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實驗八　描繪小電珠的伏安特性曲線
目標要求 　1.會選擇實驗器材，控制電路及測量電路.2.會根據(jù)電路進行正確的實物連線.
3.會實驗操作，描繪出小電珠的伏安特性曲線．
實驗技能儲備
1．實驗原理
(1)實驗原理圖：如圖1甲；
(2)測多組小電珠的U、I的值，并繪出I－U圖象；
(3)由圖線的斜率反映電流與電壓和電阻的關系．

圖1
2．實驗器材
小電珠“3.8 V,0.3 A”、電壓表“0～3 V～15 V”、電流表“0～0.6 A～3 A”、滑動變阻器、學生電源、開關、導線若干、坐標紙、鉛筆．
3．進行實驗及數(shù)據(jù)處理
(1)將小電珠、電流表、電壓表、滑動變阻器、學生電源、開關用導線連接成如圖乙所示的電路．
(2)移動滑動變阻器觸頭位置，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)填入自己設計的表格中．
(3)數(shù)據(jù)處理
①在坐標紙上以U為橫軸，I為縱軸，建立直角坐標系．
②在坐標紙上描出各組數(shù)據(jù)所對應的點．
③將描出的點用平滑的曲線連接起來，得到小電珠的伏安特性曲線．
4．注意事項
(1)電路的連接方式：
①電流表應采用外接法：因為小電珠(3.8 V,0.3 A)的電阻很小，與量程為0.6 A的電流表串聯(lián)時，電流表的分壓影響很大．
②滑動變阻器應采用分壓式接法：目的是使小電珠兩端的電壓能從0開始連續(xù)變化．
(2)閉合開關S前，滑動變阻器的觸頭應移到使小電珠分得電壓為0的一端，使開關閉合時小電珠的電壓能從0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燈絲．
(3)I－U圖線在U0＝1.0 V左右將發(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．
5．誤差分析
(1)由于電壓表不是理想電表，內(nèi)阻并非無窮大，會帶來誤差，電流表外接，由于電壓表的分流，使測得的電流值大于真實值．
(2)測量時讀數(shù)帶來誤差．
(3)在坐標紙上描點、作圖帶來誤差．
考點一　教材原型實驗
例1 　(2020·陜西省黃陵縣中學期中)現(xiàn)要用伏安法描繪一只標值為“2.5 V,0.6 W”小燈泡的I－U圖線，有下列器材供選用：
A．電壓表(0～3 V，內(nèi)阻3 kΩ；0～15 V，內(nèi)阻10 kΩ)
B．電流表(0～0.6 A，內(nèi)阻0.5 Ω；0～3 A，內(nèi)阻0.1 Ω)
C．滑動變阻器(10 Ω，2 A)
D．滑動變阻器(100 Ω，1.0 A)
E．蓄電池(電動勢6 V，內(nèi)阻不計)

圖2
(1)為了減小測量誤差，圖2甲中的S1應接________(填“M”或“N”)，滑動變阻器應選用________(用序號字母表示)．
(2)根據(jù)選擇的電路，用筆畫線代替導線在圖乙中將實物連接成實驗所需要電路．
(3)開關S閉合之前，滑動變阻器的滑片應該置于________端(選填“A”“B”或“AB正中間”)．閉合開關后，移動滑動變阻器的滑片，電壓表示數(shù)變化明顯，但電流表示數(shù)始終為0，則電路故障為________．
答案　(1)M　C　(2)見解析圖　(3)A　燈泡斷路
解析　(1)由電路圖可知，電路采用了滑動變阻器分壓式接法；因燈泡電阻較小，故電流表采用外接法，故S1應接在M點；因采用分壓式接法，故滑動變阻器采用總阻值較小的C.
(2)根據(jù)實驗原理圖畫出實物圖．

(3)為了保證實驗安全，開始時燈泡兩端的電壓應為最小，故滑動變阻器的滑片應在A端；由題意可知，電壓表示數(shù)變化明顯，說明電壓表與電源相連，且滑動變阻器連接正常，而電流表沒有示數(shù)說明電路是斷開的，由電路圖可知，只能是燈泡發(fā)生了斷路故障．

