（江蘇專版）2020版高考物理一輪復習 第七章 實驗七 描繪小燈泡的伏安特性曲線講義（含解析）.doc

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描繪小燈泡的伏安特性曲線 一、實驗?zāi)康? 1．描繪小燈泡的伏安特性曲線。 2．分析伏安特性曲線的變化規(guī)律。 二、實驗器材 小燈泡、電壓表、電流表、滑動變阻器、學生低壓直流電源(或電池組)、開關(guān)、導線若干、坐標紙、鉛筆。 突破點(一)　實驗原理與電路設(shè)計 [例1]　要描繪一個標有“3 V　0.6 W”小燈泡的伏安特性曲線，燈泡兩端的電壓需要由零逐漸增加到3 V，并便于操作。已選用的器材有： 電池組(電動勢4.5 V，內(nèi)阻約1 Ω)； 電流表(量程為0～250 mA，內(nèi)阻約5 Ω)； 電壓表(量程為0～3 V，內(nèi)阻約3 kΩ)； 開關(guān)一個，導線若干。 (1)實驗中所用的滑動變阻器應(yīng)選下列中的________(填儀器前的字母)。 A．滑動變阻器(最大阻值20 Ω，額定電流1 A) B．滑動變阻器(最大阻值1 750 Ω，額定電流0.3 A) (2)實驗的電路圖應(yīng)選用下列的圖________。 (3)根據(jù)你所選擇的電路圖分析，在閉合開關(guān)之前，應(yīng)將滑動變阻器的滑片移到最________(填“左”或“右”)端；閉合開關(guān)，移動滑片，使電表的示數(shù)逐漸________(填“增大”或“減小”)。依次記錄電流及相應(yīng)的電壓。 [答案]　(1)A　(2)B　(3)左　增大 [由題引知要點謹記] 1．考查滑動變阻器的選擇[對應(yīng)第(1)題] 在分壓式接法中，為便于調(diào)節(jié)，滑動變阻器應(yīng)選用阻值小，額定電流較大的。 2．考查滑動變阻器的分壓式與限流式接法的判斷[對應(yīng)第(2)題] (1)兩種接法的適用情形 ①限流式接法適合測量阻值小的電阻。 ②分壓式接法適合測量阻值較大的電阻。 (2)兩種接法的選擇 ①若采用限流式接法不能控制電流滿足實驗要求，即若滑動變阻器阻值調(diào)到最大時，待測電阻上的電流(或電壓)仍超過電流表(或電壓表)的量程，或超過待測電阻的額定電流(或電壓)，則必須選用分壓式接法。 ②若待測電阻的阻值比滑動變阻器總電阻大得多，以致在限流電路中，滑動變阻器的滑片從一端滑到另一端時，待測電阻上的電流或電壓變化范圍不夠大，此時，應(yīng)改用分壓電路。 ③若實驗中要求電壓從零開始調(diào)節(jié)，則必須采用分壓式電路。 ④兩種電路均可使用的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用限流式接法，因為限流式接法電路簡單、耗能低。 3．考查電流表內(nèi)、外接法的選擇[對應(yīng)第(2)題] 根據(jù)Rx<知，應(yīng)該選擇電流表外接法。 4．考查實驗操作[對應(yīng)第(3)題] (1)為保證電表的安全，在閉合開關(guān)時，應(yīng)使電表的示數(shù)為零。 (2)實驗中應(yīng)緩慢移動滑動變阻器的滑片，且使電表的示數(shù)由零逐漸增大。 (3)實驗結(jié)束后，斷開開關(guān)，應(yīng)先拆除電源兩端的導線，以防止電源短路。 [集訓沖關(guān)] 1．(2019無錫四校聯(lián)考)在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，現(xiàn)除了有一個標有“5 V,2.5 W”的小燈泡，導線和開關(guān)外，還有下列器材： A．直流電源(電動勢約為5 V，內(nèi)阻可不計) B．