高考物理一轮复习 第8章 实验9　描绘小电珠的伏安特性曲线

这是一份高考物理一轮复习 第8章 实验9　描绘小电珠的伏安特性曲线，共13页。试卷主要包含了实验目的，实验器材等内容，欢迎下载使用。

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、实验器材
小电珠、电压表、电流表、滑动变阻器、学生低压直流电源(或电池组)、开关、导线若干、坐标纸、铅笔．
考点一| 实验原理与操作
[母题] (2015·广东高考)某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括电压表(内阻约为3 kΩ)、电流表(内阻约为1 Ω)、定值电阻等．
图实­9­1
(1)使用多用电表粗测元件X的电阻，选择“×1”欧姆挡测量，示数如图实­9­1甲所示，读数为________Ω，据此应选择图实­9­1中的________(选填“乙”或“丙”)电路进行实验．
(2)连接所选电路，闭合S，滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，电流表的示数逐渐________(填“增大”或“减小”)；依次记录电流及相应的电压；将元件X换成元件Y，重复实验．
(3)图实­9­2是根据实验数据作出的U­I图线，由图可判断元件________(填“X”或“Y”)是非线性元件．
图实­9­2
【解析】 (1)欧姆表的读数R＝示数×倍率，得R＝10 Ω；根据实验电路产生误差的原因知应选用电流表外接，故选择“乙”电路进行实验．
(2)滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，R左增大，待测电阻两端的电压增大，所以电流表的示数增大．
(3)根据伏安特性曲线知，X为线性元件，Y为非线性元件，且Rx＝10 Ω.
【答案】 (1)10 乙 (2)增大 (3)Y
[借题悟法·核心点拨]
[母题迁移]
(2017·茂名一模)现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V，0.6 W”小灯泡的I­U图线，有下列器材供选用：
A．电压表(0～3 V，内阻3 kΩ；0～15 V，内阻10 kΩ)
B．电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω；0～3 A，内阻0.1 Ω)
C．滑动变阻器(10 Ω，2 A)
D．滑动变阻器(100 Ω，1.0 A)
E．蓄电池(电动势6 V，内阻不计)
图实­9­3
(1)为了减小测量误差，图实­9­3甲中的S1应接________(选填“M”或“N”)，滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)．
(2)根据你选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需电路图．
(3)开关S闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于________端(选填“A”“B”或“AB正中间”)．闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，电压表示数变化明显，但电流表示数始终为0，则电路故障为________.
【导学号：92492322】
【解析】 (1)由实物图可知，电路采用了滑动变阻器分压接法；因灯泡内阻较小，故电流表采用外接法；故S1应接在M点；因采用分压接法，故滑动变阻器采用小电阻，应选用C.
(2)根据实验原理图画出实物图如图所示：
(3)为了保证实验安全，开始时灯泡两端的电压应为最小，故滑动变阻器的滑片应在A端；由题意可知，电压表示数变化明显，说明电压表与电源相连，且滑动变阻器连接正常，而电流表没有示数说明电路是断开的，由电路图可知，只能是灯泡发生了断路故障．
【答案】 (1)M C (2)见解析 (3)A 小灯泡断路
考点二| 数据处理与误差分析
[母题] (2017·苏州高三调研)一实验小组用某种导电材料制作成电阻较小的线状元件Z，并通过实验研究该元件中的电流随两端电压从零逐渐增大过程中的变化规律．
(1)该小组连成的实物电路如图实­9­4所示，其中有两处错误，请在错误的连线上打“×”，并在原图上用笔画出正确的连线．
图实­9­4
(2)在实验中应选用的滑动变阻器是________．
A．滑动变阻器R1(0～5 Ω 额定电流5 A)
B．滑动变阻器R2 (0～100 Ω 额定电流0.5 A)
(3)实验测得元件中的电流与电压的关系如下表所示，试在方格纸中画出电流与电压的关系图线.
