤 1.连接电路. (1) 将灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、电源、开关用导线连接成如上图所示电路. 2.测量与记录. 测出小灯泡在不同电压下的电流. 移动滑动变阻器触头位置,测出 12 组左右不同的电压值 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

U/V

1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 3.8

I/A 3.数据处理、整理仪器. (1)画出伏安特性曲线.

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,就得到小灯泡的伏安特性曲线. 4.拆除电路、整理仪器. 五、注意事项 1.本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小,因此测量电路必须采用电流表外接法. 2.滑动变阻器应采用分压式连接:目的是为了使小灯泡两端的电压能从 0 开始连续变 化. 3.U-I 图线在 U0=1.0 V 左右时将发生明显弯曲,故在 U=1.0 V 左右时绘点要密,以 防出现很大误差. 4.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.
一、单项选择题 1.在描绘小灯泡的伏安特性时,以电流值作横坐标,电压值作纵坐标.所得的图线可 能是下面图线中的(D)
解析:由于小灯泡两端的电压升高时,灯丝的温度升高,导致灯丝电阻变大,所以只有 D 满足题意.

2.在描绘小灯泡的伏安特性曲线时采用如图所示电路,实验中发现移动滑动变阻器的 滑片时,电流表示数变化而电压表指针不动,下列原因可能的是(C)
A.灯泡中灯丝已烧断 B.滑动变阻器滑片接触不良 C.灯泡内部短路 D.滑动变阻器 A 端接触不良 解析:电流表示数变化而电压表指针不动,说明有电流流过灯泡但其两端无电压,即灯 泡短路,选 C. 3.某灯泡上标有“4 V,0.7 A”的字样,在描绘该灯泡的伏安特性曲线实验中所用的 电流表为 0~0.6 A~3 A,电压表为 0~3 V~15 V,为了提高实验的精确性则下列说法中正 确的是(A) A.电压表应选 0~3 V 量程,电流表应选 0~0.6 A 量程 B.电压表应选 0~15 V 量程,电流表应选 0~0.6 A 量程 C.电压表应选 0~3 V 量程,电流表应选 0~3 A 量程 D.电压表应选 0~15 V 量程,电流表应选 0~3 A 量程 解析:一般情况下电压表和电流表的量程不能小于被测灯泡的额定值,但是本题强调实
1 验的精确性,若电压表选 0~15 V 量程则其额定电压还不到满偏刻度的3,误差较大.同理 电流表应选 0~0.6 A 量程.
二、不定项选择题 4.如下图所示,a、b、c、d 是滑动变阻器的四个接线柱.现把此变阻器串联接入电路 中的 A、B 两点间,并要求滑动头向 c 端移动过程中,灯泡变暗,则接入电路 A、B 两点间的 接线柱可能是(AD)

A.b 和 c B.a 和 c C.a 和 d D.b 和 d 解析:滑动变阻器是利用改变导线长度来改变电阻的,如题图所示,要使滑动头向 c 端移动时,灯泡变暗,只要接入电路的滑动变阻器电阻丝增长即可,所以应该接 bc 或 bd. 5.某同学研究三种导电元件的伏安特性,他根据实验中所测得的数据,分别绘制了 I -U 图线,如下图所示,下列说法正确的是(A)
A.图(1)的元件可以作为标准电阻使用 B.图(2)的阻值随电压升高而减小 C.图(3)的阻值随电压升高而增大 D.图(2)、(3)一定是由金属材质构成的导电元件 解析:(1)中 I-U 图象为一次函数图象,即不随温度变化而变化.所以可以作为标准电 阻.同理,(2)中 R 随温度升高而增大,(3)中 R 随温度升高而减小. 6.在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中,应(CD) A.采用电流表内接法,因为小灯泡的电阻比电压表内阻小得多 B.采用电流表内接法,因为小灯泡的电阻比电流表内阻大得多 C.采用电流表外接法,因为小灯泡的电阻比电压表内阻小得多 D.采用电流表外接法,因为小灯泡的电阻与电流表内阻差不多 解析:由于小灯泡的电阻较小,小灯泡的电阻和电流表的内阻差不多,而比电压表内阻 小得多,电压表分流可忽略,故应采用电流表外接法.

