专题实验9　描绘小电珠的伏安特性曲线-备战2023年高考物理实验专题突破

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思维突破
原型突破
重点讲析
一、基本原理与操作
原理电路图
操作要领
二、数据处理
(1)在坐标纸上以U为横轴，以I为纵轴，建立坐标系。
(2)在坐标纸上描出各组数据所对应的点。
(3)将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小电珠的伏安特性曲线。
三、注意事项
1．电流表外接法：本实验中被测小电珠灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法。
2．滑动变阻器应采用分压式连接
3．保护元件安全：为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于图中的a端。加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压。
四、误差分析
1．由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，对电路的影响会带来误差，电流表外接，由于电压表的分流，使测得的电流值大于真实值。
2．测量时读数带来误差。
3．在坐标纸上描点、作图带来误差。
【例1】（2022·广东惠州·二模）在用伏安法测量金属丝的电阻（约为10Ω），并描绘出该金属丝伏安特性曲线的实验中，备有下列器材：
A．量程为0 ~ 0.6A，内阻约为0.5Ω的电流表；
B．量程为0 ~ 3A，内阻约为0.1Ω的电流表；
C．量程为0 ~ 3V，内阻约为6kΩ的电压表；
D．量程为0 ~ 15V，内阻约为30kΩ的电压表；
E．阻值为0 ~ 1kΩ，额定电流约为0.5A的滑动变阻器；
F．阻值为0 ~ 10Ω，额定电流约为2A的滑动变阻器；(1)连接电路：用导线进行实物连线
(2)测量与记录：移动滑动变阻器触头位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，填入自己设计的表格中
(3)画图象：画I－U图线
G．蓄电池电压5V；
H．开关一个，导线若干。
（1）为了尽可能提高测量精度，且要求测量多组实验数据，电流表应选用_______；电压表应选用_______；滑动变阻器应选用_______。（只填字母代号）
（2）在答题卡的方框内画出符合要求的实验电路图。_______
【答案】 A C F
【解析】（1）[1][2][3]电源电动势为5V，选0 ~ 15V量程的电压表读数误差较大，电压表应选C。通过电阻丝的最大电流约为
电流表应选A；为方便实验操作，滑动变阻器应选F。
（3）[4]电压从0开始测量，滑动变阻器应采用分压接法
则电流表应采用外接法，实验电路图如图所示
【例2】（2022·江苏连云港·二模）小芳同学想利用实验室的器材描绘出某电风扇的伏安特性曲线。她通过说明书得到电风扇的额定电压为5.0V，额定功率约为2.5W。器材有：
电源E：电动势为6.0V，内阻忽略不计
电流表A1：量程0.6A，内阻约为10Ω
电流表A2：量程100mA，内阻为r2=4Ω
定值电阻R1=10Ω
定值电阻R2=50Ω滑动变阻器R3：最大阻值10Ω，最大电流0.5A
滑动变阻器R4：最大阻值3Ω，最大电流3A
滑动变阻器R5：最大阻值100Ω，最大电流3A
开关、导线等。
（1）滑动变阻器应选用______（选填“R3”“R4”或“R5”）；为了精确测量数据，选用定值电阻_______（选填“R1”或“R2”），将电流表A2改装成电压表使用。
（2）请根据选用的实验器材设计实验电路，将最优电路设计图画在图甲虚线方框内，电风扇符号用M表示，需在图中标上所用元件对应的符号________。
（3）小芳在实验中发现，小电风扇在电流较小时不能转动。她多次测量描绘出I2一I1图像如图乙所示，其中I1为电流表A1的读数，I2为电流表A2的读数。当I1为0.10A，I2为10mA时，小电风扇的电阻为______Ω（结果保留两位有效数字）。
（4）从小芳描绘的I2一I1图像可以看出，随着I2的不断增大，I1先增大到某值时突然减小，造成这种现象的原因是______。
【答案】 R4 R2 6.0 电动机突然开始转动，产生了反电动势
【解析】（1）[1]电风扇的额定电压为
额定功率为
电风扇的额定电流为
由于要描绘出这台电风扇的伏安特性曲线，电压需要从0调节，滑动变阻器采用分压式，使得串联接入电路部分的电流有可能大于0.5A，所以为了防止滑动变阻器烧坏且操作方便，滑动变阻器选；
