押题1. 发光二极管(LED)近年来被人们誉为是本世纪的新型光源。有一些手灯就是用几个发光二极管并联后作为光源使用的,其发光效率很高。它在正常工作时,正向压降约3.2V,电流在15mA左右。现取这样一只发光二极管(电路符号用
表示),要测量它的伏安特性,另提供有下列的实验器材:电源E(电动势为4V,内阻不计);滑线变阻器R0(阻值0-20Ω);毫安表mA(量程20mA,有内阻);数字万用表(电压挡v有五个量程:分别为0.2V、2V、20V、200V、2000V,内阻很大);开关一只;导线若干。
要求:(Ⅰ)在方框内画出能测定其伏安特性的电路原理图,并在图上注明电压表挡所选量程。
(Ⅱ)某实验员通过实验已得出了图甲所示的U-I特性曲线图。接着,他又用该二极管、电源E和另一只固定电阻R等组成图乙所示的电路,当闭合开关S时,发现二极管发出微弱白光,立即用万用表的电压挡测得电阻R两端的电压为1.0V,由此可以判定电阻R的阻值大约为 Ω。
[押题依据]该题基本模型取自于“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验,由发光二极管取代小灯泡,使得题目焕然一新。发光二极管不但在课本中已经提到,而且在实际当中也越来越多的得到人们的应用,近几年所出产的手电筒和小台灯的光源,几乎完全由发光二极管所替代,因为它的发光效率和使用寿命是灯丝型灯泡无法比拟的。发光二极管与一般的整流二极管相比,其伏安特性曲线也更趋平缓,所以更便于测量和研究。该题对学生的能力要求较高,所考查的知识点也较多,如发光二极管的正向导通电压、正常工作时的电流、额定电功率、非线性特征、数字万用表的使用、电路的设计与计算、利用图线解决实际问题等。发光二极管在实际使用时为了保证其正常工作,常需要串联一个限流电阻,所以本题的第二问也自然而然的与实际问题有机的结合起来。
押题指数:9
[解题指导]由于发光二极管的电阻为一动态值,题目又明显给出了伏特表内阻很大、毫安表有内阻等条件,所以测量电路中电流表应采用外接法,并且二极管必须加正向电压。对于控制电路,由于滑线变阻器的阻值相对很小,所以只能采用分压式。所设计的电路如图丙所示。当二极管与电阻R串联接在电源E上时,由串联电路的分压规律得知,二极管两端电压为3V,从图线上查出3V时的电流约为6.5mA,所以由欧姆定律得出电阻R = U/I = 1/0.0065=154Ω。
得分锦囊:同学们作题时要会从题给条件中细心收集有用信息并进行综合分析,比如在发光二极管正常工作时,其等效电阻约200Ω,在正向电压更小时,其阻值将迅速增加,这样,滑线变阻器的连接方式就会很清楚的显示出来。另外,通过该题的训练,同学们还要进一步了解其它二极管的相关特性,如一般整流二极管,硅材料导通电压为0.6伏至0.8伏;发单色光的发光二极管其导通电压各不相同,一般都在3.5伏以下,其工作电流一般小功率的都被限制在10-30mA。知道了这些,再遇到此类型的题目时就很容易入题了。
押题2. 某同学从实验室中找到一只小灯泡,上边标称功率值为0.75W,额定电压值已模糊不清,为了得到额定电压值,他先用欧姆表直接测出该灯泡的电阻约2Ω,然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U =
=
V =1.23V。该同学怀疑所得电压值不准确,于是,他利用表(1)中可供选择的实验器材设计一个电路进行测量。当电压达到1.23V时,发现灯泡亮度很弱,于是,该同学继续缓慢地增加电压,当达到2.70V时,发现灯泡已过亮,立即断开开关,通过表(2)中记录的数据进行分析。
试完成下列实验要求:
(Ⅰ)根据表(2)中的实验数据,在给出的方格纸内画图,并从图线上分析该灯的额定电压到底为多少? ;与一开始的计算相比,是大还是小?为什么? 。
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电压表V |
量程3V,内阻约3KΩ |
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电流表A1 |
量程150mA,内阻约2Ω |
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电流表 A2 |
量程500mA,内阻约0.6Ω |
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滑线变阻器R1 |
0-20Ω |
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滑线变阻器R2 |
0-50Ω |
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电源E |
电动势4.0V,内阻不计 |
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开关S和导线 |
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表1 . 实验器材 |
(Ⅱ)从表(2)中的实验数据可以分析,该同学实验时所选择的电路应为下列四个电路图中的图 ;所用的电流表为 ;滑线变阻器为 。
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次数 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
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U/v |
0.20 |
0.60 |
1.00 |
1.40 |
1.80 |
2.20 |
2.70 |
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I/mA |
80 |
155 |
195 |
227 |
255 |
279 |
310 |
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表2. 实际测量的电压、电流值 |
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[押题依据]:关于测量小灯泡的伏安特性,是近年来人们普遍关注的一个热点实验,由本实验所衍生出来的变形实验也很多,如灯泡电功率的测定、热敏电阻、光敏电阻等一些半导体材料的伏安特性的测定等。对于此题来说给出了灯泡的额定功率,以此来判断其额定电压,这样的考查形式显得非常新颖,当然对学生的能力要求也是非常高的。在测量电路上采用选择电路的形式,是为了降低该题的难度,提高题目的区分度。
押题指数:9
[解题指导]先分析表中电压和电流的大小,恰当选取纵横坐标轴的标度,所画图线如图(甲)所示。从图线上可以看出,在电压等于2.20V时,通过计算其功率约为0.6W,在电压为2.70V时,计算出功率约为0.84W,所以其额定电压必在2.70伏以下2.20伏以上。由此,从图线上很快找出2.5V的这一点,电流约0.3安,则其功率约为0.75W,于是得到该灯的额定电压为2.5V。通过对灯泡冷态电阻的测量,得到的电压虽然不正确,但由于它低于额定电压,所以从安全的角度考虑,这一步还是必要的。从题给条件可知,毫安表需选用A2,并且需外接,在控制电路中,当采用限流式接法时,通过表中第一组数据可以求出可变电阻R约为(4-0.2)/0.08=47.5Ω,故选用变阻器R2完全可以满足要求。若采用分压式接法,由于灯泡的电阻在2.5/0.3=8.3Ω以下,用变阻器R1 和R2都不便于操作,所以应采用限流式,变阻器选R2,电路图选A。
得分锦囊:现在高考实验对考生的要求越来越高,且越来越贴近实际,这样才能真正体现出科学实验的价值来。实验室中做实验时,往往一开始我们对所需要的数据知之甚少,在大堆的实验器材中,也更无从下手,那么怎样根据要求收集相关信息和相关的参考数据呢?通过该题的训练,我们要明白,从题目所给的每个条件和一些暗示上认真分析,并与所学课本知识建立结合点,这样,很快就能理清思路,确定出合理的实验方法。
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