三、非选择题(按题目要求作答.解答题应写出必要的文字说明、方程和重要演算步骤, 答案中必须明确写出数值和单位)
7.有一个小灯泡上标有“4 V,2 W”的字样,现要描绘这个灯泡的伏安特性图线.有 下列器材供选用:
A.电压表(0~5 V,内阻约为 10 kΩ ) B.电压表(0~10 V,内阻约为 20 kΩ ) C.电流表(0~0.3 A,内阻约为 1 Ω ) D.电流表(0~0.6 A,内阻约为 0.4 Ω ) E.滑动变阻器(10 Ω ,2 A) F.学生电源(直流 6 V),还有电键、导线若干 (1)实验中所用电压表应选用__________,电流表应选用________. (2)实验时要求尽量减小实验误差,测量电压从零开始多取几组数据,请将下图中实物 连接成满足实验要求的测量电路.
(3)某同学根据实验得到的数据画出了该小灯泡的伏安特性曲线(如图所示),若用电动 势为 3 V、内阻为 2.5 Ω 的电源给该小灯泡供电,则该小灯泡的实际功率是________W.
解析:(1)因灯泡的额定电压为 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;故只能选用 0~5 V 的电压表,故选 A;由 P=U-I 得, 灯泡的额定电流 I=PU=24 A=0.5 A;故电流表应选择 0~0.6 A 的量程,故选 D;(2)由题意 要求可知,电压从零开始变化,并要多测几组数据,故只能采用滑动变阻器分压接法,灯泡 的电阻约为 R=UP2=8 Ω ,跟电流表内阻接近,所以用电流表外接法,实物图连接如图所示.(3) 当灯泡接入电动势为 3 V、内阻为 2.5 Ω 的电源中时,由闭合电路欧姆定律 E=U+Ir 得 U

=3-2.5I.画出 U-I 图象,与该小灯泡的伏安特性曲线的交点表示该灯泡接入电路中的电 压和电流,由图读出通过灯泡电流为 0.4 A,两端电压为 2.0 V,所以功率为 0.8 W.
答案:(1)A D (2)如图所示
(3)0.80(0.78~0.82) 8.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,用导线 a、b、c、d、e、f、g 和 h 按 如图所示的方式连接电路,电路中所有元器件都完好,且电压表和电流表都已调零.闭合开 关后:

(1)若电压表的示数为 2 V,电流表的示数为零,小灯泡不亮,则断路的导线为________. (2)若电压表的示数为零,电流表的示数为 0.3 A,小灯泡亮,则断路的导线为________. (3)若反复调节滑动变阻器,小灯泡的亮度发生变化,但电压表、电流表的示数不能调 为零,则断路的导线为__________________. 解析:(1)电压表的示数为 2 V,电流表的示数为零,小灯泡不亮,说明电压表与小灯 泡没有并联好(可能是 d、h 导线断路),但电压表又与其他部分组成了闭合电路,故断路的 导线只可能是 d.(2)小灯泡亮,但电压表的示数为零,同样说明电压表与小灯泡没有并联好 (可能是 d、h 导线断路),但电流表有示数说明 d 未断路,故断路的导线只可能是 h.(3)反 复调节滑动变阻器,小灯泡的亮度发生变化,但电压表、电流表的示数不能调为零,说明滑 动变阻器在实际电路中没有起到如连接电路中应起到的分压作用,而仅起到限流作用,故可 断定断路的导线为 g. 答案:(1)d (2)h (3)g 9.某实验小组要描绘一个标有“3.8 V,1 W”的小灯珠 RL 的伏安特性曲线,所供选择 的器材除了导线和开关外,还有以下一些器材可供选择: A.电压表 V(量程 5 V,内阻约为 5 kΩ ) B.直流电源 E(电动势 4.5 V,内阻不计) C.电流表 A1(量程 250 mA,内阻约为 2 Ω ) D.电流表 A2(量程 500 mA,内阻约为 1 Ω )

