高考物理創(chuàng)新（基礎(chǔ)課能力課實驗課）版第八章恒定電流實驗八

實驗八描繪小燈泡的伏安特性曲線注意事項1.電流表外接法：本實驗中被測小燈泡燈絲的電阻值較小，因此測量電路必須采用電流表外接法。2.滑動變阻器應(yīng)采用分壓式連接本實驗要作出U－I圖象，要求測出一組包括零在內(nèi)的電流、電壓值，故控制電路必須采用分壓接法。3.保護(hù)元件安全：為保護(hù)元件不被燒毀，開關(guān)閉合前變阻器滑片應(yīng)位于圖中的a端。加在小電珠兩端的電壓不要超過其額定電壓。誤差分析1.由于電壓表不是理想電表，內(nèi)阻并非無窮大，對電路的影響會帶來誤差，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。

熱點一實驗原理與實驗操作【例1】(2017·鎮(zhèn)江一模)有一個額定電壓為3.8V，額定功率約為1W的小燈泡，現(xiàn)要用伏安法描繪這只燈泡的I－U圖線，有下列器材可供選用：A.電壓表V1(0～6V、內(nèi)阻約為5kΩ)B.電壓表V2(0～15V、內(nèi)阻約為30kΩ)C.電流表A1(0～3A、內(nèi)阻約為0.1Ω)D.電流表A2(0～0.6A、內(nèi)阻約為0.5Ω)E.滑動變阻器R1(10Ω、5A)F.滑動變阻器R2(200Ω、0.5A)G.蓄電池(電動勢6V、內(nèi)阻不計)H.開關(guān)、導(dǎo)線(1)請在方框內(nèi)畫出該實驗的原理電路圖。(2)實驗中，電壓表選________，電流表選________，滑動變阻器選________。(用序號字母表示)(3)測得該燈泡的伏安特性曲線如圖所示。由圖線可求得此燈泡在正常工作時的電阻為________Ω；若將此燈泡與電動勢12V、內(nèi)阻為1Ω的電源相連，要使燈泡正常發(fā)光，需串聯(lián)一個阻值為________Ω的電阻。(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)解析(1)描繪伏安特性曲線，電壓、電流從零開始變化，所以滑動變阻器選用分壓式；根據(jù)R<eq\r(RARV)說明小燈泡是小電阻，采用電流表外接法。(2)根據(jù)小燈泡的額定電壓和額定電流，電壓表選A，電流表選D，滑動變阻器分壓式應(yīng)選用阻值小的E。(3)正常工作的電阻即為圖中電壓為3.8V時的電阻，為R＝eq\f(3.8,0.24)Ω＝15.83Ω≈16Ω，根據(jù)閉合電路歐姆定律計算出串聯(lián)電阻阻值Rx＝eq\f(E,I)－r－R＝eq\f(12,0.24)Ω－1Ω－15.83Ω≈33Ω。答案(1)見解析圖(2)ADE(3)1633熱點二數(shù)據(jù)處理與分析【例2】某學(xué)習(xí)小組探究一小電珠在不同電壓下的電功率大小，實驗器材如圖1甲所示，現(xiàn)已完成部分導(dǎo)線的連接。圖1(1)實驗要求滑動變阻器的滑片從左到右移動過程中，電流表的示數(shù)從零開始逐漸增大，請按此要求用筆畫線代替導(dǎo)線在圖甲實物接線圖中完成余下導(dǎo)線的連接；(2)某次測量，電流表指針偏轉(zhuǎn)如圖乙所示，則電流表的示數(shù)為________A；(3)該小組描繪出的伏安特性曲線如圖丙所示，根據(jù)圖線判斷，將________只相同的小電珠并聯(lián)后，直接與電動勢為3V、內(nèi)阻為1Ω的電源組成閉合回路，可使小電珠的總功率最大，其總功率的值約為________W(保留兩位小數(shù))。解析(1)電流表示數(shù)要從零開始逐漸增大，滑動變阻器要用分壓接法，如圖甲所示。甲(2)電流表示數(shù)為0.44A。