2021版浙江新高考选考物理一轮复习教师用书：11实验微讲座31实验七　测绘小灯泡的伏安特性曲线

实验七　测绘小灯泡的伏安特性曲线

一、实验目的

1．测绘小灯泡的伏安特性曲线．

2．分析伏安特性曲线的变化规律．

二、实验原理

用电流表测出流过小灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多组(U，I)值，在U－I坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连起来．

三、实验器材

小灯泡(3.8V，0.3A)或(2.5V，0.6A)一个、电压表(0～3V～15V)与电流表(0～0.6A～3A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20Ω)一个、学生低压直流电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔．

四、滑动变阻器的限流接法和分压接法

1．两种接法比较

由上表可以看出：滑动变阻器的分压式接法中，电压和电流的调节范围很大，限流式接法较节能．

2．两种接法的选择

3．两种接法的适用条件

限流式接法适合测量阻值小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小)．

分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的总电阻要大)．

如果Rx很小，限流式接法中滑动变阻器分得电压较大，调节范围也比较大．Rx很大时，分压式接法中Rx几乎不影响电压的分配，滑片移动时，电压变化接近线性关系，便于调节．

(1)若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程，或超过待测电阻的额定电流(或电压)，则必须选用分压式接法．

(2)若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时，待测电阻上的电流或电压变化范围不够大，此时，应改用分压电路．

(3)若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式电路．

(4)两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法电路简单、耗能低．

五、实验步骤

1.确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分压式接法，按所示的原理图连接好实验电路．

2．把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S.

3．移动滑动变阻器滑片位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S.

4.拆除电路，整理仪器．

六、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．(坐标系纵轴和横轴的标度要适中，以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜)　

3．将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线．

七、注意事项

1．电路的连接方式

(1)电流表应采用外接法：因为小灯泡(3.8V，0.3A)的电阻很小，与0～0.6A的电流表串联时，电流表的分压影响很大．

(2)滑动变阻器应采用分压式连接：目的是使小灯泡两端的电压能从零开始连续变化．

2．闭合开关S前，滑动变阻器的触头应移到使小灯泡分得电压为零的一端，使开关闭合时小灯泡的电压从零开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小灯泡两端电压过大而烧坏灯丝．

3．I－U图线在U0＝1.0V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0V左右绘点要密，以防出现较大误差．

4．当小灯泡的电压接近额定值时要缓慢增加，到额定值记录I后马上断开开关．

5．误差较大的点要舍去，I－U图线应是平滑曲线而非折线．

八、误差分析

1．由于电压表、电流表不是理想电表，电表内阻对电路的影响会带来误差．

2．电流表、电压表的读数带来误差，要严格按照读数规则读数．

3．在坐标纸上描点、作图带来操作误差．

　对实验原理与操作的考查

【典题例析】

　(2020·温州月考)在某次“测绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，所选用的实验器材有：

A．小灯泡“2.5V　0.2A”

B．电流表0～0.6～3A(内阻约1Ω)

C．电压表0～3～15V(内阻很大)

D．滑动变阻器“2A　10Ω”

E．电源(两节干电池)

F．开关一个，导线若干

(1)在实验时小杰同学采用了如图所示的实物电路图，则具体实验操作前，该电路需改进的地方有___________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

(2)在方框中画出正确的电路图．

(3)当开关闭合后，滑动变阻器的滑片从左向右滑动过程中，灯泡始终不亮，但电压表有示数，则可能出现的故障是________．

A．小灯泡灯丝断了

B．连接电源的导线断开

C．电流表上某个接线柱与导线断开

D．开关接触不良造成断路

[解析]　(1)由于小灯泡电阻比电压表内阻小得多，和电流表内阻差不多，电流表要外接；小灯泡额定电流为0.2A，电流表应选0.6A量程；合上开关前，为了保护电表，测量电路电压最小，故滑动变阻器滑片应置于左侧．

(3)电压表有示数说明电压表到电源是通的，A正确．

[答案]　(1)电流表应外接；电流表应选0.6A量程；滑动变阻器滑片应置于左侧　(2)如图所示　(3)A

　在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，采用如图所示的电路可以方便地调节小灯泡两端的电压值，已知两个滑动变阻器的最大阻值分别为R1、R2，且R1＝10R2.

(1)请根据实物图在虚线框中画出相应的电路图；

(2)在实验中，为了使小灯泡的电压在开始时有最小值，在闭合开关前，两个滑动变阻器的滑片P1和P2应分别放在________(选填“a”或“b”)端和________(选填“c”或“d”)端；

(3)采用这个电路能够达到精细调节小灯泡两端电压的目的，其中滑动变阻器________(选填“R1”或“R2”)用于精细调节．

解析：(2)根据电路图可以看出，要使小灯泡的电压在开始时有最小值，在闭合开关前，两个滑动变阻器的滑片P1和P2应分别放在b端和c端．

(3)因为R2阻值较小，即移动相同长度时电阻变化较小，所以可用于精细调节．

答案：(1)如图所示　(2)b　c　(3)R2

　对实验数据处理与误差分析的考查

【典题例析】

　(2020·1月浙江选考)(1)小明同学用多用电表测量一未知电阻器的阻值．经过规范操作后，所选欧姆挡倍率及指针位置分别如图甲、乙所示，则此电阻器的阻值为________Ω.