(4)本实验中带来误差的电表是________，导致被测电阻的R测________R真(选填“>”“＝”或“<”)．
【答案】 (1)如图甲所示 (2)A
(3)如图乙所示 (4)电压表 <
[借题悟法·核心点拨]
[母题迁移]
(2016·天津高考)某同学想要描绘标有“3.8 V,0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整．可供该同学选用的器材除开关、导线外，还有：电压表eq \(○,V1) (量程0～3 V，内阻等于3 kΩ)
电压表eq \(○,V2)(量程0～15 V，内阻等于15 kΩ)
电流表eq \(○,A1)(量程0～200 mA，内阻等于10 Ω)
电流表eq \(○,A2)(量程0～3 A，内阻等于0.1 Ω)
滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流2 A)
滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流0.5 A)
定值电阻R3(阻值等于1 Ω)
定值电阻R4(阻值等于10 Ω)
定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)
电源E(E＝6 V，内阻不计)
(1)请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁．
(2)该同学描绘出的I­U图象应是下图中的________．
【解析】 描绘小灯泡的伏安特性曲线时，要求“测量数据尽量精确、绘制曲线完整”，从电表的量程来看，eq \(○,V1) 、eq \(○,A1) 量程偏小，直接测量小灯泡的电压、电流时，曲线不完整，若用eq \(○,V2)、eq \(○,A2) 测量小灯泡的电压、电流时，读数不够精确．题目中给了滑动变阻器和几个定值电阻，我们可以采用定值电阻分压、分流的方式扩大电表的量程，准确读出小灯泡的电流值、电压值，绘制完整的曲线．
(1)电路图如图所示，滑动变阻器的选择：R2的阻值太大，调节不灵敏，故选R1.与电流表eq \(○,A1) 并联的电阻：由于eq \(○,A1) 的内阻为10 Ω，若选R4为并联电阻，则量程为0～0.4 A，若并联阻值过小，电流表读数偏小，读数欠精确．与电压表串联的电阻：分压电阻的阻值应该与电压表eq \(○,V2) 的内阻具有可比性，故选择R5作为分压电阻，此时量程为0～4 V.
(2)灯丝的电阻率随温度的升高而增大，其阻值也随温度的升高而增大，则I­U图线的斜率应越来越小，图B正确．
【答案】 (1)见解析 (2)B
考点三| 实验拓展与创新
●创新点1 分析小电珠的功率及其变化
1．(2015·福建高考)某学习小组探究一小电珠在不同电压下的电功率大小，实验器材如图实­9­5甲所示，现已完成部分导线的连接．
图实­9­5
(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实­9­5甲实物接线图中完成余下导线的连接．
(2)某次测量，电流表指针偏转如图实­9­5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实­9­5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 Ω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(保留两位小数). 【导学号：92492323】
【解析】 (1)要使电流表示数从零逐渐增加，滑动变阻器应采用分压接法，实物接线图如图(a)所示．
(a)
(2)由于最小刻度值为0.02 A，因此示数为0.44 A.
(3)当外电路的总电阻与电源内阻相等时，电源有最大的输出功率，即小电珠的总功率最大，此时R外＝r＝1 Ω，I＝eq \f(E,R外＋r)＝eq \f(3,2) A＝1.5 A，U外＝eq \f(E,2)＝1.5 V，即每只小电珠两端的电压为1.5 V，通过图象可知每只小电珠的电流为I0＝0.38 A，n＝eq \f(I,I0)≈4(只)；通过每只小电珠的电流为I0，两端电压为U，根据闭合电路欧姆定律得：U＋nI0r＝E，而U＋4I0＝3 V，U＝－4I0＋3 V，如图(b)所示，图线的交点纵、横坐标分别为
U≈1.5 V，I0≈0.38 A，P＝UI0＝0.57 W，
P总＝nP＝0.57×4 W＝2.28 W.
(b)
【答案】 (1)见解析 (2)0.44 (3)4 2.28
●创新点2 分析二极管的I­U图象
2.2014年10月7日瑞典皇家科学院宣布：2014年诺贝尔物理学奖授予发明了蓝色发光二极管(LED)的日本科学家，以表彰他们为提高人类生活品质所做的卓越贡献．如图实­9­6为一个蓝色发光二极管(LED)的示意图，杭州少年科学院的“少年科学家”们对它的电学特性进行系列研究．
图实­9­6
(1)因蓝色发光二极管(LED)未标明极性，“少年科学家”们利用多用电表的________(选填“欧姆挡”“电压挡”或“电流挡”)探测二极管的极性．请你写出正确的判断方法
