物理實驗九 描繪小電珠的伏安特性曲線

《物理實驗九 描繪小電珠的伏安特性曲線》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《物理實驗九 描繪小電珠的伏安特性曲線（103頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、實驗九描繪小電珠的伏安特性曲線 【實驗目的】1.掌握滑動變阻器的使用方法及連接方式。2.掌握伏安特性曲線的描繪方法。3.理解小電珠的伏安特性曲線為什么是曲線?！緦嶒炘怼?.用電流表測出流過小電珠的電流,用電壓表測出小電珠兩端的電壓,測出多組(U,I)值,在I-U坐標系中描出各對應點,用一條平滑的曲線將這些點連起來。2.電流表外接:因為小電珠的電阻較小,如果電流表內接,誤差明顯較大;滑動變阻器采用分壓式,使電壓能從零開始連續(xù)變化?！緦嶒炂鞑摹啃‰娭?3.8 V,0.3 A)或(2.5 V,0.6 A)一個、電壓表(03 V15 V)與電流表(00.6 A3 A)各一個、滑動變阻器(最大阻值20

2、 )一個、學生低壓直流電源(或電池組)、開關一個、導線若干、坐標紙、鉛筆?！緦嶒炦^程】1.電路連接:確定電流表、電壓表的量程,采用電流表外接法,滑動變阻器采用分壓式接法,按圖中的原理圖連接好實驗電路。2.開關閉合:把滑動變阻器的滑片調節(jié)到圖中最左端,接線經檢查無誤后,閉合開關S。3.數(shù)據(jù)測量:移動滑動變阻器滑片位置,測出12組左右不同的電壓值U和電流值I,并將測量數(shù)據(jù)填入表格中,斷開開關S?！緮?shù)據(jù)處理】1.在坐標紙上以U為橫軸,以I為縱軸,建立坐標系。2.在坐標紙上描出各組數(shù)據(jù)所對應的點(坐標系縱軸和橫軸的標度要適中,以使所描圖線充分占據(jù)整個坐標紙為宜)。3.將描出的點用平滑的曲線連接起來,就

3、得到小電珠的伏安特性曲線?！菊`差分析】1.系統(tǒng)誤差:由于采用的是電流表外接法,電流表的測量值大于小電珠電流的真實值。2.偶然誤差:(1)電壓表、電流表讀數(shù)時存在誤差。(2)在坐標紙上描點、作圖時存在誤差?！咀⒁馐马棥?.電路的調節(jié):閉合開關S前,滑動變阻器的滑片應移到使小電珠分得電壓為零的一端,使開關閉合時小電珠的電壓從零開始變化,同時也是為了防止開關剛閉合時因小電珠兩端電壓過大而燒壞小電珠。2.圖象的畫法:(1)建立坐標系時,縱軸表示電流,橫軸表示電壓,兩坐標軸選取的標度要合理。(2)I-U圖線在U=1.0 V左右時將發(fā)生明顯彎曲,故在U=1.0 V左右繪點要密,以防出現(xiàn)較大誤差。(3)誤差

4、較大的點要舍去,I-U圖線應是平滑曲線而非折線。3.實驗操作:當小電珠的電壓接近額定值時要緩慢增加,到額定值記錄I后馬上斷開開關。熱點一實驗原理的理解和器材的選取【典例1】小華和小明在“描繪小燈泡伏安特性曲線”的實驗中,將實驗數(shù)據(jù)記錄在表格中:導學號04450184電電壓壓U/VU/V0.00.00 00.20.20 00.40.40 00.70.70 01.01.00 01.31.30 01.71.70 02.12.10 02.52.50 0電電流流I/AI/A0.00.00 00.10.14 40.20.24 40.20.26 60.30.37 70.40.40 00.40.43 30.4

5、0.45 50.40.46 6(1)實驗室有兩種滑動變阻器供選擇:A.滑動變阻器(阻值范圍010 、額定電流3 A)B.滑動變阻器(阻值范圍02 000 、額定電流1 A)實驗中選擇的滑動變阻器是。(填寫字母序號) (2)在圖甲中用筆畫線代替導線,將實驗電路連接完整。(3)開關閉合前,滑動變阻器的滑片應滑至(選填“左”或“右”)端。 (4)利用表中數(shù)據(jù),在圖乙中畫出小燈泡的U-I圖象。(5)他們在U-I圖象上找到小燈泡工作電壓為2.0 V時坐標點,計算此狀態(tài)的電阻值時,小明提出用圖象上該點曲線斜率表示小燈泡的阻值;小華提出該點與坐標原點連線的斜率表示小燈泡的阻值。你認為(選填“小華”或“小明”

