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南方新课堂2014届高考物理一轮课件:实验八:描绘小电珠的伏安特性曲线


实验八:描绘小电珠的伏安特性曲线

一、伏安法测电阻

1.伏安法测电阻的两种电路形式比较
接法 电路图 误差原因 电流表分压,U测=Ux+UA 电压表分流,I测=Ix+IV 内接法 外接法

续表
接法 电阻 测量值 内接法 外接法
RVRx R 测= <Rx RV+Rx 测量值小于真实



R测=Rx+RA>Rx
测量值大于真实值

适用条件

RA?Rx,Rx 为大电阻; Rx > RA RV

RV?Rx,Rx 为小电阻; Rx< RARV

2.两种控制电路 (1)两种控制电路比较.

控制方式

限流式

分压式

电路组成

电压调节 范围

RL E≤UL≤E RL+R0

0≤UL≤E

续表 控制方式 电流调节范围 闭合开关前触 头应处位置 比较 限流式
E E ≤I ≤ RL+R0 L RL

分压式
E 0≤IL≤R L

b端
①分压电路调节范围较大
②限流电路能耗较小

a端

(2)两种控制电路的选择. ①下列三种情况必须选用分压式接法. a.要求回路中某部分电路的电流或电压实现从零开始可连

续调节时(如测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路).
b.当用电器的电阻 RL 远大于滑动变阻器的最大值 R0,且 实验要求的电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时(因为若 用限流法,RL 两端电压变化不明显). c.若采用限流接法,电路中实际电压(或电流)的最小值仍 超过 RL 的额定值时,只能采用分压接法.

②下列情况可选用限流式接法. a.测量时电路的电流或电压没有要求从零开始连续调节, 只是小范围内测量,且 RL 与 R0 接近或 RL 略小于 R0,采用限流 式接法. b.电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小,不能满

足分压式接法的要求时,采用限流式接法.
c.没有很高的要求,仅从安全性和精确性角度分析两者均 可采用时,可考虑安装简便和节能因素,采用限流式接法.

3.器材的选择

(1)选择原则.
①安全原则:不超过各仪表、元件允许的最大电流.

1 ②准确原则:减少误差.各电表示数不少于量程的3;测多
组数据,要求电表示数在大范围内可调;选内阻较大的电压表、 内阻较小的电流表. ③能耗少的原则:变阻器通常选限流接法,选择最大阻值 与待测电阻的阻值比较接近且稍大一些的.变阻器分压接法时,

选阻值较小而额定电流较大的.

(2)选择步骤. ①估算电流和电压的最大值,确定实验器材中的电压表和 电流表. ②根据待测电阻的大约值确定滑动变阻器,选择最大值与 待测电阻差不多的滑动变阻器. ③根据待测电阻的阻值大小确定安培表的内外接,根据实 验要求确定滑动变阻器的接法,画出实验电路图. 4.实物连线:从电源的正极出发,将串联部分电路连接好, 注意电表的量程问题,最后连上电压表.连线后需要检查电表 的正负极,检查电流是否从正极流入,从负极流出.连线一律

连在接线柱上,不交叉.

【跟踪训练】

1.用伏安法测量某一电阻 Rx 的阻值,现有实验器材如下:
A.待测电阻 Rx (阻值约 5 Ω,额定功率为 1 W) B.电流表 A1 (量程 0~0.6 A,内阻为 0.2 Ω) C.电流表 A2 (量程 0~3 A,内阻为 0.05 Ω)

D.电压表 V1 (量程 0~3 V,内阻为 3 kΩ)
E.电压表 V2 (量程 0~15 V,内阻为 15 kΩ) F.滑动变阻器 R0 (0~50 Ω) G.蓄电池(电动势为 6 V)、开关、导线

(1)为了较准确测量 Rx 阻值,电流表、电压表应选______

(填器材前面的选项字母).
(2)在下面的虚线框内画出实验电路图.

解析:待测电阻 Rx 的额定电压、额定电流的值约为

U= PR= 1×5 V=2.2 V I= P R= 1 5A=0.45 A

则电流表应选 A1,电压表应选 V1.