1．(2020·黑龍江大慶一中月考)在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗中，小燈泡的額定電壓為2.5 V，額定功率為0.5 W，此外還有以下器材可供選擇：
A．直流電源3 V(內(nèi)阻不計)
B．直流電流表A1：量程0～300 mA(內(nèi)阻約為5 Ω)
C．直流電流表A2：量程0～3 A(內(nèi)阻約為0.1 Ω)
D．直流電壓表V：量程0～3 V(內(nèi)阻約為3 kΩ)
E．滑動變阻器R1：阻值范圍0～100 Ω，額定電流0.5 A
F．滑動變阻器R2：阻值范圍0～10 Ω，額定電流2 A
G．導線和開關
實驗要求：滑動變阻器便于調(diào)節(jié)，小燈泡兩端的電壓從零開始變化并能進行多次測量．
(1)實驗中電流表應選用________(填寫儀器前的字母)；
(2)在圖3甲所示的虛線框中畫出符合要求的實驗電路圖(虛線框中已將所需的滑動變阻器畫出，請補齊電路的其他部分，要求滑片P向b端滑動時，燈泡變亮)；

圖3
(3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，畫出小燈泡的I－U圖線如圖乙所示．由此可知，當電壓為0.5 V時，小燈泡的燈絲電阻是________Ω.
(4)根據(jù)實驗測量結果可以繪制小燈泡的電功率P隨其兩端電壓U或電壓的平方U2變化的圖象，在圖中所給出的a、b、c圖象中可能正確的是________(選填“a”“b”或“c”)．

答案　(1)B　(2)見解析圖　(3)5.0(或5)　(4)b
解析　(1)小燈泡的額定電流為I＝PU＝0.52.5 A＝200 mA，電流表選B.

(2)因為小燈泡的電阻遠小于電壓表的內(nèi)阻，所以采用電流表外接法；又因為描繪小燈泡的伏安特性曲線，小燈泡的電流和電壓必須從零開始調(diào)整，所以必須采用分壓電路，實驗電路如圖所示．
(3)由題圖乙得，當電壓為0.5 V時，小燈泡的電流為0.1 A，小燈泡的燈絲電阻為R＝U′I′＝5.0 Ω.
(4)由題圖乙可知，隨著小燈泡兩端電壓的增大，燈泡的電阻R增大，小燈泡的功率為P＝U2R，R增大，斜率減小，b正確，a、c錯誤．
考點二　拓展創(chuàng)新實驗
例2 　(2019·廣東深圳市4月第二次調(diào)研)LED燈的核心部件是發(fā)光二極管．某同學欲測量一只工作電壓為2.9 V的發(fā)光二極管的正向伏安特性曲線，所用器材有：電壓表(量程3 V，內(nèi)阻約3 kΩ)，電流表 (用多用電表的直流25 mA擋替代，內(nèi)阻約為5 Ω)，滑動變阻器(0～20 Ω)，電池組(內(nèi)阻不計)，開關和導線若干．他設計的電路如圖4(a)所示．回答下列問題：



圖4
(1)根據(jù)圖(a)，在實物圖(b)上完成連線；
(2)調(diào)節(jié)滑動變阻器的滑片至最________端(填“左”或“右”)，將多用電表選擇開關撥至直流25 mA擋，閉合開關；
(3)某次測量中，多用電表示數(shù)如圖(c)，則通過二極管的電流為________ mA；
(4)該同學得到的正向伏安特性曲線如圖(d)所示．由曲線可知，隨著兩端電壓增加，二極管的正向電阻________(填“增大”“減小”或“不變”)；當兩端電壓為2.9 V時，正向電阻為________ kΩ(結果保留兩位有效數(shù)字)；
(5)若實驗過程中發(fā)現(xiàn)，將滑動變阻器滑片從一端移到另一端，二極管亮度幾乎不變，電壓表示數(shù)在2.7～2.9 V之間變化，試簡要描述一種可能的電路故障：_____________________
________________________________________________________________________.
答案　(1)連線見解析圖　(2)左　(3)16.0(15.8～16.2)　(4)減小　0.15(0.14～0.16)　(5)連接電源負極與滑動變阻器的導線斷路
解析　(1)根據(jù)多用電表紅黑表筆的接法“紅進黑出”可知，黑表筆接二極管，紅表筆接滑動變阻器，滑動變阻器采用分壓式接法，則連線如圖：