6、)的方法正確。 【規(guī)范解答】(1)由于燈泡的電阻大約在幾歐左右,為了便于測量,滑動變阻器選擇010 的。(2)由于燈泡的電壓和電流從零開始測起,則滑動變阻器采用分壓式接法;電流表采用外接法。實物連線圖如圖所示。(3)為了保護測量電路,開關閉合前,滑動變阻器的滑片應滑至最左端。(4)小燈泡的U-I圖象如圖所示。(5)根據(jù)歐姆定律知R= 電阻的大小為該點與坐標原點連線的斜率,故小華的方法正確。答案:(1)A(2)見規(guī)范解答圖(3)左(4)見規(guī)范解答圖(5)小華UI，【強化訓練】1.某實驗小組的同學在學校實驗室中發(fā)現(xiàn)一電學元件,該電學元件上標有“最大電流不超過6 mA,最大電壓不超過7 V”,同學們

7、想通過實驗描繪出該電學元件的伏安特性曲線,他們設計的一部分電路如圖所示,圖中定值電阻R=1 k,用于限流;電流表量程為10 mA,內阻約為5 ;電壓表(未畫出)量程為10 V,內阻約為10 k;電源電動勢E為12 V,內阻不計。(1)實驗時有兩個滑動變阻器可供選擇:A.阻值0200 ,額定電流0.3 AB.阻值020 ,額定電流0.5 A應選的滑動變阻器是(選填“A”或“B”)。 正確接線后,測得數(shù)據(jù)如表所示:1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010U/VU/V0.00.00 03.03.00 06.06.00 06.16.16 66.26.28 86.36.32 26.

8、36.36 66.36.38 86.36.39 96.46.40 0I/mAI/mA0.00.00 00.00.00 00.00.00 00.00.06 60.50.50 01.01.00 02.02.00 03.03.00 04.04.00 05.55.50 0(2)由以上數(shù)據(jù)分析可知,電壓表應并聯(lián)在M與(選填“O”或“P”)之間。 (3)將電路圖在虛線框中補充完整:(4)從表中數(shù)據(jù)可知,該電學元件的電阻的特點是: _?！窘馕觥?1)滑動變阻器A允許的最大電壓為0.3200 V=60 V12 V,滑動變阻器B兩端所能加的最大電壓為0.520 V=10 V12 V,為保證安全,滑動變阻器應選A

9、。(2)由表中實驗數(shù)據(jù)可知,電學元件電阻最小測量值約為R= 1 163.6 ,電流表內阻約為5 ,電壓表內阻約為10 k,相對來說,元件電阻遠大于電流表內阻,電流表應采用內接法,因此電壓表應并聯(lián)在M與P之間。6.400.005 5(3)由表中實驗數(shù)據(jù)可知,電壓與電流從零開始變化,滑動變阻器應采用分壓接法,由(2)可知,電流表采用內接法,實驗電路圖如圖所示:(4)由表中實驗數(shù)據(jù)可知,當元件兩端的電壓小于6 V時,電路電流很小,幾乎為零,由歐姆定律可知,元件電阻非常大,不導電;當元件兩端電壓大于6 V時,隨著電壓的升高電流迅速增大,電壓與電流的比值減小,電阻變小。答案:(1)A(2)P(3)見解析

10、圖(4)當元件兩端的電壓小于6 V時,元件電阻非常大,不導電;當元件兩端電壓大于6 V時,隨著電壓的升高而電阻變小2.某同學通過實驗研究LED燈的伏安特性曲線,可用的器材如下:電源(內阻不計)、滑動變阻器、電流表、電壓表、不同規(guī)格的LED燈兩組、開關、導線。(1)該同學將燈L1連接成如圖甲所示的實驗電路,開關閉合前,滑動變阻器的滑片位置應置于最(選填“左”或“右”)端。各元件檢查正常,閉合開關后,移動滑動變阻器滑片,發(fā)現(xiàn)電壓表有示數(shù),而電流表始終無示數(shù),且燈L1不亮,則一定斷路的導線是。 (2)更換導線后,移動滑動變阻器滑片,得到燈L1的I-U圖象如圖乙中的圖線,則可知燈L1的電阻隨電壓增大而