[2]通过电流表A2与电阻串联改装成电压表，因电压调节范围为0～5.0V，需要串联的电阻阻值为
所以选取固定电阻
改装成电压表，其量程为
（2）[3]因为电压需从零开始测起，则滑动变阻器采用分压式接法，因此电流表采用外接法，电路图如图所示
（3）[4]小电风扇在电流表读数小时电风扇不能转动，属于纯电阻电路，实验数据得知为0.10A时，为
小电风扇的电阻为
（4）[5]小电风扇在电流较小时不能转动，随着电流的不断增大，电动机突然开始转动，产生了反电动势，所以先增大到某值时突然减小。
创新突破
重点讲析
以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性等特点，常见创新点如下：
实验原理的创新
1.分析小灯泡的电阻、电阻率的变化情况。
2.借助伏安特性曲线进行实验数据处理，计算小灯泡的最小功率和最大功率。
【例1】（2022·安徽马鞍山·三模）某同学进行“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验：要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。已选用的器材有：
待测小灯泡（额定电压为2.5V，额定功率为1.5W）；
电源（电动势为3V，内阻约1Ω）；
电流表（量程为0~0.6A，内阻约5Ω）；
电压表（量程为0~3V，内阻为3kΩ）；
开关一个、导线若干。
（1）实验中所用的滑动变阻器应选_____。（填写器材前面的序号）
A．滑动变阻器（最大阻值5Ω，额定电流2A）
B．滑动变阻器（最大阻值100Ω，额定电流2A）
（2）描绘出小灯泡的I-U特性曲线如图中实线所示，则可知该灯泡电阻随电压升高而____（填“增大”“减小”或“不变”）；已知图中虚线为该灯泡两端电压为1.5V时I-U特性曲线的切线，则此时灯泡的实际阻值为_____Ω（保留两位有效数字）。
（3）若将两只完全相同的该灯泡串联后与一电动势为3V、内阻为2Ω的电源串联成闭合回路，则每只灯泡的实际功率为_______W（结果保留两位有效数字）。
【答案】 A 增大 2.8##2.7##2.6##2.9 0.45##0.46##0.47##0.48##0.49##0.50##0.51##0.52##0.53实验器材及目的的创新
1.电路中增加R2和S2，作用是实验前使电容器所带的电荷中和。
2.实物连线图随之发生变化。
3.将测小电珠的伏安特性曲线改为测电容器充电时两极间的U­t图线。
实验方案创新
1.由测小灯泡换成分析电源。
2.由伏安法测小灯泡伏安特性曲线，改为利用伏安特性曲线分析。
【解析】（1）[1]描绘小灯泡伏安特性曲线，需要将滑动变阻器采用分压式接法，为方便实验操作滑动变阻器应选较小电阻，故选A；
（2）[2]小灯泡伏安特性曲线的割线斜率为小灯泡的电阻的倒数，则可知该灯泡电阻随电压升高而增大；
[3]灯泡两端电压为1.5V时，此时灯泡的实际阻值为
（3）[4]当把两只这样规格的小灯泡串联后直接接在电动势为3V、内阻为2Ω的电源上组成闭合回路时，设小灯泡的电压为U，电流为I，由闭合电路欧姆定律可得
所以灯泡电压
在U-I中作出上式的图像，如下所示
图线交点坐标约为(0.45V，1.05A)，则每只灯泡的功率为
则每只灯泡的实际功率为0.45~0.53W。
【例2】（2022·湖南师大附中二模）表格中所列数据是测量小灯泡关系的实验数据：
（1）分析上表内实验数据可知，应选用的实验电路图是图中的_________（填“甲”或“乙”）；
（2）在图中的方格纸内画出小灯泡的曲线；________U/V
0
0.2
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
I/A
0
0.050
0.100
0.150
0.180
0.195
0.205
0.215
（3）有人推论：如果灯泡两端的电压增大到3.5V，那么灯泡中通过的电流一定小于0.251A，你认为他的推论是否正确，_______为什么？_______。
（4）如图丙所示，用一个定值电阻R和两个上述小灯泡组成串并联电路，连接到内阻不计、电动势为3V的电源上。已知流过电阻R的电流是流过灯泡b电流的两倍，则流过灯泡b的电流约为________A。
【答案】 甲 正确 见解析 0.210
【解析】（1）[1]由表格数据，灯泡电压要从0开始变化，应选择分压式电路，故选甲；
（2）[2]小灯泡的曲线如图所示
（3）[3][4]正确，因为从图线可知，电压越高，灯丝电阻越大，因此3.5 V时的电阻肯定比3.0 V时大，假设此两电压下的电阻相等，则
解得
所以3.5V电压对应的实际电流I