E.滑动变阻器 R1(阻值 0~10 Ω ) F.滑动变阻器 R2(阻值 0~200 Ω ) (1)为了使调节方便,测量的准确度较高,应选用电流表为____________;滑动变阻器 为____________.(填写仪器符号) (2)要求实验中小灯珠电压从零逐渐增大到额定电压,测量误差尽可能小.请你为该实 验小组设计电路图,并在图中标出器材的符号,画在下面方框中.
(3)某小组按实验要求设计出正确电路图并正确连线后,合上电键,慢慢增大小灯珠的 电压,发现刚开始时两电表均有读数,但小灯珠不会发光,请简要分析原因: ___________________________________________________________.
解析:(1)小灯泡的额定电流 I=PU=31.8 A≈263 mA,电流表量程应大于灯泡额定电流, 应选 A2.分压接法中为方便调节,通常选全阻值较小的滑动变阻器,所以选 R1.
(2)滑动变阻器分压接法;电流表外接. 答案:(1)A2 R1 (2)详见下边电路图

(3)刚开始通过小灯泡的电流很小时,根据焦耳定律 Q=I2Rt 可知,灯丝发出的热量还 不能使它的温度上升得足够高,因此它不亮.
10.某同学使用了如下器材:电源 E(电动势 12 V);电压表 V(量程为 15 V,内阻约 15 kΩ );电流表 A(量程 100 mA,内阻约 10 Ω );滑动变阻器(最大电阻为 50 Ω );单刀单掷 开关;导线若干.测出了一个小灯泡的伏安特性曲线如下图所示,已知小灯泡的额定电压为 12 V.
(1)请在虚线方框中画出此实验电路.

(2)根据设计的电路图在下图的实物图上连线.
(3)由小灯泡的伏安特性曲线可知小灯泡的额定功率为 P 额=________W,小灯泡电阻的 变化特性为__________________________.
解析:(1)描绘小灯泡的 U-I 曲线,电压要求从 0 开始逐渐变大,因此滑动变阻器必须 采用分压式接法,由于小灯泡的电阻较小,小灯泡的电阻和电流表的内阻差不多,而比电压 表内阻小得多,电压表分流可忽略,故应采用电流表外接法.
(2)略. (3)由图象可知:当 U=12 V 时,I≈95.2 mA,由公式 P=U-I 得 P≈1.15 W. 答案:(1)实验电路如图甲所示:

(2)实物连线如图乙所示:
(3)1.15(1.14~1.16) 灯泡电阻随电压升高而增大(或随温度升高而增大;或电压越高 时电阻增大越快)
11.(xx·珠海模拟)一个标有“3.8 V,0.3 A”字样的小灯泡,其灯丝的电阻会随温度 的升高而变化,一探究性学习小组在实验室研究这一问题,现实验室备有下列实验器材:

实验时要求测量范围尽可能大,且要求灯泡上的电压从 0 开始调节,测量结果尽可能准 确.
(1)现有下图所示的 a、b、c、d 四个电路,其中可选用的电路有________.
(2)在实验中,应当选用的实验器材有电压表________,电流表__________,滑动变阻

器__________.(填器材名称代号)
(3)该小组某同学通过实验描绘出小灯泡的 I-U 图象,如上图所示,试根据图象中给出 的数据,求出小灯泡在工作点 A 和 B 的电阻值分别为________、________.
解析:(1)要求灯泡上的电压从 0 开始调节,因此滑动变阻器要用分压式接法,a、b 图 错误,c 图中滑动变阻器上串联保护电阻,因此,灯泡上的电压也不能从 0 开始连续调节, 所以应选 d 图.
(2)选取电表时,电表的量程要稍大于被测元件的最大值,因为灯泡标有“3.8 V,0.3 A”, 所以,电压表选择 V1;电流表选择 A1;滑动变阻器为分压式接法,应选总阻值较小的滑动 变阻器 R1.
(3)根据 R=UI得 A 点电阻为 6.3 Ω (结果为 5.9~6.5 Ω 都正确);B 点电阻为 10 Ω . 答案:(1)d (2)V1 A1 R1 (3)6.3 Ω 10 Ω


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