实验：描绘小灯泡伏安特性曲线课件 新人教版选修3-1

(对应学生用书P146)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．用电流表测出流过小电珠的电流，用电压表测出小电珠两端的电压，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起来．2．电流表外接：因为小电珠的电阻很小，如果电流表内接，误差明显较大；滑动变阻器采用分压式：使电压能从零开始连续变化．三、实验器材小电珠(3.8V,0.3A)或(2.5V,0.6A)一个、电压表(0～3V～15V)与电流表(0～0.6A～3A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20Ω)一个、学生低压直流电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔．四、滑动变阻器的限流接法和分压接法1．两种接法比较方式内容限流接法分压接法对比说明两种接法电路图串、并联关系不同方式内容限流接法分压接法对比说明负载R上电压调节范围RER＋R0≤U≤E0≤U≤E分压电路调节范围大负载R上电流调节范围ER＋R0≤I≤ER0≤I≤ER分压电路调节范围大闭合S前触头位置b端a端都是为了保护电路元件由上表可以看出：滑动变阻器的分压式接法中，电压和电流的调节范围很大，限流式接法较节能．2．两种接法的选择(2)两种接法的适用条件限流式接法适合测量阻值小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小)．分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的总电阻要大)．如果Rx很小，限流式接法中滑动变阻器分得电压较大，调节范围也比较大．Rx很大时，分压式接法中Rx几乎不影响电压的分配，滑片移动时，电压变化接近线性关系，便于调节．①若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求，即若滑变动阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(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总电阻大得多，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，应改用分压电路．③若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式电路．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．五、实验步骤1．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，按下图中的原理图连接好实验电路．2．把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S.3．移动滑动变阻器滑片位置，测出12组左中不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S.U(V)00.20.40.60.81.01.21.6I(A)U(V)2.02.42.83.23.63.8I(A)4.拆除电路，整理仪器．六、数据处理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，就得到小电珠的伏安特性曲线．七、误差分析1．由于电压表、电流表不是理想电表，电表内阻对电路的影响会带来误差．2．电流表、电压表的读数带来误差，要严格按照读数规则读数．3．在坐标纸上描点、作图带来操作误差．八、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(3.8V,0.3A)的电阻很小，与0～0.6A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，滑动变阻器的触头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＝1.0V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0V左右绘点要密，以防出现较大误差．4．电流表选择0.6A量程，电压表量程的选择视小电珠的额定电压而定，即使用的若是“3.8V,0.3A”的小电珠，选用电压表的15V量程；若使用“2.5V,0.6A”的小电珠，则选用电压表的3V量程．5．当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加，到额定值记录I后马上断开开头．6．误差较大的点要舍去，I－U图线应是平滑曲线而非折线.(对应学生用书P147)(2012·高考安徽卷)下图为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为2.5V.(1)完成下列实验步骤：①闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，________；②闭合开关后，逐渐移动变阻器的滑片，________；③断开开关，……根据实验数据在方格纸上作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线．(2)请画出与实物电路相应的电路图．[尝试解答](1)①本实验中滑动变阻器是分压连接，分压连线要求电压从0开始变化，所以初始应使电压表示数为0，所以先将滑片置于左端；②为能在零到额定电压间多次取值，故使电压表的示数在0～2.5V内变化，取10组电压电流值并记录在表格中；(2)由实物图可知，电路连接为滑动变阻器分压连接，电流表外接．[答案](1)①使它靠近变阻器左端的接线柱②增加小灯泡两端的电压，记录电流表和电压表的多组读数，直至电压达到额定电压(2)如图所示．高中电学实验对于电路的设计主要分两大块：(1)测量电路的设计；(2)供电电路的设计.(2011·浙江高考)在“探究导体电阻与其影响因素的定量关系”实验中，为了探究3根材料未知，横截面积均为S＝0.20mm2的金属丝a、b、c的电阻率，采用如图所示的实验电路，M为金属丝c的左端点，O为金属丝a的右端点，P是金属丝上可移动的接触点．