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
2、闭合时小电珠两端的电压能从零开始变化;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。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
3、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
4、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
5、,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,例1(2017吉林长春模拟)某实验小组描绘规格为“2.5 V 0.6 W”的小电珠的I-U特性曲线。实验室提供下列器材: A.电流表A1(量程为025 mA,内阻约0.2 ) B.电流表A2(量程为0300 mA,内阻约1 ) C.电压表V1(量程为03 V,内阻约5 k) D.电压表V2(量程为015 V,内阻约15 k) E.滑动变阻器R1(010 ,额定电流1.5 A) F.滑动变阻器R2(01 000 ,额定电流0.5 A) G.直流电源(
6、电动势6 V,内阻忽略不计) H.开关一个、导线若干 (1)在小电珠接入电路前,使用多用电表直接测量小电珠的电阻,则应将选择开关旋至 挡进行测量。(填选项前的字母) A.直流电压10 V B.直流电流5 mA C.欧姆“100” D.欧姆“1”,-10-,考点一,考点二,考点三,(2)实验中所用的电流表应选 ;电压表应选 ;滑动变阻器应选 。(只需填器材前面的字母代号) (3)若采用如图甲所示的电路描绘小电珠的伏安特性曲线,电压表的右端应与电路中的 (选填“a”或“b”)点相连。,-11-,考点一,考点二,考点三,(4)开关闭合之前,图中滑动变阻器的滑片应该置于 (选填“c”“d”或“cd中间
7、”)端。 (5)测量后,该小组根据实验数据,拟合出小电珠的I-U特性曲线如图乙所示。请根据曲线确定小电珠两端电压为1.5 V时,其实际功率P= W。 (6)该小组按实验要求设计出正确电路图并正确连线后,闭合开关,慢慢增大小电珠的电压,发现刚开始时两电表指针均偏转,但小电珠不发光,请简要分析原因:,-12-,-13-,(3)小电珠电阻为10.4 ,电流表内阻约1 ,电压表内阻约为5 k,电压表内阻远大于灯泡电阻,电流表应采用外接法,由题图甲所示电路图可知,电压表的右端应与电路中的a端连接。 (4)由题图甲所示电路图可知,滑动变阻器采用分压接法,开关S闭合前,滑动变阻器的滑片应置于c端。 (5)由
8、题图乙所示图象可知,小电珠两端电压为1.5 V时,通过电珠的电流为0.22 A,则电珠实际功率P=UI=0.33 W。 (6)分析原因:电压(电流)较小时,灯丝的温度较低,达不到发光的温度。,答案 (1)D (2)B C E (3)a (4)c (5)0.33 (6)电压(电流)较小时,灯丝的温度较低,达不到发光的温度,-14-,考点一,考点二,考点三,思维点拨(1)小电珠的额定电流I= =0.5 A。 (2)要求电压从零开始变化,滑动变阻器应采用分压 接法。 (3)连接实物时应注意什么问题?,提示：先画出实验原理图,按照原理图按顺序连接实物。,规律总结电学实验电路设计的思路与方法 1.首先应
9、明确题目的要求,看清题目要求测量什么物理量,验证、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。,-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
10、超过电流表(或电压表)的量程,或超过待测电阻的额定电流(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,实验电路设计与数据处理 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
11、选用的器材有: 电池组(电动势为4.5 V,内阻约1 ); 电流表(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。,-19-,
12、考点一,考点二,考点三,解析： (1)测绘小灯泡的伏安特性曲线,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。,(3)电路中的短路电流I短= =0.3 A,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,答案： (1)A (2)B (3)0.1,-21-,考点一,考点二,考点三,例3(2017重庆模拟)在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中,需测量一个标有“3 V,1.5 W”灯泡两端的电压和通过灯泡的电流。现有如下器材: 直流电源(
13、电动势3.0 V,内阻不计) 电流表A1(量程03 A,内阻约0.1 ) 电流表A2(量程00.6 A,内阻约5 ) 电压表V1(量程03 V,内阻约3 k) 电压表V2(量程015 V,内阻约200 k) 滑动变阻器R1(阻值010 ,额定电流1 A) 滑动变阻器R2(阻值01 k,额定电流300 mA) (1)在该实验中,电流表应选择 (选填“A1”或“A2”),电压表应选择 (选填“V1”或“V2”),滑动变阻器应选择 (选填“R1”或“R2”)。,-22-,(2)某同学用导线a、b、c、d、e、f、g和h连接成如图甲所示的电路,请在乙图方框中完成实验的电路图。,-23-,(3)该同学连