直流電流表(量程0～3 A，內(nèi)阻約為0.1 Ω) C．直流電流表(量程0～600 mA，內(nèi)阻約為5 Ω) D．直流電壓表(量程0～15 V，內(nèi)阻約為15 kΩ) E．直流電壓表(量程0～5 V，內(nèi)阻約為10 kΩ) F．滑動變阻器(最大阻值10 Ω，允許通過的最大電流為2 A) G．滑動變阻器(最大阻值1 kΩ，允許通過的最大電流為0.5 A) (1)實驗要求小燈泡兩端的電壓從零開始變化并能測多組數(shù)據(jù)，實驗中電流表應(yīng)選用______，電壓表應(yīng)選用______，滑動變阻器應(yīng)選用________(均填相應(yīng)器材前的字母)。 (2)請按要求在框線中畫出電路圖，并將圖中所示的器材連成實驗電路。 解析：(1)燈泡的額定電流為I＝＝ A＝0.5 A，故電流表選擇C；燈泡的額定電壓為5 V，故電壓表選擇E；因本實驗采用分壓接法，故滑動變阻器選擇小電阻F。 (2)由題意可知，本實驗要求小燈泡兩端的電壓從零開始變化并能測多組數(shù)據(jù)，故應(yīng)采用分壓接法；電流表內(nèi)阻接近燈泡內(nèi)阻，為了減小電流表內(nèi)阻的影響，電流表采用外接法，電路如圖甲所示： 器材連成實驗電路如圖乙所示。 答案：(1)C　E　F　(2)見解析圖甲　(3)見解析圖乙 2．(2018鹽城期末)為了描繪小燈泡的伏安特性曲線，實驗室可供選擇的器材如下： A．待測小燈泡(2.5 V　400 mA) B．電流表(0～0.6 A　內(nèi)阻約0.5 Ω) C．電壓表(0～3 V　內(nèi)阻約5 kΩ) D．滑動變阻器R1(0～500 Ω　2 A) E．滑動變阻器R2(0～5 Ω　1.5 A) F．滑動變阻器R3(0～50 Ω　1.5 A) G．直流電源E(約3 V　內(nèi)阻不計) H．開關(guān)S，導線若干 請回答以下問題。 (1)待測小燈泡正常工作時消耗電功率是________W。 (2)按圖甲所示，實驗前滑動變阻器的滑片P應(yīng)置于______端(選填“a”或“b”)。 (3)按圖甲所示的電路，電壓表應(yīng)接在________端(選填“cd”或“ce”)；滑動變阻器選用的是________(選填“R1”“R2”或“R3”)。 (4)閉合開關(guān)S，滑動變阻器滑片P從a端向b端移動過程中，發(fā)現(xiàn)電壓表示數(shù)始終大于1.5 V，則電路中出現(xiàn)的故障位置可能是________處(選填“a”“b”“d”或“e”)。 (5)排除故障后，測量出多組數(shù)據(jù)。電壓表的示數(shù)U為橫軸，電流表的示數(shù)I為縱軸，描點作出小燈泡的伏安特性曲線如圖乙所示，分析圖像可知燈絲電阻隨溫度的升高而________(選填“減小”或“增大”)。 解析：(1)小燈泡的額定電壓為2.5 V，額定電流為400 mA，正常工作時消耗電功率P＝UI＝2.50.4 W＝1.0 W。 (2)實驗前小燈泡上的電壓要盡可能的小，滑動變阻器的滑片P應(yīng)置于a端。 (3)正常工作時，小燈泡的電阻約為R＝＝ Ω＝6.25 Ω，遠小于電壓表內(nèi)阻，所以采用電流表外接法，電壓表應(yīng)接在cd之間；為描繪小燈泡的伏安特性曲線，要求進行多次測量，滑動變阻器采用分壓接法，選擇小電阻，即選R2。 (4)實驗中，滑動變阻器滑動觸頭P在ab間移動時，發(fā)現(xiàn)小燈泡兩端的電壓始終大于1.5 V，即滑動變阻器沒有采用分壓式接法。則電路中出現(xiàn)的故障可能是a處斷路，即滑動變阻器變成了限流式接法。 (5)分析圖像可知，電流越大，電阻越大，則可知燈絲電阻隨溫度的升高而增大。 答案：(1)1.0　(2)a　(3)cd　R2　(4)a　(5)增大 3．