(3)當(dāng)外電路的總電阻與電源內(nèi)阻相等時，電源有最大的輸出功率，即小電珠的總功率最大，此時R外＝r＝1Ω，I＝eq\f(E,R外＋r)＝eq\f(3,2)A＝1.5A，U外＝eq\f(E,2)＝1.5V，即每只小電珠兩端的電壓為1.5V，通過圖象可知每只小電珠的電流為I0＝0.38A，n＝eq\f(I,I0)≈4(只)；通過每只小電珠的電流為I0，兩端電壓為U，根據(jù)閉合電路歐姆定律得：U＋nI0r＝E，而U＋4I0＝3V，U＝－4I0＋3V，如圖乙所示，圖線的交點縱、橫坐標(biāo)分別為U≈1.5V，I0≈0.38A，P＝UI0＝0.57W，P總＝nP＝4×0.57W＝2.28W。乙答案(1)見解析圖甲(2)0.44(3)42.28熱點三實驗的改進(jìn)與創(chuàng)新以本實驗為背景，通過改變實驗條件、實驗儀器設(shè)置題目，不脫離教材而又不拘泥教材，體現(xiàn)開放性、探究性等特點。1.以實驗原理及實驗方法為基礎(chǔ)，探究小燈泡功率與電壓的關(guān)系。2.實驗對象的變遷3.數(shù)據(jù)處理方式的改進(jìn)采用“DIS”數(shù)字化實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)的采集和處理?！纠?】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3kΩ)、電流表(內(nèi)阻約為1Ω)、定值電阻等。圖2(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2(a)所示，讀數(shù)為________Ω。據(jù)此應(yīng)選擇圖2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。圖3(3)圖3(a)是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出的U－I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R＝21Ω的定值電阻，測量待測電池的電動勢E和內(nèi)阻r，電路如圖3(b)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，結(jié)合圖3(a)的數(shù)據(jù)可算得E＝________V，r＝________Ω(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字，視電壓表為理想電壓表)。解析(1)歐姆表的讀數(shù)R＝示數(shù)×倍率，得R＝10Ω；根據(jù)實驗電路產(chǎn)生誤差的原因知應(yīng)選用電流表外接，故選擇“b”電路進(jìn)行實驗。(2)滑動變阻器的滑片P從左向右滑動，R左增大，待測電阻兩端的電壓增大，所以電流表的示數(shù)增大。(3)根據(jù)伏安特性曲線知，X為線性元件，Y為非線性元件，且RX＝10Ω。(4)由閉合電路歐姆定律：S1、S2均閉合，有U1＝eq\f(E,RX＋r)RXS1閉合，S2斷開，有U2＝eq\f(E,RX＋R＋r)RX解以上兩式得r＝0.50Ω，E≈3.2V答案(1)10b(2)增大(3)Y(4)3.20.50【例4】為了探究某電阻Rt在不同溫度下的阻值，某同學(xué)設(shè)計了如圖4所示的電路，其中A為內(nèi)阻不計、量程為3mA的電流表，E1為電動勢為1.5V、內(nèi)阻約為1Ω的電源，R1為滑動變阻器，R2為電阻箱，S為單刀雙擲開關(guān)。圖4(1)實驗室中提供的滑動變阻器有兩個：RA(0～150Ω)，RB(0～500Ω)，本實驗中滑動變阻器R1應(yīng)選用________(選填“RA”或“RB”)。(2)完成下面實驗步驟：①調(diào)節(jié)溫度，使Rt的溫度達(dá)到t1；②將S撥向接點1，調(diào)節(jié)________，使電流表的指針偏轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置，記下此時電流表的讀數(shù)I；③將S撥向接點2，調(diào)節(jié)________，使電流表的讀數(shù)仍為I，記下此時電阻箱的讀數(shù)R0，則當(dāng)溫度為t1時，電阻Rt＝________；④改變Rt的溫度，重復(fù)步驟②③，即可測得電阻Rt的阻值隨溫度變化的規(guī)律。