(2)為保護電路，開關閉合前需將滑動變阻器的滑片置于最左端；
(3)多用電表所選量程為25 mA，則電流表讀數(shù)為16010 mA＝16.0 mA(答案在15.8～16.2 mA范圍內(nèi)均可)；
(4)I－U圖象中，圖線上的點與坐標原點連線的斜率表示電阻的倒數(shù)，由題圖可知，隨著電壓的增加，斜率逐漸增大，則二極管的電阻逐漸減小；當二極管兩端電壓為2.9 V時，通過二極管的電流為19.5 mA，則電阻大小為R＝2.9 V0.019 5 A≈0.15 kΩ(答案在0.14～0.16 kΩ范圍內(nèi)均可)；
(5)由于二極管的正向電阻約為0.15 kΩ，遠大于滑動變阻器的最大阻值，因此若實驗中，將滑動變阻器滑片從一端移到另一端，二極管亮度幾乎不變，電壓表示數(shù)在2.7～2.9 V之間變化，則有可能是滑動變阻器與二極管串聯(lián)，導致電路中總電阻較大，總電流較小，所以電壓表的示數(shù)變化較小，故故障可能是連接電源負極與滑動變阻器的導線斷路．

2．某實驗小組研究兩個未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括電壓表(內(nèi)阻約為3 kΩ)、電流表(內(nèi)阻約為1 Ω)、滑動變阻器(最大阻值為5 Ω，額定電流為1 A)、電源、開關、導線等．


圖5
(1)使用多用電表粗測元件X的電阻，選擇“×1”歐姆擋測量，示數(shù)如圖5甲所示，讀數(shù)為________ Ω.
(2)現(xiàn)要研究元件X的伏安特性，請你根據(jù)所給的實驗儀器設計合理的實驗電路，把理論電路圖畫在圖乙方框內(nèi)．
(3)根據(jù)合理的實驗電路對元件X進行研究后，將元件X換成元件Y，重復實驗．根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出的U－I圖線如圖丙所示，由圖可判斷元件________(填“X”或“Y”)是非線性元件．
答案　(1)10　(2)見解析圖　(3)Y
解析　(2)電壓表的內(nèi)阻遠大于待測元件的電阻，可采用電流表外接；滑動變阻器用分壓式接法；電路圖如圖；

(3)根據(jù)畫出的U－I圖象可知，Y元件的圖象為非線性曲線，可知Y為非線性元件．
3．如圖6甲為某磁敏電阻在室溫下的電阻—磁感應強度特性曲線，其中RB表示有磁場時磁敏電阻的阻值，R0表示無磁場時磁敏電阻的阻值．為測量某磁場的磁感應強度B，需先測量磁敏電阻處于磁場中的電阻值．


圖6
(1)某同學首先測量待測磁場中磁敏電阻的阻值，利用下面提供的器材，請將圖乙中的導線補充完整．
提供的器材如下：
A．磁敏電阻，無磁場時阻值R0＝140 Ω
B．滑動變阻器R，最大阻值約20 Ω
C．電流表A，量程2.5 mA，內(nèi)阻RA＝100 Ω
D．電壓表V，量程3 V，內(nèi)阻約3 kΩ
E．直流電源E，電動勢3 V，內(nèi)阻不計
F．開關S，導線若干
(2)正確接線后．測量數(shù)據(jù)如下表，請利用表格數(shù)據(jù)在圖7中描點作圖：
序號 1 2 3 4 5 6
U(V) 0.00 0.45 0.91 1.50 1.79 2.71
I(mA) 0.00 0.30 0.60 1.00 1.20 1.80

圖7
(3)根據(jù)U—I圖象盡可能準確地求出磁敏電阻的阻值RB＝________ Ω，結合圖甲可知待測磁場的磁感應強度B＝________ T．(結果均保留兩位有效數(shù)字)
答案　(1)見解析圖　(2)見解析圖　(3)1.4×103　1.2
解析　(1)采用伏安法測量電阻，由于電流表內(nèi)阻已知，采用電流表內(nèi)接法，滑動變阻器采用分壓式接法，連接實物圖如圖所示；

(2)根據(jù)數(shù)據(jù)作出的U－I圖象如圖：

(3)由U－I圖象可知，磁敏電阻的阻值
RB＝U－IRAI＝3.0－2.0×10－3×1002.0×10－3 Ω＝1.4×103 Ω；
RBR0＝1 400140＝10，由題圖甲可知待測磁場的磁感應強度B為1.2 T．

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