11、(選填“變大”“變小”或“不變”)。 (3)換燈L2重做實驗,得到其I-U圖象如圖乙中的圖線。將滑動變阻器的滑片移到合適位置固定,同時撤去導線2,接燈L2時電流表的讀數(shù)為0.16 A,接燈L1時電流表的讀數(shù)為0.14 A,燈被短路時,電流表的讀數(shù)應為 A。(結果保留兩位有效數(shù)字) 【解析】(1)該同學將燈L1連接成如題圖甲所示的實驗電路,由圖可知該電路為分壓式電路,所以開關閉合前,滑動變阻器的滑片應置于最左端,使開始時LED燈兩端的電壓最小。各元件檢查正常,閉合開關后,移動滑動變阻器滑片,發(fā)現(xiàn)電壓表有示數(shù),說明電壓表的支路沒有問題;而電流表始終無示數(shù),且燈L1不亮,則只有LED燈的支路存在問題

12、,所以一定斷路的導線是6。(2)在題圖乙I-U圖象中,各個點與坐標原點的連線的斜率表示電阻的倒數(shù),由圖可知,隨電壓增大,各點與坐標原點的連線的斜率增大,所以可知燈L1的電阻值減小。(3)由題圖乙可以讀出,接燈L2時電流表的讀數(shù)為0.16 A,此時的電壓為U2=0.8 V;接燈L1時電流表的讀數(shù)為0.14 A,此時的電壓為U1=1.1 V;設電源的電動勢為E,滑動變阻器阻值為R,由閉合電路歐姆定律得E=U1+I1R,E=U2+I2R,聯(lián)立解得E=3.2 V,R=15 。所以當燈被短路時,電流表的讀數(shù)I= =0.213 A0.21 A。E3.2 AR15答案:(1)左6(2)變小(3)0.21【反

13、思歸納】選擇電學實驗儀器要遵循安全性原則(不使電學元件受損)和準確性原則(盡量減小誤差)。比如選擇電表時,首先保證流過電流表的電流和加在電壓表上的電壓均不超過使用量程,然后再合理選擇量程使指針有較大偏轉(要達到滿偏的1/3),以盡量減小測量的相對誤差。而一些實驗壓軸題的難點往往就放在對安全性原則和準確性原則的理解上。熱點二實驗電路的選取和實驗數(shù)據(jù)的處理【典例2】(2017全國卷)某同學研究小燈泡的伏安特性,所使用的器材有:小燈泡L(額定電壓3.8 V,額定電流0.32 A);電壓表 (量程3 V,內阻3 k);電流表(量程0.5 A,內阻0.5 );固定電阻R0(阻值1 000 );滑動變阻器

14、R(阻值09.0 );電源E(電動勢5 V,內阻不計);開關S;導線若干。 導學號04450185(1)實驗要求能夠實現(xiàn)在03.8 V的范圍內對小燈泡的電壓進行測量,畫出實驗電路原理圖。(2)實驗測得該小燈泡伏安特性曲線如圖甲所示。由實驗曲線可知,隨著電流的增加小燈泡的電阻(選填“增大”“不變”或“減小”),燈絲的電阻率(選填“增大”“不變”或“減小”)。 (3)用另一電源E0(電動勢4 V,內阻1.00 )和題給器材連接成圖乙所示的電路,調節(jié)滑動變阻器R的阻值,可以改變小燈泡的實際功率。閉合開關S,在R的變化范圍內,小燈泡的最小功率為W,最大功率為W。(結果均保留2位小數(shù)) 【規(guī)范解答】(1