在做研究小燈泡的伏安特性實驗時，所用器材有：電動勢為6 V的電源，額定電壓為2.5 V 的小燈泡，以及符合實驗要求的滑動變阻器、電表、開關(guān)和導線。要求能測出盡可能多組數(shù)據(jù)，如圖甲是沒有連接完的實物電路。(已連接好的導線有a、b、c、d、e、f六根) (1)請你用筆畫線代替導線，將實物電路連接完整。 (2)閉合開關(guān)，移動滑片P到某處，電壓表的示數(shù)為2.2 V，若要測量小燈泡的額定功率，應(yīng)將滑片P向________端滑動(選填“左”或“右”)。 (3)圖乙中UI圖線是曲線而不是過原點的直線，原因是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 解析：(1)要“描繪小燈泡的伏安特性曲線”，電壓要從0開始連續(xù)可調(diào)，故滑動變阻器要采用分壓接法，由于小燈泡為小電阻，故電流表要采用外接法；因燈泡電壓為2.5 V，故電壓表量程為3 V；實物圖連接如圖所示。 (2)小燈泡的額定電壓為2.5 V，而此時電壓表的示數(shù)為2.2 V，故要增大小燈泡兩端的電壓，則應(yīng)該增大滑片P和左端之間的電阻，故應(yīng)將滑片P向右端滑動。 (3)該曲線的斜率k＝＝R，故斜率大小代表小燈泡電阻的大小，由于電壓越大，燈泡的實際功率越大，即燈絲的溫度越高，電阻越大，即燈絲的電阻隨溫度的升高而增大。 答案：(1)見解析圖　(2)右　(3)燈絲的電阻會隨溫度的升高而增大 突破點(二)　器材選取與數(shù)據(jù)處理 [例2]　有一個小燈泡上有“4 V　2 W”的字樣，現(xiàn)在要用伏安法描繪這個燈泡的IU圖線。現(xiàn)有下列器材供選用： A．電壓表(0～5 V，內(nèi)阻約10 kΩ) B．電壓表(0～15 V，內(nèi)阻約20 kΩ) C．電流表(0～3 A，內(nèi)阻約1 Ω) D．電流表(0～0.6 A，內(nèi)阻約0.4 Ω) E．滑動變阻器(最大阻值10 Ω，額定電流2 A) F．滑動變阻器(最大阻值500 Ω，額定電流1 A) G．學生電源(直流6 V)、開關(guān)、導線若干 (1)實驗中所用電壓表應(yīng)選______，電流表應(yīng)選______，滑動變阻器應(yīng)選________。 (2)在虛線框內(nèi)畫出實驗電路圖。 (3)利用實驗數(shù)據(jù)繪出小燈泡的IU圖線如圖所示，分析圖線說明小燈泡電阻變化的特點：________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。 (4)實驗誤差主要是________表的讀數(shù)與小燈泡的真實值不同，導致被測電阻R測______R真(選填“>”“＝”或“<”)，該誤差屬于________(選填“系統(tǒng)”“偶然”)誤差。 [答案]　(1)A　D　E　(2)如圖所示　(3)隨著燈泡兩端電壓的增大，燈泡的電阻逐漸增大　(4)電流　<　系統(tǒng) [由題引知要點謹記] 1.考查實驗器材的選擇 (1)電壓表的選擇 根據(jù)用電器的額定電壓來選擇。[對應(yīng)第(1)題第1空] (2)電流表的選擇 根據(jù)用電器的額定電流來選擇。[對應(yīng)第(1)題第2空] (3)滑動變阻器的選擇 在分壓式接法中，滑動變阻器選阻值小、額定電流大的。[對應(yīng)第(1)題第3空] 2.考查數(shù)據(jù)處理和識圖能力[對應(yīng)第(3)題] (1)根據(jù)數(shù)據(jù)描出的點，若不在一條直線上，則應(yīng)用平滑的曲線進行連接，不能用直線或折線連接。 (2)應(yīng)使圖線穿過盡可能多的點。 (3)根據(jù)圖線斜率的物理意義去分析判斷。 [集訓沖關(guān)] 4．(2018南通模擬)為描繪一只標有“2.5 V　0.75 W”字樣的小燈泡的伏安特性曲線，實驗室提供了如下實驗器材： 電壓表V(量程為0～3 V，內(nèi)阻約5 kΩ) 電流表A1(量程為0～0.6 A，內(nèi)阻約1 Ω) 電流表A2(量程為0～3 A，內(nèi)阻約10 Ω) 滑動變阻器R1(0～10 Ω) 滑動變阻器R2(0～100 Ω) 干電池兩節(jié)，開關(guān)S及導線若干 (1)為了使測量的準確度較高，調(diào)節(jié)方便，實驗中應(yīng)選用電流表________，滑動變阻器________； (2)在圖甲所示虛線內(nèi)畫出實驗電路圖； (3)連接電路，閉合開關(guān)，移動變阻器滑片P，發(fā)現(xiàn)小燈泡始終不亮，但電壓表有示數(shù)，電流表幾乎不偏轉(zhuǎn)，則故障的原因可能是__________________； (4)排除故障后，正確操作得到多組U、I數(shù)據(jù)，利用Excel軟件描繪出小燈泡的伏安特性曲線如圖乙所示，設(shè)小燈泡正常發(fā)光的電阻為RA，小燈泡發(fā)光較暗時的電阻為RB，根據(jù)圖像可以判斷RA________(選填“大于”“等于”或“小于”)RB。 解析：(1)燈泡額定電流為0.3 A，但如果采用3 A量程誤差過大，因此只能采用0.6 A量程的A1，本實驗中采用滑動變阻器分壓接法，因此應(yīng)采用總阻值較小的滑動變阻器R1。 (2)本實驗中應(yīng)采用滑動變阻器分壓接法，同時電流表應(yīng)采用外接法，如圖所示。 (3)閉合開關(guān)，發(fā)現(xiàn)燈泡不亮，電流表指針幾乎不偏轉(zhuǎn)，說明電路斷路。電壓表有示數(shù)，說明與電壓表并聯(lián)部分斷路，則電路故障的原因可能是燈泡斷路。 (4)IU圖像中圖像的斜率表示電阻的倒數(shù)，則由題圖乙可知，正常發(fā)光時的斜率較小，故說明正常發(fā)光時的電阻大于較暗時的電阻。 答案：(1)A1　R1　(2)見解析圖　(3)小燈泡斷路 (4)大于 5．(2019徐州檢測)描繪“2.8 V,0.8 W”燈泡的IU圖線。下列供選用的器材有： A．電壓表V(0～3 V，內(nèi)阻約6 kΩ)； B．電流表A1(0～3 A，內(nèi)阻約0.1 Ω)； C．電流表A2(0～0.6 A，內(nèi)阻約0.5 Ω)； D．滑動變阻器R1(0～10 Ω，2 A)； E．滑動變阻器R2(0～200 Ω，0.5 A)； F．蓄電池E(電動勢4 V，內(nèi)阻不計)。 (1)電流表選________，滑動變阻器選________(用器材的代號表示)。 (2)現(xiàn)已完成實驗電路部分導線的連接，如圖甲所示。請用筆畫線代替導線完成余下導線的連接。 (3)在圖乙坐標紙上根據(jù)數(shù)據(jù)點繪出IU圖線。 (4)將此燈泡與蓄電池E、滑動變阻器連接，滑動變阻器阻值調(diào)為________Ω時，燈泡正常發(fā)光。 解析：(1)由P＝UI可得，電流為I＝0.29 A，故電流表應(yīng)選C；本實驗中應(yīng)選用分壓式接法，故滑動變阻器應(yīng)選小電阻，故滑動變阻器選D。 (2)由于R＝＝9.8 Ω，則有R2＜RVRA，所以電流表采用外接法，由于要描繪小燈泡的IU圖線，滑動變阻器采用分壓式接法，電路圖如圖1所示。 (3)在坐標紙上用平滑曲線連接各點，繪出IU圖線如圖2所示。 (4)燈泡正常發(fā)光時，電壓為UL＝2.8 V，I＝0.28 A，可得滑動變阻器阻值調(diào)為R＝＝＝ Ω≈4.3 Ω。 