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專題9　實驗：描繪小燈泡的伏安特性曲線
題組1　小燈泡伏安特性曲線的理解應(yīng)用
1．某物理興趣小組在做描繪小燈泡的伏安特性曲線的實驗中，畫出了如圖1所示的圖象(單位均為國際單位)，關(guān)于這個電阻大小的計算，四個同學(xué)卻發(fā)生了爭執(zhí)，你認為他們中一定正確的是(AB是曲線上經(jīng)過A點的切線)(　　)
圖1
A．甲同學(xué)認為該電阻的大小隨著電流的增大而增大
B．乙同學(xué)認為電流為i時，該電阻大小等于角1的正切值
C．丙同學(xué)認為電流為i時，該電阻大小等于角2的正切值
D．丁同學(xué)認為電流為i時，該電阻大小等于u和i的比值
2．如圖2為小燈泡的U－I圖線，若將該小燈泡與一節(jié)電動勢E＝1.5V、內(nèi)阻r＝0.75Ω的干電池組成閉合電路時，電源的總功率和小燈泡的實際電功率分別最接近以下哪一組數(shù)據(jù)(　　)
圖2
A．1.5W,1.0W B．0.75W,0.5W
C．0.75W,0.75W D．1.5W,0.75W
題組2　描繪小燈泡伏安特性曲線的實驗原理圖及實物圖
3．小亮同學(xué)為研究某電學(xué)元件(最大電壓不超過2.5V，最大電流不超過0.55A)的伏安特性曲線，在實驗室找到了下列實驗器材：
A．電壓表(量程3V，內(nèi)阻6kΩ)
B．電壓表(量程15V，內(nèi)阻30kΩ)
C．電流表(量程0.6A，內(nèi)阻0.5Ω)
D．電流表(量程3A，內(nèi)阻0.1Ω)
E．滑動變阻器(阻值范圍0～5Ω，額定電流為0.6A)
F．滑動變阻器(阻值范圍0～100Ω，額定電流為0.6A)
G．直流電源(電動勢E＝3V，內(nèi)阻不計)
H．開關(guān)、導(dǎo)線若干．
該同學(xué)設(shè)計電路并進行實驗，通過實驗得到如下數(shù)據(jù)(I和U分別表示電學(xué)元件上的電流和電壓).
I/A
0
0.12
0.21
0.29
0.34
0.38
0.42
0.45
0.47
0.49
0.50
U/V
0
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
(1)為了提高實驗結(jié)果的準(zhǔn)確程度，電流表選________________；電壓表選________________；滑動變阻器選________________．(以上均填寫器材代號)
(2)請在虛線框中畫出實驗電路圖．
4．在做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，所用的儀器有：電源E(電動勢6V，內(nèi)阻不計)；額定電壓4.0V的小燈泡L；電流表(量程0.6A，內(nèi)阻約2Ω)；電壓表(量程5V，內(nèi)阻約15kΩ)；滑動變阻器R(最大阻值15Ω)；開關(guān)S，導(dǎo)線若干．實驗中要求加在小燈泡上的電壓從零到小燈泡的額定電壓連續(xù)可調(diào)．
Ⅰ.在做實驗時，連成的實物電路圖如圖3所示：
圖3
請你指出上述實驗電路圖中的錯誤之處：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________.
Ⅱ.請你在虛線框中畫出實驗所用的正確電路原理圖．
Ⅲ.如圖4所示為某同學(xué)根據(jù)正確的實驗電路圖所測的幾組數(shù)據(jù)畫出的I－U圖象．圖象是一條曲線而不是直線的原因是____________________________；從圖象中可求得小燈泡正常發(fā)光時的電阻是______Ω.