15、)由于電壓表量程是0 3 VUL=3.8 V,故用定值電阻R0與電壓表串聯(lián),擴大其量程。電源內阻不計,滑動變阻器總阻值較小,小燈泡上的電壓應從零開始調節(jié),故實驗電路采用外接法分壓式電路,如圖所示。(2)小燈泡伏安特性曲線上的某一點與原點連線的斜率的物理意義是 隨著電流的增加,小燈泡的電阻增大,由電阻定律知燈絲的電阻率增大。L1R，(3)當滑動變阻器阻值R1=9 時,小燈泡上電壓隨電流變化的關系為:U1= E0-I1(r+R1),即:U1 = 4-10I1;在圖甲小燈泡伏安特性曲線上作出關系式表示的直線(如圖)。直線與曲線交點坐標為(1.75 V,225 mA),故小燈泡的最小功率為P1 = I

16、1U1 =0.2251.75 W= 0.39 W; 當滑動變阻器阻值R2=0時,燈泡消耗的功率最大,有U2=E0-I2r,即:U2=4-I2,直線與曲線交點坐標為(3.67 V,320 mA),如圖所示。小燈泡的最大功率為P2=I2U2=0.323.67 W = 1.17 W。答案:(1)見規(guī)范解答(2)增大增大(3)0.391.17【強化訓練】1.要測繪一個標有“3 V0.6 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(電動勢為4.5 V,內阻約1 );電流表(量程為0250 mA,內阻約5 );電壓表(量程為03 V,內阻約3 k

17、);開關一個、導線若干。(1)實驗中所用的滑動變阻器應選下列中的(填字母代號)。 A.滑動變阻器(最大阻值20 ,額定電流1 A)B.滑動變阻器(最大阻值1 750 ,額定電流0.3 A)(2)實驗的電路圖應選用下列的圖(填字母代號)。 (3)實驗得到小燈泡的伏安特性曲線如圖所示。如果將這個小燈泡接到電動勢為1.5 V、內阻為5 的電源兩端,小燈泡消耗的功率是 W。 【解析】(1)因實驗要求燈泡兩端的電壓由零逐漸增加到3 V,所以滑動變阻器應用分壓式接法,應選最大電阻較小的變阻器A。(2)因小燈泡電阻為R= 所以 故電流表應用外接法,而滑動變阻器用分壓式,故電路圖應選B。2U915P0.6VA

18、RRRR，(3)電源與小燈泡直接串聯(lián),那么路端電壓等于小燈泡兩端的電壓,畫出內阻為5 ,電動勢為1.5 V的電源的路端電壓與干路電流的關系圖線,它與小燈泡的伏安特性曲線的交點表示小燈泡與該電源直接串聯(lián)(因為電源兩端的電壓及通過電源的電流與小燈泡兩端的電壓及通過小燈泡的電流相等),如圖所示,根據(jù)交點坐標(1.0 V,0.1 A)可以計算出小燈泡消耗的功率為P=UI=10.1 W=0.1 W。答案:(1)A(2)B(3)0.12.太空探測器在探索宇宙過程中,由太陽能電池板給它提供能源。光明中學物理實驗室有一塊太陽能電池板,當有光照射它時(作為電源),其路端電壓與總電流的關系圖象如圖甲中的曲線所示;

19、若沒有光照射它時,相當于一個只有電阻的電學器件,無電動勢。物理實驗探究小組用“描繪小燈泡伏安特性曲線”的實驗方法,探究該太陽能電池板在沒有光照射時的伏安特性曲線,利用電壓表(內阻約3 k)、電流表(內阻約100 )測得的多組數(shù)據(jù)作出的圖象如圖甲中曲線所示。(1)分析曲線可知,該電池板作為電阻器件時的阻值隨通過電流的增大而(選填“增大”或“減小”),若所設計的電路如圖乙所示,實驗時應將圖乙中電壓表另一端a接在(選填“b”或“c”)點。 (2)圖乙電路中a端接好后還少接了一根導線,請在圖乙中畫出。(3)分析曲線可知,該電池板作為電源時的電動勢約為 V,若把它與阻值為1 k的定值電阻連接構成一個閉合