14、接电路后检查所有元器件都完好,电流表和电压表已调零,经检查各部分接触良好。但闭合开关后,反复调节滑动变阻器,小灯泡的亮度发生变化,但电压表和电流表示数不能调为零,则断路的导线为 。 (4)图丙是学习小组在实验中根据测出的数据,在方格纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线。若将该灯泡与一个6.0 的定值电阻串联,直接接在题中提供的电源两 端,请估算该小灯泡的实际功 率P= W(保留两位有 效数字)。(若需作图,可直接 画在图中),-24-,解析 (1)由P=UI可得,I=500 mA;为了安全和准确,电流表应选择A2;灯泡的额定电压为3 V,直流电压表选择03 V量程的误差较小,即选V1。因本实验中应采
15、用分压接法,故滑动变阻器应选R1。 (2)分压式+外接法,电路图如图(a)所示。,-25-,(3)由题意可知,电路中有电流但不能调零,且灯泡亮度发生变化,说明滑动变阻器接成了限流接法,是h导线发生了断路。 (4)定值电阻与电源组成等效电源,在灯泡I-U图象坐标系内作出等效电源的I-U图象如图(b)所示: 由图可知,灯泡两端电压为1.14 V,通过灯泡的电流为0.32 A,灯泡实际功率P=UI0.36 W。 答案 (1)A2 V1 R1 (2)如解析图所示 (3)h (4)0.36(0.350.38),-26-,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
16、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。,-27-,考点一,考点二,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,-28-,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
17、采集和处理。,-29-,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 。,-30-,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。 (4)小明处理数据后,将P、U2的数值在坐标纸上描点,并作
18、出了一条直线,如图乙所示,请指出图象中不恰当的地方。,答案,解析,-31-,1,2,3,4,1.在探究规格为“4.0 V 2.0 W”的小灯泡L的伏安特性曲线实验中,可供选用的器材如下:,-32-,小灯泡L:“4.0 V 2.0 W”。 电流表A1:量程3.0 A,内阻约为0.1 。 电流表A2:量程0.6 A,内阻约为0.2 。 电压表V:量程3.0 V,内阻RV=9.0 k。 定值电阻R1:阻值为2.0 k。 定值电阻R2:阻值为4.5 k。 定值电阻R3:阻值为12.0 k。 定值电阻R4:阻值为18.0 k。 滑动变阻器R:阻值范围010 。 学生电源E:电动势6.0 V,内阻不计。
19、开关S及导线若干。 (1)电流表应选 ,定值电阻选 (在R1、R2、R3、R2中选一个)。,-33-,(2)在方框中画出实验电路图,并在图上标明所选器材代号。 (3)小雨同学采用同样的方法进行实验,检查实验电路连接正确,然后闭合开关,调节滑动变阻器滑片,发现电流表和电压表指针始终不发生偏转。在不断开电路的情况下,检查电路故障,应使用多用电表 (填“欧姆10”“直流电压10 V”或“直流电流2.5 mA”)挡,检查过程中将多用电表的红、黑表笔与电流表“+”“-”接线柱接触时,多用电表指针发生较大偏转,说明电路故障是 。,-34-,-35-,答案 (1)A2 R2 (2)如图所示(3)直流电压10
20、 V 电流表断路,-36-,1,2,3,4,2.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。,-37-,1,2,3,4,-38-,1,2,3,4,(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)。
21、,-39-,1,2,3,4,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。,-40-,1,2,3,4,电压为U,根据闭合电路欧姆定律得:U+nI0r=E,而U+4 I0=3 V,U=-4 I0+3 V,如图所示,图线的交点纵、横坐标分别为U1.5 V,I00.38 A,P=UI0=0.57 W,P总=nP=0.574 W=2.28 W。,-41-,1,2,3,4,答案： (1)见解析图 (2)0.44 (3)4 2.28,-42-,1,2,3,4,3.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
22、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”)。,-43-,1,2,3,4,(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,-44-,1,2,3,4,4.在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中。 (1
23、)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”)。,-45-,1,2,3,4,(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。,-46-,1,2,3,4,(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”“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)。,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。,-47-,1,2,3,4,(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。,答案： (1)图见解析 (2)乙 (3)图见解析 (4)增大 (5)D,