圖4
題組3　描繪小燈泡伏安特性曲線的綜合問題分析
5．一只小燈泡，標(biāo)有“3V,1.5W”的字樣．現(xiàn)要描繪小燈泡0～3V的伏安特性曲線．實驗器材有：
A．最大阻值為10Ω的滑動變阻器
B．電動勢為6V、內(nèi)阻約為1.0Ω的電源
C．量程為0.6A、內(nèi)阻約為1.0Ω的電流表A1
D．量程為3A、內(nèi)阻約為0.1Ω的電流表A2
E．量程為3V、內(nèi)阻約為6kΩ的電壓表V1
F．量程為15V、內(nèi)阻約為10kΩ的電壓表V2
G．開關(guān)、導(dǎo)線若干
(1)電壓表應(yīng)選用________；電流表應(yīng)選用________．(將選項前的字母填在橫線上)
(2)在該實驗中，設(shè)計了如圖所示的四個電路．為了減小誤差，應(yīng)選取的電路是____(將選項前的字母填在橫線上)．
(3)以下是該實驗的操作步驟：
A．將電流表、電壓表、滑動變阻器、小燈泡、電源、開關(guān)正確連接成電路；
B．調(diào)節(jié)滑動變阻器滑片的位置，保證閉合開關(guān)前使滑動變阻器與小燈泡并聯(lián)部分的阻值最大；
C．閉合開關(guān)，記下電壓表、電流表的一組示數(shù)(U1，I1)，移動滑動變阻器的滑片，每移動一次記下一組(U，I)值，共測出12組數(shù)據(jù)；
D．按所測數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上描點并將各點用直線段連接起來，得到小燈泡的伏安特性曲線．
指出以上步驟中存在錯誤或不妥之處并修改．
6.在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，用導(dǎo)線a、b、c、d、e、f、g和h按圖5所示方式連接好電路，電路中所有元件都完好，且電壓表和電流表已調(diào)零．閉合開關(guān)后：
(1)若不管怎樣調(diào)節(jié)滑動變阻器，小燈泡亮度均能發(fā)生變化，但電壓表、電流表的示數(shù)總不為零，則可能是________導(dǎo)線斷路．圖5
(2)某同學(xué)測出電源和小燈泡的U－I圖線如圖6所示，將小燈泡和電阻R串聯(lián)后接到電源上，電路中電流為1.0A，則R＝________Ω.
圖6
(3)某同學(xué)在實驗中還測出a、b、c三種元件的伏安特性曲線分別如圖7中的(a)、(b)、(c)所示，下列說法正確的是(　　)
圖7
A．(a)可以作為標(biāo)準(zhǔn)電阻使用
B．(b)可以作為標(biāo)準(zhǔn)電阻使用
C．(b)的阻值隨電壓升高而增大
D．(c)的阻值隨電壓升高而增大
7．某學(xué)習(xí)小組通過實驗來研究電器元件Z的伏安特性曲線．他們在實驗中測得電器元件Z兩端的電壓與通過它的電流的數(shù)據(jù)如下表：
U/V
0.00
0.20
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
I/A
0.000
0.050
0.100
0.150
0.180
0.195
0.205
0.215
現(xiàn)備有下列器材：
A．內(nèi)阻不計的6V電源；
B．量程為0～3A的內(nèi)阻可忽略的電流表；
C．量程為0～0.6A的內(nèi)阻可忽略的電流表；
D．量程為0～3V的內(nèi)阻很大的電壓表；
E．阻值為0～10Ω，額定電流為3A的滑動變阻器；
F．開關(guān)和導(dǎo)線若干．
(1)這個學(xué)習(xí)小組在實驗中電流表應(yīng)選________(填器材前面的字母)．
(2)請你從下面的實驗電路圖中選出最合理的一個________．
(3)利用表格中數(shù)據(jù)繪出的電器元件Z的伏安特性曲線，如圖8甲所示，分析曲線可知該電器元件Z的電阻隨U變大而________(填“變大”、“變小”或“不變”)．
圖8
(4)若把用電器Z接入如圖乙所示的電路中時，電流表的讀數(shù)為0.150A，已知A、B兩端電壓恒為2V，則定值電阻R0阻值為________Ω.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)
8．圖9是白熾燈L1(220V,100W)和L2(220V，60W)的伏安特性曲線
圖9
(1)圖中曲線________表示燈L1的的伏安特性曲線．(選填“A”或“B”)
(2)隨著燈泡L1功率的增大，其燈絲阻值逐漸______．(選填“變大”、“變小”或“不變”)
(3)若將這兩個燈泡并聯(lián)在電路上，在用電高峰時電壓僅200V，則此時L1燈的實際功率為________W，L2燈的實際功率為________W.