20、電路,在有光照射的情況下,該太陽能電池板的效率約為%(計算結果保留兩位有效數(shù)字)。 【解析】(1)由圖線可知,無光照時太陽能電池板作為電阻器件時的阻值隨通過電流的增大而減小,且其阻值遠大于電流表內阻,所以采用電流表內接法,即a端接b點。(2)描繪伏安特性曲線要求電壓從零開始調節(jié),即滑動變阻器要采用分壓式接法,故應該將滑動變阻器右端與電源正極用導線相連,如圖(a)所示。(3)太陽能電池板的電動勢由圖線與縱軸的交點直接讀出,即2.80 V;在圖甲中作1 k電阻的伏安特性曲線,如圖(b)所示,圖線與圖線的交點即電路的工作點,其坐標為(1.80,1.80),電池板的效率= 100%=答案:(1)減小b

21、(2)見解析圖(a)(3)2.8064PP出總IUU1.80100%100%100% 64%IEE2.80?！痉此細w納】1.電路的選取重點表現(xiàn)在兩個方面:一是電流表的內接還是外接;二是滑動變阻器是限流使用還是分壓使用。2.判斷電流表的內接還是外接有兩種方法:一是比值法;二是試觸法。3.滑動變阻器是限流使用還是分壓使用首先要看實驗要求,有沒有明顯的語言暗示,若存在以下語言暗示,滑動變阻器要并聯(lián)分壓使用:要求電壓或電流從零開始變化;要求多測量幾組數(shù)據(jù);要求電壓或電流變化范圍足夠大;雖沒有文字暗示,但在表格中給出了一系列的數(shù)據(jù),應依據(jù)數(shù)據(jù)中電壓(或電流)的變化范圍特點來判斷,如果電壓變化范圍大,則滑

22、動變阻器應并聯(lián)分壓使用。熱點三實驗拓展與創(chuàng)新【典例3】二極管是電子線路中常用的電子元件。它的電路符號如圖1甲所示,正常使用時,“+”極一端接高電勢,“-”極一端接低電勢。要描繪某二極管在08 V間的伏安特性曲線,另提供有下列的實驗器材:電源E(電動勢為8 V,內阻不計):多用電表電壓擋有五個量程,分別為2.5 V、10 V、50 V、250 V、500 V,可視為理想電壓表;開關一個;滑動變阻器一個; 表一塊;導線若干。導學號04450186(1)在圖1的方框內畫出測定二極管伏安特性曲線的電路原理圖,多用電表在電路圖中用 表示,并注明多用電表電壓擋所選量程。(2)利用多用電表電壓擋測量正常使用

23、中的二極管兩端的電壓時,電流從(選填“紅”或“黑”)表筆流入電表。 (3)某同學通過實驗得出了圖2所示的伏安特性曲線圖。接著,他又用該二極管、電源E和另一只固定電阻R等組成圖3所示的電路,當閉合開關后,用多用電表的電壓擋測得R兩端的電壓為0.8 V,由此可以判斷固定電阻R的阻值大約為 。 【創(chuàng)新方向分析】(1)源于教材本例所用實驗電路及研究方法與教材實驗相似。(2)高于教材本例描繪的實驗元件不是小電珠,而是二極管;本例不是描繪伏安特性曲線而是反向伏安特性曲線?！疽?guī)范解答】(1)由題意可知電流正向通過二極管時,二極管的電阻較小,故 表應外接,由于要描繪二極管在08 V間的伏安特性曲線,故滑動變阻

24、器應采用分壓式接法,電源電動勢為8 V,故多用電表的電壓擋選10 V量程。電路圖如圖所示。(2)利用多用電表電壓擋測量正常使用中的二極管兩端的電壓時,電流從紅表筆流入多用電表。(3)由閉合電路歐姆定律可知二極管兩端的電壓為7.2 V,據(jù)伏安特性曲線圖可知二極管兩端的電壓為7.2 V時對應的電流是10 mA,故電阻R的阻值大約為80 。答案:(1)見規(guī)范解答圖(2)紅(3)80【強化訓練】1.(2018日照模擬)在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中,所用小燈泡標有“3.8 V,0.3 A”字樣,并提供有以下器材:A.電壓表V(05 V,內阻約5 k)B.電流表A1(050 mA,內阻約2 )C