又 RARV= 0.2×3000 Ω=24.5 Ω>Rx,则电流表须外接. 因为滑动变阻器的总阻值大于被测电阻 Rx,故首先考虑滑 动变阻器的限流接法, 若用限流接法, 则被 E 测电阻 Rx 上的最小电流为 Imin = = Rx+R 6 A=0.11 A<I 额, 故可用限流电路. 电 5+50 路如图 25 所示.
答案:(1)B、D (2)如图 25 所示.

图 25

2.有一只电阻 Rx,其阻值大约在 40~50 Ω之间,需要进 一步测定其阻值.现有的器材有: ①电池组 E (电动势 9 V,内阻约为 0.5 Ω) ②伏特表 V (量程 0~10 V,内阻约 20 kΩ) ③毫安表 A1 (量程 0~50 mA,内阻约 20 Ω) ④毫安表 A2 (量程 0~300 mA,内阻约 4 Ω)

⑤滑动变阻器 R1 (0~100 Ω,额定电流 1 A)
⑥滑动变阻器 R2 (0~1700 Ω,额定电流 0.3 A)

⑦电键一只,导线若干

有两种可供选择的电路如图 S8-1 甲、乙所示.实验中要 求多测几组电流、电压值.

图 S8-1

为了实验能正常进行并减小系统误差,而且要求滑动变阻 甲 器要便于调节,在实验中应选图______所示的电路,应选代号 A2 R1 为______的毫安表和代号为______的滑动变阻器.该实验的系 电压表分流 统误差主要是由____________引起的,这个因素总是使实验的 小 测量值比真实值偏______.

二、描绘小电珠(小灯泡)的伏安特性曲线 1.实验目的:通过实验来描绘小灯泡的伏安特性曲线,并 分析曲线的变化规律. 2.实验原理:金属物质的电阻率随温度升高而增大,从而 使得一段金属导体的电阻随温度变化而发生相应的变化.对一

只灯泡来说,不正常发光和正常发光时灯丝的电阻值可以相差
几倍到几十倍.它的伏安特性曲线并不是一条直线,即灯丝的 电阻是非线性的.本实验通过描绘伏安特性曲线的方法来研究 钨丝灯泡在某一电压变化范围内,其阻值的变化,从而了解它 的导电特性.

3.实验器材:小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、电

源、开关、导线、坐标纸.
4.实验步骤 (1)按电路图连接好电路.实验电路图如图 S8-2 所示;实

物接线图如图 S8-3 所示.

图 S8-2

图 S8-3

(2)检查无误后,将滑片调节至最左边附近、闭合电键,读 出一组 U、I 值,记录于表格. (3)再调节滑动变阻器的滑片到不同位置,读出十组不同的

U、I 值,记录于表格.
(4)断开电键,整理好器材.

(5)在坐标纸上以 I 为横轴,以 U 为纵轴,并选取适当的单
位. (6)用描点法在坐标纸上标出各组 U、I 值的对应点位置. (7)用平滑曲线将各点依次连接起来.

(8)分析小灯泡伏安特性曲线的变化规律.记录表格: 次数 n 电压 U 电流 I 5.实验注意事项 对“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验,应明确以下几点:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

U (1)对一纯电阻用电器,有 I= R .因此,当 R 为定值时,I-U
图线应为一条过原点的直线.但由于小灯泡的灯丝在其两端

电压由零增至额定电压的过程中,灯丝温度由室温升高到近 2000 ℃,灯丝电阻率有明显增大,故小灯泡的伏安特性曲线应 为曲线. (2)实验用的小灯泡通常为“3.8 V 0.3 A”一类小电珠,其

在白炽状态下电阻很小,在室温下电阻更小,为减小实验误差, 测量电路应采用电流表外接法. (3)为使小灯泡上的电压能从零开始连续变化,滑动变阻器 应采用分压式连接.