(4)若用圖10所示電路測量L1燈的伏安特性，由于電表存在內(nèi)阻，實際測得的伏安特性曲線比圖9中描繪出的理想伏安特性曲線在I－U圖中位置偏________(選填“高”或“低”)．
圖10
(5)用圖10所示電路測量L1燈伏安特性時，已知R0＝10Ω，E＝300V．則電路中可變電阻R選用下列各種規(guī)格時，測量效果最好的是(　　)
A．最大電阻5Ω，最大電流10A
B．最大電阻50Ω，最大電流6A
C．最大電阻500Ω，最大電流1A
D．最大電阻5000Ω，最大電流1A
9．在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，使用的小燈泡為“6V,3W”，其他供選擇的器材有
電壓表V(量程0～6V，內(nèi)阻20kΩ)
電流表A1(量程0～3A，內(nèi)阻0.2Ω)
電流表A2(量程0～0.6A，內(nèi)阻1Ω)
滑動變阻器R(阻值0～20Ω，2A)
學(xué)生電源E(電動勢8V，內(nèi)阻不計)
開關(guān)S及導(dǎo)線若干
實驗中要求電壓表的示數(shù)能在0～6V范圍內(nèi)變化．讀出多組電壓和電流值，在坐標(biāo)紙上通過描點法畫出小燈泡的伏安特性曲線．
(1)實驗中電流表應(yīng)選用________．
(2)在下面的虛線框中畫出實驗電路圖．
(3)某同學(xué)利用測量的數(shù)據(jù)，畫出如圖11的圖線，但該同學(xué)忘記在坐標(biāo)上標(biāo)明橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)所表示的物理量．請你根據(jù)圖線作出判斷：橫坐標(biāo)表示______，縱坐標(biāo)表示______．
圖11

10.為了測定和描繪“220V，40W”白熾電燈燈絲的伏安特性曲線，可以利用調(diào)壓變壓器供電．調(diào)壓變壓器是一種自耦變壓器，它有一組線圈L，繞在閉合的環(huán)形鐵芯上，輸入端接在220V交流電源的火線與零線間，輸出端有一個滑動觸頭P，移動它的位置，就可以使輸出電壓在0～250V之間連續(xù)變化，圖12所示畫出的是調(diào)壓變壓器的電路圖符號，實驗室內(nèi)備有交流電壓表、交流電流表、滑動變阻器、開關(guān)、導(dǎo)線等實驗器材．圖12
(1)在圖中完成實驗電路圖．
(2)按你的實驗電路圖進行測量，如果電表內(nèi)阻的影響不能忽略，在電壓較高段與電壓較低段相比較，哪段的誤差更大？為什么？
(3)如果根據(jù)測量結(jié)果作出的伏安特性曲線如圖13所示，試根據(jù)圖線確定，把兩個完全相同的“220V,40W”白熾電燈串聯(lián)在220V交流電源的火線與零線間，這兩只電燈消耗的總電功率是________W.
圖13

詳解答案
1．ACD　[電阻R＝，所以圖象上的點和原點的連線的斜率表示電阻大小，所以該電阻的大小隨著電流的增大而增大，A正確；電流為i時，根據(jù)歐姆定律可得該電阻大小等于u和i的比值，即等于角2的正切值，B錯誤，C、D正確；故選A、C、D.]
2．D　[作出電源的外電壓和電流的關(guān)系圖象，即U＝1.5－0.75I的圖象，兩圖象的交點就是電源和小燈泡構(gòu)成閉合回路時的路端電壓和電流，圖象交點坐標(biāo)是(1.0,0.75)，電源的總功率P總＝IE＝1×1.5 W＝1.5 W，燈泡的實際功率P燈＝UI＝0.75 W．]
3．(1)C　A　E　(2)見解析圖
解析　(1)從表格中的實驗數(shù)據(jù)可知，電流測量值I的范圍為0～0.50 A，電壓測量值U的范圍為0～2.00 V，因此電流表應(yīng)選C，電壓表應(yīng)選A.因為本實驗要測量多組(U，I)值，需使電壓U連續(xù)變化，因此，滑動變阻器應(yīng)接成分壓式，故選阻值較小的滑動變阻器E.