答案：(1)C　D　(2)見解析圖1　(3)見解析圖2　(4)4.3 突破點(三)　實驗的改進和創(chuàng)新 [例3]　某同學利用如圖所示電路測量電容器充電時兩極板間的電壓隨時間的變化。實驗中使用的器材為：電池E(內(nèi)阻很小)、開關(guān)S1和S2、電容器C(約100 μF)、電阻R1(約200 kΩ)、電阻R2(1 kΩ)、電壓表V(量程6 V)、秒表、導線若干。 　 (1)按圖甲所示的電路原理將圖乙中實物圖連線。 (2)先閉合開關(guān)S2，再斷開開關(guān)S2，閉合開關(guān)S1，同時按下秒表開始計時。若某時刻電壓表的示數(shù)如圖丙所示，電壓表的讀數(shù)為　　　　V(保留兩位小數(shù))。 (3)該同學每隔10 s記錄一次電壓表的讀數(shù)U，記錄的數(shù)據(jù)如表所示。在給出的坐標紙上繪出Ut圖線，已知只有一個數(shù)據(jù)點誤差較大，該數(shù)據(jù)點對應(yīng)的表中的時間是　　　　s。 時間t/s 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 電壓U/V 2.14 3.45 4.23 4.51 5.00 5.18 　 (4)電路中C、R2和S2構(gòu)成的回路的作用是______________________________________。 [由題引知要點謹記] 2.實驗器材的創(chuàng)新[對應(yīng)第(3)題] (1)本實驗用到了秒表，這在整個高中的物理實驗中都是很少見的；由電學實驗中使用更是第一次在高考中出現(xiàn)。 (2)應(yīng)對措施：掌握秒表及其他讀數(shù)儀器的讀數(shù)規(guī)則，強化讀數(shù)方面的訓練。 3.還可以從以下角度創(chuàng)新 將電壓表改成電壓傳感器直接連接電腦，繪出Ut圖像，可以減少因電表和秒表讀數(shù)及作圖帶來的誤差。 [解析]　(1)根據(jù)電路圖，實物圖連線如圖所示。 　 (2)電壓表的量程為6 V，分度值為0.1 V，所以讀數(shù)為3.60 V。 (3)先描點，然后用圓滑的曲線將所描的點連接起來，如圖所示。 從數(shù)據(jù)中可得出，電壓表示數(shù)變化得越來越慢，而從40 s到50 s之間數(shù)據(jù)變化又突然快了，所以該數(shù)據(jù)對應(yīng)表中的時間為40 s。 (4)電路中C、R2和S2構(gòu)成的回路，先閉合開關(guān)S2，再斷開開關(guān)S2，使電容器上所帶電荷量釋放干凈，不影響實驗。 [答案]　(1)見解析圖　(2)3.60 V　(3)圖像見解析圖　40 s　(4)使每次實驗前電容器兩極板上的電荷相中和 [集訓沖關(guān)] 6．(2019南通一模)在描繪小燈泡的伏安特性曲線實驗中，提供下列器材： A．小燈泡(3 V,0.6 W) B．電壓表(0～3 V，內(nèi)阻約3 kΩ) C．電壓表(0～15 V，內(nèi)阻約15 kΩ) D．電流表(0～250 mA，內(nèi)阻約1 Ω) E．電流表(0～0.6 A，內(nèi)阻約0.4 Ω) F．滑動變阻器(10 Ω，2 A) G．滑動變阻器(1 kΩ，0.5 A) H．電池組(電動勢6 V) I．開關(guān)、導線若干 (1)實驗時電壓表應(yīng)選用________，電流表應(yīng)選用______，滑動變阻器應(yīng)選用________(用序號字母表示)。 (2)請用筆畫線代替導線，將實物電路圖甲連接完整。 (3)實驗中記錄多組電壓表示數(shù)U和電流表示數(shù)I，如下表所示，請在圖乙中畫出IU圖像。 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 (4)如果將這個小燈泡接到電動勢為3 V，內(nèi)阻為5 Ω的電源兩端，小燈泡消耗的功率是__________W(保留兩位有效數(shù)字)。 