【跟踪训练】 3.(2013 年湛江模拟)某同学在做“描绘小灯泡的伏安特性

曲线”实验时,误将电流表和电压表接成如图 S8-4 所示的电
路,其他部分连接正确,接通电源后,小灯泡的发光情况是 不亮 _______.若本实验给定电压表(内阻约为 5 kΩ)、电流表(内阻 约为4 Ω)、滑动变阻器、电源、开关、小灯泡(额定电压3.8 V) 及导线若干,要求小灯泡的电压从零开始增大,实验应选择图 乙 S8-5 中的电路图是________.该同学描出的伏安特性曲线如 图 S8-6 所示,从图中可知小灯泡的阻值随小灯泡两端的电压 逐渐增大(或增大) 的增大而________________,当给小电灯泡加额定电压3.8 V 时,

11.9 Ω 其电阻为________(结果保留三位有效数字).

S8-4

S8-5

S8-6

4.某学习小组要描绘一只小电珠(2.5 V

0.5 A) 的伏安特

性曲线,所供选择的器材除了导线和开关外,还有以下一些器 材可供选择: A.电源 E (电动势为 3.0 V,内阻不计) B.电压表 V1 (量程为 0~3.0 V,内阻约为 2 kΩ)

C.电压表 V2 (量程为 0~15.0 V,内阻约为 6 kΩ)
D.电流表 A1 (量程为 0~0.6 A,内阻约为 1 Ω)

E.电流表 A2 (量程为 0~100 mA,内阻约为 2 Ω)
F.滑动变阻器 R1 (最大阻值 10 Ω) G.滑动变阻器 R2 (最大阻值 2 kΩ)

(1)为了减小实验误差,实验中电压表应选择____,电流表应

选择_____,滑动变阻器应选择_____.(填器材前面的选项字母)
(2)为提高实验精度,请你为该学习小组设计电路图,并画 在虚线框中.

(3)下表中的各组数据是此学习小组在实验中测得的,根据 表格中的数据在方格纸上作出该电珠的伏安特性曲线.

U/V I/A

0 0

0.5 0.17

1 0.30

1.5 0.39

2 0.45

2.5 0.49

图 S8-7 (4)如果用一个电动势为 1.5 V、内阻为 3 Ω的电源与该小电 珠组成电路,则该小电珠的实际功率为______________(结果保 留两位有效数字).

解析:因为电压要求范围宽,滑动变阻器选用分压式接法;
电压表、电流表选择时,在保证安全的前提下,选用小量程电

表;由于 R< RARV,用外接法;计算实际功率时应画电源的

I-U 图线与小电珠的伏安特性曲线相交. 答案:(1)B D F
(2)如图 26 所示.

图 26 (3)如图 27 所示.
(4)0.19 W(0.18~0.20 W 均可)

图 27

题型 1 伏安法测电阻的综合运用
【例 1】伏安法测电阻时,使用的电源电压是 3 V,电压表

有 0~3 V 和 0~15 V 两个量程,电流表有 0~0.6 A 和 0~3 A
两个量程,估计待测电阻的阻值约为 10 Ω.则电压表应选择量程 ____________,电流表应选择量程__________. (1)此实验的原理是______________________. (2)在虚线框内画出实验电路图,并把图 S8-8 的实物对应 连接起来.

图 S8-8

(3)实验中应测量的物理量是____________和__________, 分别用__________和________测量.

(4)连接电路时,开关应______,闭合开关前滑动变阻器
滑片应置于______(填“左”或“右”)端,滑动变阻器的作用是 __________________________.

(5)某次实验,电流表和电压表的示数如图 S8-9 所示,该 次实验测得的电阻 Rx 为______Ω.

图 S8-9

(6)如果要使电流表的示数变为 0.4 A,滑动变阻器滑片应

向实物图中的________(填“左”或“右”)端移动,此时电压表
示数为__________ V.

(7)若实验中所用器材良好,但某同学在实验中发现电流表
的指针几乎不动,而电压表的示数却有明显偏转(示数较大),

则电路中发生故障的原因是_____________________________.

U 解析: 根据电源电动势可知电压表应选量程 3 V, I= R 可 由 知电流表应选量程 0.6 A. U U (1)根据部分电路欧姆定律 I= R 得 R= I .
(2)因为是测小电阻,故电流表采用外接法,电流、电压测 量没要求,故滑动变阻器采用限流接法.