______________________________________________________________
______________________________________________________________.
(2)为探究蓝色发光二极管(LED)的伏安特性、测绘它的伏安特性曲线，“少年科学家”们得到科学探究实验室老师的帮助，通过实验，测得发光二极管两端电压U和通过它的电流I的数据如下表：
①请在图实­9­7中以笔画线代替导线，按实验要求将实物图中的连线补充完整．
图实­9­7
②请你根据“少年科学家”实验时收集到的数据，在图实­9­8所示的坐标纸中画出该蓝色发光二极管(LED)的伏安特性曲线(I­U图线)．
图实­9­8
(3)若将该蓝色发光二极管(LED)与一个电池组(电动势为E＝3 V、内阻不计)、阻值R＝150 Ω的电阻相串联，则该蓝色发光二极管(LED)的发光功率约为________W．(结果保留2位有效数字)
【解析】 (1)由于二极管的单向导电性，可运用多用电表的欧姆挡测试正向、反向电阻，确定二极管的极性．多用电表(欧姆表)的黑、红表笔分别接表内电源的正、负极．将调零后的多用电表的红、黑表笔分别接二极管的a、b端，若测得电阻几乎为零，则b为正极，若测得电阻较大，则a为正极；
(2)由于需要二极管两端电压从零开始增加，滑动变阻器应采用分压式接法，电路连接如图甲所示．由表中数据作出二极管的伏安特性曲线如图乙所示．将与二极管串联的电阻R视为电池组的内阻，在二极管的伏安特性曲线坐标系中再作出闭合电路的I­U图象(电源的伏安特性曲线)，两图象的交点坐标(2.7 V,2.3×10－3 A)，为二极管两端的电压U和通过的电流I，则二极管的功率约为P＝UI＝0.006 2 W.
【答案】 (1)欧姆档 将红、黑表笔短接进行欧姆调零后，将红表笔接a端、黑表笔接b端时，若多用电表的指针偏转角较小，而红、黑表笔反接时指针偏转角较大，说明a端是该发光二极管正极；反之，则b端是该发光二极管正极
(2)①连线如下
甲
②I­U图线如下
乙
(3)0.006 2～0.007 3
●创新点3 研究小灯泡的P ­U2图线
3．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 Ω.
(1)准备使用的实物电路如图实­9­9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)
图实­9­9
(2)现有10 Ω、20 Ω和50 Ω的定值电阻，电路中的电阻R1应选________Ω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P­U2描点在坐标纸上，并作出了一条直线，如图实­9­10所示．请指出图象中不恰当的地方．
图实­9­10
【解析】 (1)连线如图所示．
(2)小灯泡电阻大约为5 Ω，当滑动变阻器阻值最大时，小灯泡与滑动变阻器的并联电阻值约为3.3 Ω，则12 V－3 V＝eq \f(3 V,3.3 Ω)×R1，解得R1＝9.9 Ω，所以R1应取10 Ω的定值电阻．
(3)实验结束，断开开关，拆除电池两端导线，以防电源短路．
(4)在坐标纸上描出的点并不是在一条直线上，图线应为曲线；横坐标的标度值取得太大，应适当减小．
【答案】 (1)见解析图 (2)10 (3)电池 (4)图线不应画为直线；横坐标的标度不恰当
视角1：实验目的改变
以实验原理及实验方法为基础，探究小电珠功率与电压的关系．
视角2：实验对象的变迁
视角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采集和处理．

1.考查欧姆电表的读数公式[第(1)问第一空]
欧姆表的读数＝示数×倍率
2.考查电流表内、外接法的使用方法[第(1)问第二空]
根据Rx3.考查实验操作[第(2)问]
(1)实验中应缓慢移动滑动变阻器的滑片，且使电表的示数由零逐渐增大.
(2)实验结束后，断开开关，应先拆除电源两端的导线，以防止电源短路.
4.考查对U­I图线的认识[第(3)问]
(1)根据数据描出的点，若不在一条直线上，则应用平滑的曲线进行连接，不能用直线或折线连接.
(2)应使图线穿过尽可能多的点.
U(V)
0
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
1.00
1.20
I(A)
0
0.20
0.30
0.40
0.55
0.75
1.25
1.80
1.考查滑动变阻器的分压式与限流式接法的判断[第(1)问]
(1)两种接法的适用情形
①限流式接法适合测量阻值小的电阻.
②分压式接法适合测量阻值较大的电阻.
(2)两种接法的选择
①若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求，即若滑动变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.
2.考查滑动变阻器的选择[第(2)问]
在分压式接法中，为便于调节，滑动变阻器应选用阻值小，额定电流较大的.
3.考查数据处理和作图能力[第(3)问]
(1)观察和分析表格中的数据.
(2)利用表格中的数据在坐标图纸上描点.
(3)用平滑的曲线连结描出的点.
4.误差分析
(1)系统误差：电压表分流带来的误差.
(2)偶然误差：电表读数、作图带来的误差.
U/V
0
1.50
1.80
1.90
2.00
2.08
2.19
2.33
I/mA
0
0
0.01
0.02
0.04
0.06
0.09
0.20
U/V
2.43
2.51
2.56
2.62
2.70
2.82
2.87
I/mA
0.50
0.80
1.00
3.00
5.00
9.00
11.01