在实验过程中，电流表读数始终为I＝1.25A，电压表读数U随OP间距离x的变化如表：x/mm6007008009001000120014001600180020002100220023002400U/V3.954.505.105.906.506.656.826.937.027.157.858.509.059.75(1)绘出电压表读数U随OP间距离x的变化图线；(2)求出金属丝的电阻率ρ，并进行比较．[尝试解答](1)建立U－x坐标系，进行描点、连线，得到图线如图所示：(2)根据欧姆定律R＝UI，又根据电阻定律R＝ρlS，所以ρ＝USIl由(1)中图线可知：从600mm到1000mm为金属丝a，Ua＝(6.5－3.9)V＝2.6Vρa＝2.6×0.20×10－61.25×1000－600×10－3Ω·m＝1.04×10－6Ω·m从1000mm到2000mm为金属丝b，Ub＝(7.1－6.5)V＝0.6Vρb＝0.6×0.20×10－61.25×2000－1000×10－3Ω·m＝9.6×10－8Ω·m从2000mm到2400mm为金属丝c，Uc＝(9.7－7.1)V＝2.6Vρc＝2.6×0.20×10－61.25×2400－2000×10－3Ω·m＝1.04×10－6Ω·m通过计算可知，金属丝a和c电阻率相同，远大于金属丝b的电阻率．[答案](1)见尝试解答(2)ρa＝1.04×10－6Ω·m(0.96×10－6～1.10×10－6Ω·m)ρb＝9.6×10－8Ω·m(8.5×10－8～1.10×10－7Ω·m)ρc＝1.04×10－6Ω·m(0.96×10－6～1.10×10－6Ω·m)金属丝a与c电阻率相同，远大于金属丝b的电阻率．(对应学生用书P148)实验电路设计的思路与方法电路设计也是高考实验题中常考题型之一．首先应明确题目的要求，看清题目要求测定什么物理量，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．任何实验电路都由测量电路和控制电路构成，测量电路又由电表和被测元件构成，而控制电路由变阻器、开关、电源构成．在测量电路中，一般有电流表内接和外接两种方式，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＝RARV，若RxR0，则设计为内接；若RxR0，则设计为外接；若电表量程不合适，往往还要用定值电阻对电表进行改装．在控制电路中，变阻器有分压式、限流式两种接法，若变阻器阻值较小，一般设计为分压式；若变阻器阻值较大，一般设计为限流式，在二者都可行时，应先考虑限流方式，但下面三种情形必须设计为分压式接法：(1)数据要求从0开始；(2)变阻器阻值太小、限流限不住；(3)变阻器调节时，不能获取有区分度的多组数据．(2012·四川)某学习小组的同学拟探究小灯泡L的伏安特性曲线，可供选用的器材如下：小灯泡L，规格“4.0V,0.7A”；电流表A1，量程3A，内阻约为0.1Ω；电流表A2，量程0.6A，内阻r2＝0.2Ω；电压表V，量程3V，内阻rV＝9kΩ；标准电阻R1，阻值1Ω；标准电阻R2，阻值3kΩ；滑动变阻器R，阻值范围0～10Ω；学生电源E，电动势6V，内阻不计；开关S及导线若干．(1)甲同学设计了如图1所示的电路来进行测量，当通过L的电流为0.46A时，电压表的示数如图2所示，此时L的电阻为________Ω.(2)乙同学又设计了如图3所示的电路来进行测量，电压表指针指在最大刻度时，加在L上的电压值是________V.(3)学习小组认为要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线，需要重新设计电路．请你在乙同学的基础上利用所供器材，在图4所示的虚线框内补画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号．[尝试解答](1)由题图知电压表读数为2.30V，通过L的电流为0.46A，由欧姆定律计算得小灯泡L的电阻为5Ω.(2)标准电阻R2＝3kΩ，是电压表内阻的三分之一，电压表两端电压为3V即满偏，故标准电阻R2两端电压为1V，即小灯泡L两端电压为4V.(3)考虑到电流表A1量程太大，远远大于小灯泡的额定电流值，故选择更小量程的电流表A2较好，由于A2表量程小于灯泡的额定电流，故需要将电流表A2进行扩容，故将标准电阻R1与电流表A2并联进行分流扩容．由于电流表和电压表内阻均已知，故扩容后的电流表采用内接法还是外接法均可．[答案](1)5(2)4(3)本题以描绘小灯泡的伏安特性曲线实验为情境，考查电流表和电压表的改装，电流表的内外接法，滑动变阻器的分压式与限流式接法，电表读数，电路设计，误差分析等知识．这些基本方法都是电学实验的基础，而电学实验题的答卷中往往暴露出考生对这些基本实验能力存在严重的欠缺，因此平时在复习过程中要重视基本实验规律的掌握和实验设计有力的培养，务必透彻理解电表的改装的原理与计算方法，滑动变阻器的分压式接法与限流式接法的区别，电流表内、外接法的区别及误差分析，掌握好电表的读数方法．(对应学生用书P149)1．(2011·重庆)在测量小灯泡伏安特性实验中，同学们连接的电路中有四个错误电路，如下图所示．电源内阻不计，导线连接良好．若将滑动变阻器的触头置于左端，闭合S，在向右端滑动触头过程中，会分别出现如下四种现象：a．灯L不亮；电流表示数几乎为零b．灯L亮度增加；电流表示数增大c．灯L开始不亮，后来忽然发光；电流表从示数不为零到线圈烧断d．灯L不亮；电流表从示数增大到线圈烧断与上述a、b、c、d四种现象对应的电路序号为()A．③①②④B．③④②①C．③①④②D．②①④③[解析]图①中现象是总电阻减小，电流表示数增大，和灯泡并联的电阻增大，使得灯泡分得的电压增大，所以灯泡变亮应为b；图②中电流表、电压表和灯泡并联，开始时灯泡不亮，当滑头滑到一定位置时灯泡开始发光，电流表因电流增加得过大而烧坏，应为c；图③中由于电压表内阻太大，电灯不亮，电流表示数几乎为零，应为a；图④中电灯L不亮，在滑片滑动过程中，电流表因电流增加得过大而烧坏，应为d.[答案]A2．(2012·河南许昌)额定电压均为220V的白炽灯L1和L2的U－I特性曲线如下图甲所示，现将和L2完全相同的L3与L1和L2一起按如图乙所示电路接入220V电路中，则下列说法正确的是()A．L2的额定功率为99WB．L2的实际功率为17WC．L3的实际功率比L3的实际功率小17WD．L2的实际功率比L3的实际功率小82W[解析