(3)現(xiàn)測得電阻Rt隨溫度t變化的圖象如圖5甲所示。把該電阻與電動勢為3.0V、內(nèi)阻不計的電源E2，量程為3.0V的理想電壓表V(圖中未畫出)和電阻箱R2連成如圖乙所示的電路，用該電阻作測溫探頭，將電壓表的電壓刻度改為相應(yīng)的溫度刻度，就得到了一個簡單的“電阻溫度計”。若要求電壓表的讀數(shù)必須隨溫度的升高而增大，則應(yīng)在原理圖乙中________(選填“a、b”或“b、c”)兩點接入電壓表。如果電阻箱阻值R2＝75Ω，則電壓表刻度盤2.0V處對應(yīng)的溫度數(shù)值為________℃。圖5解析(1)由電源的電動勢為1.5V，電流表量程為3mA可知，達(dá)到滿偏時，電路總電阻約為500Ω，故滑動變阻器選擇RB。(2)實驗中選用替代法測量電阻，第二步中，先將S撥向接點1，調(diào)節(jié)滑動變阻器R1，記錄電流表讀數(shù)；然后將S撥向接點2，調(diào)節(jié)電阻箱R2，使電流表讀數(shù)仍為I，此時電阻箱的讀數(shù)即為待測電阻的阻值，即Rt＝R0。(3)由于電阻Rt隨溫度升高而增大，由閉合電路歐姆定律可知其兩端電壓也增大，所以電壓表與之并聯(lián)，即電壓表接在b、c兩點。根據(jù)題圖甲中圖象可得Rt＝(100＋t)Ω，由串聯(lián)分壓規(guī)律可得電壓表示數(shù)為2.0V時，Rt＝150Ω，解得t＝50℃。答案(1)RB(2)②R1③R2R0(3)b、c50如圖6是小紅同學(xué)在做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗的實物連接圖。圖6(1)根據(jù)圖6在虛線框內(nèi)畫出實驗電路圖；(2)調(diào)節(jié)滑動變阻器得到了兩組電流表與電壓表的示數(shù)如圖7中的①、②、③、④所示，電流表量程為0.6A，電壓表量程為3V。所示讀數(shù)為：①________、②________、③________、④________。兩組數(shù)據(jù)得到的電阻分別為________和________。圖7解析(1)描繪小燈泡的伏安特性曲線需要測量電壓范圍大，變阻器用分壓接法，小燈泡電阻比較小，電流表要外接，電路圖如圖所示。(2)電流表量程為0.6A時，最小刻度為0.02A，讀數(shù)讀到小數(shù)點后兩位，所以①表示數(shù)為0.10A，②表示數(shù)為0.24A；電壓表量程為3V，最小刻度為0.1V，應(yīng)估讀到0.01V，所以③表示數(shù)為2.00V，④表示數(shù)為0.27V，由電路可知，U大則I大，U小，I就小，根據(jù)歐姆定律R1＝eq\f(U1,I1)＝eq\f(2.00V,0.24A)＝8.3Ω，R2＝eq\f(U2,I2)＝eq\f(0.27,0.1)Ω＝2.7Ω。答案(1)見解析(2)①0.10A②0.24A③2.00V④0.27V(0.27±0.01均可)；8.3Ω(8.3±0.1均可)2.7Ω(2.7±0.1均可)活頁作業(yè)(時間：30分鐘)1.(2017·江蘇省南通市、泰州市、揚州市高三第三次模擬考試)為描繪小燈泡的伏安特性曲線，實驗室備有下列器材：A.小燈泡(額定電壓6V，額定電流600mA)B.電流表A1(量程0～0.6A，內(nèi)阻約為0.5Ω)C.電流表A2(量程0～3A，內(nèi)阻約為0.1Ω)D.電壓表V(量程0～6V，內(nèi)阻約為10kΩ)E.滑動變阻器R1(0～10Ω，2A)F.滑動變阻器R2(0～100Ω，1.5A)G.直流電源E(約6V)H.開關(guān)、導(dǎo)線若干(1)實驗中電流表應(yīng)選用________，滑動變阻器應(yīng)選用________。(以上均填器材代號)(2)請用筆畫線代替導(dǎo)線，將圖1甲電路連接完整。