(5)电压表的示数为 2.40 V,电流表的示数为 0.48 A,由 U R= I 得 Rx=5 Ω.
(6)电流变小,滑动变阻器接入电路的阻值变大,故应向阻
值变化大的方向移动,此时电压表示数为 U=IR=2 V. (7)电流表没示数,说明电流表所在支路断路,电压表示数 变大,电路断在电压表两接线柱之间,即待测电阻两端接线柱 接触不良. 答案:0~3 V 0~0.6 A

U (1)部分电路的欧姆定律(或 R= I )

(2)如图 28 所示.

图 28 (3)电阻两端电压 (4)断开 左 (5)5 (6)左 2 通过电阻的电流 电压表 电流表 改变被测电阻两端电压

(7)待测电阻两端接线柱接触不良

【触类旁通】

1.给你一个电流表(内阻可忽略不计)、一节干电池(内阻可
忽略不计)、一个开关、一个已知阻值的电阻 R 和导线若干,如 何测出未知电阻 Rx ? (1)画出你设计的电路图; (2)简要说明测量步骤; (3)写出 Rx 的表达式.

解:(1)如图 29 所示.

图 29
(2)把Rx 与已知阻值的电阻R 并联在电路中,用电流表分别

测出通过 Rx 及已知阻值 R 的电流 Ix 和 I.

I (3)Rx=I · R. x

题型 2 描绘小电珠的伏安特性曲线
【例 2】(2010 年盐城模拟)在“描绘小电珠的伏安特性曲 线”实验中,用导线 a、b、c、d、e、f、g 和 h 按图 S8-10 所 示方式连接好电路,电路中所有元器件都完好,且电压表和电 流表已调零.闭合开关后:

图 S8-10

图 S8-11

(1)若不管怎样调节滑动变阻器,小电珠亮度能发生变化,

但电压表、电流表的示数总不能为零,则可能是图 S8-10 中
的________(填导线字母)导线断路.

(2)某同学测出电源和小电珠的 U-I 图线如图 S8-11 所
示,将小电珠和电阻 R 串联后接到电源上,要使电路中电流为 1.0 A,则 R=________Ω. (3)某同学在实验中还测出 a、b、c 三种元件的伏安特性曲 线分别如图 S8-12 中的甲、乙、丙,下列说法正确的是( )

图 S8-12
A.a 能作为标准电阻使用 B.b 能作为标准电阻使用 C.b 的阻值随电压升高而增大 D.c 的阻值随电压升高而增大

解析:(1)若调节滑动变阻器,小电珠的亮度发生变化,但

电压表、电流表示数总不能为零,说明滑动变阻器不起分压作
用,所以可能是 g 导线断路. (2)由电源的U-I 图线知电源电动势E=3.0 V,内阻 r=1 Ω, 当小电珠与电阻串联后,由闭合电路欧姆定律得 E = I ( R+r +R灯),

U 又由小电珠的 U-I 图线得 R 灯= I =1.2 Ω,解得 R=0.8 Ω.
(3)因 a 元件的 I-U 图象是直线,说明 a 元件的电阻不变, 故可作为标准电阻,A 正确,B 错误.因 I-U 图线斜率的倒数 表示电阻值的变化,故 C 正确,D 错误. 答案:(1)g

(2)0.8

(3)AC

【触类旁通】 2.有一个小灯泡上标有“4 V 2 W”的字样,现在要用伏 安法描绘这个灯泡的 I-U 图线.现有下列器材供选用: A.电压表(0~5 V,内阻 10 kΩ)

B.电压表(0~15 V,内阻 20 kΩ)
C.电流表(0~3 A,内阻 1 Ω)

D.电流表(0~0.6 A,内阻 0.4 Ω)
E.滑动变阻器(10 Ω,2 A) F.滑动变阻器(500 Ω,1 A) G.学生电源(直流 6 V)、开关、导线若干

(1)实验时,选用图 S8-13 甲而不选用图 S8-13 乙的电路 描绘小电珠的伏安特性曲线所测 图来完成实验,请说明理由:_____________________________ 数据需从零开始,并要多取几组数据 __________________________________.

图 S8-13

A D (2)实验中所用电压表应选______,电流表应选用______,
E 滑动变阻器应选用______.(用序号字母表示)

(3)把图 S8-14 中所示的实验器材用实线连接成实物电路 图.