解析：(1)燈泡額定電壓為3 V，電壓表應(yīng)選擇B；由表中實驗數(shù)據(jù)可知，最大電流為0.205 A，電流表應(yīng)選擇D；為方便實驗操作，滑動變阻器應(yīng)選擇F。 (2)由實驗數(shù)據(jù)可知，最小電流為0.02 A，滑動變阻器應(yīng)采用分壓式接法，由于電壓表內(nèi)阻遠大于燈泡電阻，電流表應(yīng)采用外接法，實物電路圖如圖1所示。 (3)根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)在坐標系內(nèi)描出對應(yīng)點，然后根據(jù)描出的點作出圖像如圖2所示。 (4)在燈泡IU坐標系內(nèi)作出電源的IU圖像如圖2所示，由圖示圖像可知，燈泡兩端電壓：U＝2.08 V，電流：I＝0.185 A，燈泡實際功率：P＝UI＝2.080.185 W≈0.38 W。 答案：(1)B　D　F　(2)見解析圖1　(3)見解析圖2　(4)0.38 7．有一只標識為“2.5 V,0.5 A”的小燈泡，小華想測定其伏安特性曲線，實驗室所供選擇的器材除了導線和開關(guān)外，還有以下一些器材可供選擇： 編號 器材名稱 規(guī)格與參數(shù) A 電源E 電動勢為3.0 V，內(nèi)阻不計 B 電流表A1 量程0～10 mA，內(nèi)阻200 Ω C 電流表A2 量程0～600 mA，內(nèi)阻2 Ω D 電阻箱R 阻值999.99 Ω E 滑動變阻器R1 最大阻值10 Ω F 滑動變阻器R2 最大阻值2 kΩ (1)為了達到實驗?zāi)康男枰M裝一個量程為3.0 V的電壓表，那么電阻箱的阻值應(yīng)調(diào)到________ Ω； (2)為了減小實驗誤差，實驗中滑動變阻器應(yīng)選擇________(選填器材前面的編號)； (3)請幫助小華設(shè)計一個電路，要求使誤差盡量小，并將電路圖畫在圖1虛線框內(nèi)； (4)小華在實驗中用電流表和改裝后的電壓表測得數(shù)據(jù)并記錄在下表中，請根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)在圖2方格紙上作出該小燈泡的伏安特性曲線； 電壓U/V 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 電流I/A 0 0.17 0.30 0.39 0.45 0.49 (5)將一個電動勢為1.5 V，內(nèi)阻為3 Ω的電源直接接在該小燈泡的兩端，則該小燈泡的實際功率為________ W(結(jié)果保留一位有效數(shù)字)。 解析：(1)由題意可知，本實驗應(yīng)采用伏安法測量小燈泡的伏安特性曲線，由表中數(shù)據(jù)可知，電流大小最大約為0.49 A，因此電流表應(yīng)采用A2，故只能采用A1與電阻箱串聯(lián)的方式進行改裝，由串并聯(lián)電路規(guī)律可知，R＝ Ω－200 Ω＝100 Ω； (2)由于本實驗采用滑動變阻器分壓接法，所以只能選用總阻值較小的R1； (3)本實驗應(yīng)采用滑動變阻器分壓接法，由于電流表內(nèi)阻較小，故應(yīng)采用電流表外接法，故原理圖如圖所示； (4)根據(jù)描點法可得出對應(yīng)的伏安特性曲線如圖所示； (5)在燈泡伏安特性曲線中作出電源的伏安特性曲線，兩圖的交點表示燈泡的工作點，由圖可知，電壓U＝0.8 V，電流I＝0.24 A，則功率P＝UI＝0.80.24 W≈0.2 W。 答案：(1)100　(2)E　(3)見解析圖　(4)見解析圖 (5)0.2