25、.電流表A2(0500 mA,內阻約1 )D.滑動變阻器R1(010 )E.滑動變阻器R2(02 k)F.直流電源E(電動勢4.5 V,內阻不計)G.開關S及導線若干(1)為了提高測量的準確度和調節(jié)方便:實驗中應選用電流表,滑動變阻器。(填寫器材代號) 請在虛線框內畫出實驗電路圖。(2)由正確實驗操作得到的數(shù)據(jù)描繪出小燈泡的伏安特性曲線如圖甲所示。在另一實驗中將此小燈泡接入如圖乙所示的電路中,電路中電源電壓U(U3.8 V)恒定,在t=t0時刻閉合開關S。由電流傳感器記錄的電流隨時間變化的圖象(i-t)可能是圖中的(選填“A”“B”或“C”)圖。 【解析】(1)小燈泡的額定電流是0.3 A,所

26、以電流表應該選擇C;本實驗滑動變阻器采用分壓接法,所以滑動變阻器應該選擇總阻值較小的,選D?；瑒幼冏杵饔梅謮航臃?小燈泡電阻很小,電流表應該用外接法。(2)閉合開關之后才有電流,小燈泡燈絲的電阻隨著溫度的升高而增大,所以電流會變小,選項C正確。答案:(1)CD如圖所示(2)C2.(2018濟南模擬)發(fā)光二極管在生產和生活中得到了廣泛的應用,如圖所示是一種發(fā)光二極管的實物圖,正常使用時,帶“+”號的一端接高電勢,帶“-”號的一端接低電勢,某同學想描繪它的伏安特性曲線,實驗測得它兩端的電壓U和通過它的電流I,所得數(shù)據(jù)如表所示。U/VU/V0 00.40.40 00.80.80 01.21.20 0

27、1.61.60 02.02.00 02.42.40 02.82.80 0I/mI/mA A0 00.90.9 2.32.3 4.34.3 6.86.812.12.0 019.19.0 030.30.0 0(1)實驗室提供的器材如下:A.電壓表(量程03 V,內阻約10 k)B.電壓表(量程015 V,內阻約25 k)C.電流表(量程050 mA,內阻約50 )D.電流表(量程00.6 mA,內阻約1 )E.滑動變阻器(阻值范圍010 ,允許最大電流 3 A)F.電源(電動勢6 V,內阻不計)G.開關,導線若干該同學做實驗時,電壓表選用的是,電流表選用的是。(填選項字母) (2)請在圖甲中以筆畫

28、線代替導線,按實驗要求將實物圖中的連線補充完整。(3)在實驗過程中,開關S閉合前,滑動變阻器的滑片應置于最(選填“左”或“右”)端。 (4)根據(jù)表中數(shù)據(jù),在圖乙所示的坐標紙中畫出該發(fā)光二極管的I-U圖線。(5)由I-U圖線可知:二極管的電阻值隨工作電壓的增大而(選填“不變”“增大”或“減小”)。 (6)若此發(fā)光二極管的最佳工作電流為10 mA,現(xiàn)將此發(fā)光二極管與電動勢為3 V、內阻不計的電池組相連,還需串聯(lián)一個阻值R= 的電阻,才能使它工作在最佳狀態(tài)。(結果保留三位有效數(shù)字) 【解析】(1)根據(jù)實驗測得它兩端的電壓U和通過它的電流I的數(shù)據(jù)范圍可知:電壓變化的最大值為2.8 V,所以電壓表選A;

29、電流變化的最大值為30 mA,所以電流表選C。(2)電壓、電流要從0測起,所以滑動變阻器應該用分壓式;二極管的電阻更接近電流表的內阻。電流表應該用外接法。實物圖的連接如圖所示。(3)根據(jù)題意可知當開關S閉合前,應使被測電路兩端電壓最小,即滑動變阻器的滑片應置于最左端。(4)根據(jù)表中數(shù)據(jù),在坐標紙上描出各點,用平滑的曲線連接起來。如圖所示。(5)圖線各點與原點連線的斜率表示電阻的倒數(shù),故隨電壓的增大,電阻減小。(6)根據(jù)I-U圖線,可知當二極管的工作電壓為1.9 V時,工作電流約為10 mA,串聯(lián)電阻上分得的電壓應為1.1 V,故應串聯(lián)的電阻為R=110 。答案:(1)AC(2)見解析圖(3)左(4)見解析圖(5)減小(6)110