(2)由表格中的數(shù)據(jù)，根據(jù)R＝，估算電學(xué)元件的電阻值大約為幾歐，因此電流表外接．電路圖如圖所示．
4．Ⅰ.①電流表沒有接成外接電路　②滑動變阻器沒有接成分壓電路．
Ⅱ.如圖所示
Ⅲ.燈絲電阻隨溫度而改變(燈絲電阻隨I或隨U改變亦可)　10
5．(1)E　C　(2)C　(3)步驟B不妥，閉合開關(guān)前應(yīng)使滑動變阻器與小燈泡并聯(lián)部分的阻值為零；步驟D有錯，應(yīng)改為：按所測數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上描點并將各點用一條平滑的曲線連接起來，得到小燈泡的伏安特性曲線．
解析　(1)因為小燈泡的額定電壓為3 V，故電壓表選E；小燈泡的額定電流I＝＝ A＝0.5 A，故電流表選C.
(2)小燈泡在額定電壓下的電阻R＝＝6 Ω，由于>，故電流表外接．描繪伏安特性曲線時，電壓從零開始，需用滑動變阻器的分壓式接法，選C.
6．(1)g　(2)0.8　(3)AC
解析　(1)若調(diào)節(jié)滑動變阻器，小燈泡的亮度變化，但電壓表、電流表示數(shù)總不能為零，說明滑動變阻器不起分壓作用，所以可能是g導(dǎo)線斷路．
(2)由電源的U－I圖線知E＝3.0 V，r＝1 Ω，當(dāng)小燈泡與電阻串聯(lián)后由閉合電路歐姆定律得E＝I(R＋r＋R燈)，又由小燈泡的U－I圖線得R燈＝＝1.2 Ω，解得R＝0.8 Ω.
(3)因(a)元件的I－U圖線是直線，說明其電阻不隨電壓的變化而變化，故可作為標(biāo)準(zhǔn)電阻，故A對．(b)的阻值隨電壓升高而增大，故不可作為標(biāo)準(zhǔn)電阻使用，(c)的阻值隨電壓升高而降低，故C對，B、D錯．
7．(1)C　(2)D　(3)變大　(4)6.7
解析　(1)由題中數(shù)據(jù)表可知，電路中的最大電流為0.215 A，所以電流表應(yīng)選擇C.
(2)從題中數(shù)據(jù)表可知要求電流從零開始變化，所以變阻器應(yīng)采取分壓式接法；由于電流表與電壓表均為理想電表，所以電流表采用外接法和內(nèi)接法均可，故選D.
(3)I－U圖線的斜率表示電阻的倒數(shù)，由圖象可知元件電阻隨U的變大而變大．
(4)從表格中可看出當(dāng)電流為0.150 A時，用電器Z兩端的電壓為1 V，所以定值電阻
R0＝＝ Ω≈6.7 Ω.
8．(1)A　(2)變大　(3) 88　52　(4)低　(5)B
解析　(1)根據(jù)相同電壓，功率大的電流大可得，A是燈L1的伏安特性曲線．
(2)升高相同的電壓，電流的變化量越來越小，則說明電阻越來越大．
(3)由題圖可得200 V時兩燈泡的電流，計算得此時L1燈的實際功率為200×0.44 W＝88 W，L2燈的實際功率為200×0.26 W＝52 W.
(4)電流表分壓，因而電壓比實際的偏大，在I－U圖中位置偏低．
(5)滑動變阻器采用分壓式接法，為了便于調(diào)節(jié)，阻值應(yīng)較小，且要滿足最大電流不能超過額定電流，B正確．
9．(1)A2　(2)圖見解析　(3)電流　電壓
解析　(1)小燈泡的額定電流為I＝＝ A＝0.5 A，所以電流表選A2；
(2)因為測小燈泡的伏安特性曲線，所以要采用滑動變阻器的分壓式和電流表的外接，電路如圖所示：
(3)因為燈泡的電阻隨電功率的增加而變大，所以R＝，而圖線斜率變大，所以縱坐標(biāo)表示的是電壓，橫坐標(biāo)表示的是電流．
10．見解析
解析　(1)如圖所示，開關(guān)應(yīng)安在火線一邊，電流表外接與內(nèi)接都可以．
(2)采用電流表外接的，電壓較高段誤差更大，因為電壓越高，燈絲電阻越大，由于電壓表分流而造成的誤差越大；采用電流表內(nèi)接的，電壓較低段誤差更大，因為電壓越小，燈絲電阻越小，由于電流表分壓造成的誤差越大．
(3)50.6 W．兩個相同燈泡串聯(lián)，電流大小相等，每個燈兩端電壓都是110 V，在圖線上找出電壓110 V對應(yīng)的電流值，電壓與電流相乘就等于電功率，再乘以2即為結(jié)果．

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