图 S8-14

答案:如图 30 所示.

图 30

易错点

实验电路的实物连线

【例题】图 S8-15 甲所示为某同学测绘额定电压为 2.5 V

的小电珠的 I-U 图线的实验电路图.

图 S8-15

(1)根据电路图,用笔画线代替导线,将图乙中的实物图连 接成完整的实验电路. (2)开关 S 闭合之前,图乙中滑动变阻器的滑片应该置于 ______(“A 端”、“B 端”或“AB 正中间”).

图 S8-16

(3)已知小电珠灯丝在 27 ℃时电阻值约为 1.5 Ω,并且其 电阻值与灯丝的热力学温度成正比,热力学温度 T 与摄氏温度

t 的关系为 T=273+t,根据图 S8-16 所示的小电珠的 I-U
特性曲线,估算该灯泡以额定功率工作时灯丝的温度约为 ________℃(保留两位有效数字).

解析:对于分压电路,开关 S 闭合前,应该将滑动变阻器

的滑片置于最左端(A 端),使待测电路上电压为零.由灯丝电阻
与热力学温度成正比可得 R=kT,当灯丝温度为 300 K 时电阻

为 1.5 Ω可得 k=0.005.由小电珠的 I-U 特性曲线可得当电压为
2.5 V 时灯丝中电流约为 0.265 A.根据欧姆定律可得出灯丝电阻

R′ U R′= I =9.4 Ω,由 R=kT 解得此时灯丝热力学温度 T′= k = 1880 K,即灯丝温度约为 t=T′-273=1607 ℃=1.6×103 ℃.

答案:(1)如图 S8-17 所示.

图 S8-17 (2)A 端 (3)1.6×103

方法点拨:解决此类实验电路的实物连线问题分三步走: (1)将电源、开关、滑动变阻器串联成回路(滑动变阻器接下 面两个接线柱). (2)将待测电阻、安培表串联,串联后其中一端接滑动变阻 器下面的接线柱,另一端接在滑动变阻器的金属杆上. (3)最后并联上电压表.

【纠错强化】 1.用伏安法测量一个定值电阻的实验所需的器材实物如图 S8-18 所示,各器材规格为: A.待测电阻 Rx (约 100 Ω) B.直流毫安表(量程 0~10 mA,内阻 50 Ω) C.直流电压表(量程 0~3 V,内阻 5 kΩ) D.直流电源(输出电压 3 V,内阻可不计) E.滑动变阻器(0~15 Ω,允许最大电流 1 A) F.电键一个,导线若干

根据器材的规格和实验要求,在下面的虚线框中画出实验 电路图,并在实物图上用笔画线当导线连接成实验电路.

图 S8-18

解析:若滑动变阻器采用限流式连接,使变阻器调到最大阻

E 值, 通过电路的最小电流为 Imin= =18 mA>10 mA, (R+RA+Rx) 仍大于直流毫安表的量程, 故滑动变阻器应采用分压式连接. 又 RV Rx< RARV, R =50,可见应采用电流表外接法. x
答案:如图 31 所示.

图 31

2.(2013 年成都模拟)为了研究某电阻元件 Rx 的伏安特性, 某同学设计了图 S8-19 甲所示的电路,图中电流表 mA 的量程 为 5 mA,内阻约为 10 Ω;电压表 V(已接入电路但图中未画出) 量程为 3 V,内阻约为 3 kΩ;电源电动势 E 为 6 V,内阻不计. (1)实验时有两个滑动变阻器可供选择: A.阻值 0~100 Ω,允许通过的最大电流为 0.3 A B.阻值 0~10 Ω,允许通过的最大电流为 0.5 A A 本实验应选的滑动变阻器是______(填“A”或“B”).

(2)正确连线后,测得数据如下表:

U/V

0.5

1.0 1.7

1.2 1.9

1.5 2.3

1.8 2.7

2.0 2.9

2.3 3.3

2.7 3.8

3.0 4.2

I / mA 1.5

请你根据以上数据,在图乙中完成该实验的实物连线.

图 S8-19

答案:如图 32 所示.

图 32


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