圖1(3)實驗電路連接正確，閉合開關(guān)，從最左端向右端調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片，記錄電流表和電壓表相應(yīng)示數(shù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點如圖乙所示，則電路發(fā)生的故障是________________。解析(1)小燈泡的額定電流為600mA，則實驗中電流表應(yīng)選用A1，伏安特性曲線的電流、電壓應(yīng)從(0，0)取起，則滑動變阻器應(yīng)采用分壓式，為使分壓電路上的電壓比較穩(wěn)定，滑動變阻器應(yīng)選小阻值的R1。(2)為使伏安特性曲線的電流電壓從(0，0)取起，滑動變阻器采用分壓式，將小燈泡的電阻Req\o\al(2,x)與電壓表、電流表內(nèi)阻的乘積RARV進(jìn)行比較，Req\o\al(2,x)<RARV，則電流表外接，如圖所示。(3)由圖乙可知通過小燈泡的電流及兩端的電壓未從(0，0)取起，說明電路為限流式，則電路發(fā)生的故障是電源負(fù)極和滑動變阻器左下接線柱間的電路斷路。答案(1)A1R1(2)略(3)電源負(fù)極和滑動變阻器左下接線柱間的電路斷路2.(2017·江蘇溧水高級中學(xué)摸底)小張和小明測繪標(biāo)有“3.8V0.4A”小燈泡的伏安特性曲線，提供的實驗器材有：()A.電源E(4V，內(nèi)阻約0.4Ω)B.電壓表V(2V，內(nèi)阻為2kΩ)C.電流表A(0.6A，內(nèi)阻約0.3Ω)D.滑動變阻器R(0～10Ω)E.三個定值電阻(R1＝1kΩ，R2＝2kΩ，R3＝5kΩ)F.開關(guān)及導(dǎo)線若干(1)小明研究后發(fā)現(xiàn)，電壓表的量程不能滿足實驗要求，為了完成測量，他將電壓表進(jìn)行了改裝。在給定的定值電阻中選用________(選填“R1”“R2”或“R3”)與電壓表________(選填“串聯(lián)”或“并聯(lián)”)，完成改裝。(2)小張選好器材后，按照該實驗要求連接電路，如圖2所示(圖中電壓表已經(jīng)過改裝)。閉合開關(guān)前，小明發(fā)現(xiàn)電路中存在兩處不恰當(dāng)?shù)牡胤?，分別是：①________________；②__________________。圖2(3)正確連接電路后，閉合開關(guān)，移動滑動變阻器的滑片P，電壓表和電流表的示數(shù)改變，但均不能變?yōu)榱?。由此可以推斷電路中發(fā)生的故障可能是導(dǎo)線________(選填圖中表示導(dǎo)線的序號)出現(xiàn)了________(選填“短路”或“斷路”)。解析(1)電壓表的量程為2V，內(nèi)阻為2kΩ，故選用阻值是2kΩ的R2與電壓表串聯(lián)后可達(dá)到實驗的要求。(2)因電壓表的內(nèi)阻遠(yuǎn)大于燈泡的內(nèi)阻，故電流表應(yīng)該外接；因采用分壓電路，故滑動變阻器滑動端應(yīng)該在最左端。故電路中存在兩處不恰當(dāng)?shù)牡胤?，分別是：安培表內(nèi)接，滑片在最右端。(3)出現(xiàn)此故障可能是導(dǎo)線8斷路引起的。答案(1)R2串聯(lián)(2)安培表內(nèi)接滑片在最右端(3)8斷路3.(2017·江蘇省蘇錫常鎮(zhèn)高三第二次模擬考試)小明同學(xué)想研究一段鉛芯的伏安特性曲線，他連接了如圖3甲所示的實驗電路。小亮同學(xué)認(rèn)為小明的電路并不完善，他在該電路上增加了一條導(dǎo)線，得到了小明的認(rèn)同。(1)請你用筆畫線在圖甲上加上這條導(dǎo)線。(2)對小亮改正后的電路，在閉合開關(guān)前，滑動變阻器的滑片應(yīng)先置于________(填“最左端”或“最右端”)。