(10 分)某同学要研究一小灯泡 L(3.6V,0.30A…——2020 高考物理第 10 题答案解析

2020_新课标II卷

2020 全国 第 10 题 解答题 区分题
2020_新课标II卷

10.(10 分)某同学要研究一小灯泡 L(3.6V,0.30A)的伏安特性。所用器材有:电流表$\mathbf { A } _ { 1 }$ (量程200mA,内阻 $\mathrm { R } _ { \mathrm { g l } } { = } 1 0 . 0 \Omega \cdot$ )、电流表 $\mathbf { A } _ { 2 }$ (量程500mA,内阻 $\mathrm { R } _ { \mathrm { g } 2 } { = } 1 . 0 \Omega \cdot$ )、定值电阻 $\mathrm { R } _ { 0 }$ (阻值 $\mathrm { R } _ { 0 } { = } 1 0 . 0 \Omega $ )、滑动变阻器 $\mathsf { R } _ { 1 }$ (最大阻值10Ω)、电源E(电动势4.5V,内阻很小)、开关S 和若干导线。该同学设计的电路如图(a)所示。

( 1 ) 根 据 图 ( a ), 在 图 ( b ) 的 实 物 图 中 画 出 连 线 。


图(a)


图(b)

(2)若 $\mathrm { I } _ { 1 }$ 、 $\mathrm { I } _ { 2 }$ 分别为流过电流表 $\mathbf { A } _ { 1 }$ 和 $\mathbf { A } _ { 2 }$ 的电流,利用 $\mathrm { I } _ { 1 }$ 、 $\mathrm { I } _ { 2 }$ 、 $\mathrm { R _ { g 1 } }$ 和 $\mathrm { R } _ { 0 }$ 写出:小灯泡两端的电压 ${ \mathrm { U } } { = } \mathrm { { \_ { I } } _ { 1 } \mathrm { ~ ( R _ { g l } { \pm } R _ { 0 } ) } }$ ,流过小灯泡的电流 $\mathrm { I } { = } \_ { \mathrm { I } _ { 2 } - \mathrm { I } _ { 1 } }$ 。为保证小灯泡的安全, $\mathrm { I } _ { 1 }$ 不能超过 $1 8 0 ~ \mathrm { \ m A }$

(3)实验时,调节滑动变阻器,使开关闭合后两电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片的位置并读取相应的 $\mathrm { I } _ { 1 }$ 、 $\mathrm { I } _ { 2 } .$ .所得实验数据在表中给出。

<table><tr><td> $I_{1}/mA$ </td><td>32</td><td>55</td><td>85</td><td>125</td><td>144</td><td>173</td></tr><tr><td> $I_{2}/mA$ </td><td>171</td><td>229</td><td>299</td><td>379</td><td>424</td><td>470</td></tr></table>

根据实验数据可算得,当 $\mathrm { I } _ { 1 } { = } 1 7 3 \mathrm { m A }$ 时,灯丝电阻 $\ R = \_ 1 1 . 6 \Omega$ (保留1位小数)。

(4)如果用另一个电阻替代定值电阻 $\mathrm { R } _ { 0 }$ ,其他不变,为了能够测量完整的伏安特性曲线,所用电阻的阻值不能小于 8.0 Ω(保留1位小数)。

参考答案

(1) 如上图所示; (2) ${ \mathrm { I } } _ { 1 } ~ ( \mathrm { R } _ { \mathrm { g l } } { + } \mathrm { R } _ { 0 } ) , ~ { \mathrm { I } } _ { 2 } - { \mathrm { I } } _ { 1 }$ ,180; (3) 11.6; (4) 8.0

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【分析】(1)根据电路图按照要求连接实物图;

(2)根据欧姆定律和并联电路特点求解即可;

(3)结合题意根据欧姆定律可知此时小灯泡的电阻;

(4)结合灯泡的额定电压和电流表 $\mathbf { A } _ { 1 }$ 的量程200mA,根据欧姆定律解得所用电阻的阻值不能小于 8.0Ω。

【解答】解:(1)根据电路图连接实物图如图所示:

(2)根据电路图可知灯泡两端的电压为电流表 $\mathbf { A } _ { 1 }$ 和 $\mathrm { R } _ { 0 }$ 的总电压,故根据欧姆定律有:$\mathrm { U } { = } \mathrm { I } _ { 1 } ~ ( \mathrm { R } _ { \mathrm { g } 1 } { + } \mathrm { R } _ { 0 } )$

根据并联电路特点可知流过小灯泡的电流为: $\mathrm { I } { = } \mathrm { I } _ { 2 } - \mathrm { I } _ { 1 }$

因为小灯泡的额定电压为3.6V,故根据题目中已知数据解得: $\mathrm { I } _ { 1 } { = } \frac { 3 . 6 } { 1 0 . 0 { + } 1 0 . \ 0 } \mathrm { A } ^ { = } 0 . 1 8 \mathrm { A }$ $= 1 8 0 \mathrm { m A }$ ,故 $\mathrm { I } _ { 1 }$ 不能超过 180mA;

(3)根据表中数据可知当 $\mathrm { I } _ { 1 } { = } 1 7 3 \mathrm { m A }$ 时, $\mathrm { I } _ { 2 } { = } 4 7 0 \mathrm { m A }$ ;根据前面的分析代入数据可知此时灯泡两端的电压为 $\mathrm { U } { = } 3 . 4 6 \mathrm { V } ;$ ;流过小灯泡的电流为 $\mathrm { I } { = } 2 9 7 \mathrm { m A } { = } 0 . 2 9 7 \mathrm { A }$ ;故根据欧姆定律可知此时小灯泡的电阻为: $R { = } \frac { U } { I } { = } \frac { 3 . 4 6 } { 0 . 2 9 7 } \Omega { = } 1 1 . 6 \Omega$

(4)要测量完整的伏安特性曲线则灯泡两端的电压至少要达到3.6V,而电流表 $\mathbf { A } _ { 1 }$ 不能超过其量程200mA,根据欧姆定律有: $\begin{array} { r l } { { \mathrm { U } } { = } \mathrm { I _ { g 1 } } ^ { \prime } } & { { } ( \mathrm { R _ { g 1 } } { + } \mathrm { R _ { 0 } } ) } \end{array}$ ),代入数据有: $3 . 6 \mathrm { V } { = } 0 . 2 \mathrm { A } \times$ $\left( 1 0 \mathrm { + } \mathbf { R } _ { 0 } \right) \ \Omega$ ,解得: $\mathrm { R } _ { 0 } { = } 8 . 0 \Omega$ ,即要完整的测量小灯泡伏安特性曲线所用电阻的阻值不能小于 8.0Ω。

故答案为:(1)如上图所示;② ${ \mathrm { I } } _ { 1 } ~ ( \mathrm { R } _ { \mathrm { g l } } { + } \mathrm { R } _ { 0 } ) , ~ { \mathrm { I } } _ { 2 } - { \mathrm { I } } _ { 1 }$ ,180;(3)11.6;(4)8.0

【点评】本题考查了实物图的连接和欧姆定律以及并联电路特点的应用,解决此题的关键是对本实验的原理要做到清楚明白,同时对实验数据的处理能力对学生要求较高。

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