(3)閉合開關(guān)后，調(diào)節(jié)滑動變阻器，測得一組電壓表和電流表的示數(shù)記錄如下表：電流I/A00.080.160.240.320.400.48電壓U/V00.631.221.681.972.232.44請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在圖乙坐標(biāo)系中作出鉛芯的I－U圖線。甲乙圖3(4)由圖象可知隨著溫度的升高，鉛芯的電阻率________(填“增大”“減小”或“不變”)。解析(1)伏安特性曲線的電流電壓應(yīng)從(0，0)取起，滑動變阻器應(yīng)采用分壓式，將滑動變阻器的左下端與電源的負(fù)極或電流表0.6A的接線柱相連，如圖所示。圖甲中1或2中任一條。甲(2)為使伏安特性曲線的電流電壓從(0，0)取起，滑動變阻器與待測電阻并聯(lián)的部分阻值應(yīng)從零開始逐漸增大，滑動變阻器的滑片應(yīng)先置于最左端。(3)描點連線如圖乙所示，畫好的圖象縱橫都應(yīng)該超過方格紙的一半，選取適當(dāng)?shù)膯挝婚L度，連線時應(yīng)盡量讓點落在平滑的曲線上或分布兩側(cè)，偏離較大的點舍去。乙(4)根據(jù)U＝IR，R＝ρeq\f(L,S)，有I＝eq\f(S,ρL)U，I－U圖象的斜率表示eq\f(S,ρL)，隨著電壓電流的增大，鉛芯的溫度逐漸升高，圖象的斜率隨著逐漸變大，鉛芯的電阻率逐漸減小。答案(1)見解析(2)最左端(3)見解析(4)減小4.為探究小燈泡的電功率P和電壓U的關(guān)系，小明測量小燈泡的電壓U和電流I，利用P＝UI得到電功率。實驗所使用的小燈泡規(guī)格為“3.0V，1.8W”，電源為12V的電池，滑動變阻器的最大阻值為10Ω。(1)準(zhǔn)備使用的實物電路如圖4所示。請將滑動變阻器接入電路的正確位置。(用筆畫線代替導(dǎo)線)圖4(2)現(xiàn)有10Ω、20Ω和50Ω的定值電阻，電路中的電阻R1應(yīng)選________Ω的定值電阻。(3)測量結(jié)束后，應(yīng)先斷開開關(guān)，拆除________兩端的導(dǎo)線，再拆除其他導(dǎo)線，最后整理好器材。(4)小明處理數(shù)據(jù)后將P、U2描點在坐標(biāo)紙上，并作出了一條直線，如圖5所示。請指出圖象中不恰當(dāng)?shù)牡胤?。圖5解析(1)測量小燈泡的電功率與電壓的關(guān)系時，小燈泡兩端電壓從零開始變化，所以滑動變阻器應(yīng)接成分壓電路。(2)小燈泡正常工作時兩端電壓是3V，電流IL＝eq\f(P,UL)＝eq\f(1.8,3)A＝0.6A，電路總電流I>0.6A，電路總電阻R＝eq\f(E,I)<eq\f(12,0.6)Ω＝20Ω，所以定值電阻只能選擇10Ω。(3)斷開開關(guān)后，電路中沒有電流，但電池的兩根導(dǎo)線相碰可能會引起電池短路，所以應(yīng)該先拆除電池兩端的導(dǎo)線。(4)描點作圖應(yīng)該根據(jù)點的分布用平滑的曲線連接；畫的圖線應(yīng)該盡量占滿坐標(biāo)紙。答案(1)如解析圖所示(2)10(3)電池(4)圖線畫為直線；橫坐標(biāo)的標(biāo)度不恰當(dāng)。5.如圖6甲所示的電路中，恒流源可為電路提供恒定電流I0，R為定值電阻，電流表、電壓表均可視為理想電表。某同學(xué)利用該電路研究滑動變阻器RL消耗的電功率。改變RL的阻值，記錄多組電流、電壓的數(shù)值，得到如圖乙所示的U－I關(guān)系圖線。圖6回答下列問題：(1)滑動觸頭向下移動時，電壓表示數(shù)________(填“增大”或“減小”)。(2)I0＝________A。(3)RL消耗的最大功率為________W(保留1位有效數(shù)字)。解析(1)滑動觸頭向下移動時，RL阻值減小，則總電阻減小，由于總電流不變，因此總電壓變小，則電壓表讀數(shù)變小。(2)由電路圖可知：I0＝I＋eq\f(U,R)，即U＝I0R－IR，由U－I圖線可知，I0R＝20，R＝k＝eq\f(20,1.0)