(2)在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中：

①如图丙所示，已经连接了一部分电路，请将电路连接完整．

②合上开关后，测出9组I、U值，在I－U坐标系中描出各对应点，如图丁所示．请在图中画出此小灯泡的伏安特性曲线．

③与图丁中P点对应的状态，小灯泡灯丝阻值最接近________．

A．16.7 Ω　　　B．12.4 Ω　　　C．6.2 Ω

答案：(1)1 700～1 800　(2)①如图1所示　②如图2所示　③C

　在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，小灯泡额定电压为2.5V、额定电流为0.3A.

(1)部分连线的实物图如图甲所示，请完成实物连接图；

甲　　　　　　　　　　　　　乙

(2)某次实验中，电流表的示数为0.18A，电压表的指针如图乙所示，则读数为______V，此时小灯泡的功率是______W；

(3)正确测量获得的伏安特性曲线应是如图所示图象中的________(填选项字母)．

解析：(2)电压表读数为1.50V，小灯泡的功率P＝UI＝0.27W.

(3)温度升高，小灯泡的电阻变大，所以C正确．

答案：(1)如图所示　(2)1.50　0.27　(3)C

　创新实验

【典题例析】

　(2019·4月浙江选考)小明想测额定电压为2.5V的小灯泡在不同电压下的电功率，设计了如图1所示的电路．

(1)在实验过程中，调节滑片P，电压表和电流表均有示数但总是调不到零，其原因是________的导线没有连接好(图中用数字标记的小圆点表示接线点，横线上请填写图中的数字，如“7点至8点”)；

(2)正确连好电路，闭合开关，调节滑片P，当电压表的示数达到额定电压时，电流表的指针如图2所示，则电流为________A，此时小灯泡的功率为______W；

(3)做完实验后，小明发现在实验报告上漏写了电压为1.00V时通过小灯泡的电流，但在草稿纸上记录了下列数据，你认为最有可能的是________．

A．0.08A　　　B．0.12A　　　C．0.20A

[解析]　(1)根据题意可知，1点至4点的导线没有连接好，使得滑动变阻器的分压接法变为限流接法．

(2)根据读数规则，电流表的读数为0.30A，此时小灯泡的功率P＝UI＝0.75W.

(3)电压较小时，灯丝温度不高，故阻值比电压较大时的阻值要小，根据I＝可知，C可能正确．

[答案]　(1)1点至4点　(2)0.30　0.75　(3)C

　某同学研究小灯泡的伏安特性．所使用的器材有：小灯泡L(额定电压3.8V，额定电流0.32A)；电压表V(量程3V，内阻3kΩ)；电流表A(量程0.5A，内阻0.5Ω)；固定电阻R0(阻值1000Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0Ω)；电源E(电动势5V，内阻不计)；开关S；导线若干．

(1)实验要求能够实现在0～3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量，画出实验电路原理图．

(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示．由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻________(填“增大”“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率________(填“增大”“不变”或“减小”)．

(3)用另一电源E0(电动势4V，内阻1.00Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路，调节滑动变阻器R的阻值，可以改变小灯泡的实际功率．闭合开关S，在R的变化范围内，小灯泡的最小功率为________W，最大功率为________W．(结果均保留2位小数)

解析：(1)要实现在0～3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量，则滑动变阻器需要设计成分压接法；电压表V应与固定电阻R0串联，将量程改为4V．由于小灯泡正常发光时电阻约为12Ω，所以需将电流表外接．(2)由小灯泡伏安特性曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻增大．根据电阻定律可知，灯丝的电阻率增大．(3)当滑动变阻器接入电路中的阻值最大为9.0Ω时，流过小灯泡的电流最小，小灯泡的实际功率最小，把滑动变阻器视为等效电源内阻的一部分，在题图(a)中画出等效电源E′0(电动势4V，内阻1.00Ω＋9.0Ω＝10Ω)的伏安特性曲线，函数表达式为U＝4－10I(V)，图线如图中Ⅰ所示，故小灯泡的最小功率为Pmin＝U1I1＝1.75×0.225W≈0.39W．当滑动变阻器接入电路中的阻值最小为零时，流过小灯泡的电流最大，小灯泡的实际功率最大，在题图(a)中画出电源E0(电动势4V，内阻1.00Ω)的伏安特性曲线，函数表达式为U＝4－I(V)，图线如图中Ⅱ所示，故小灯泡的最大功率为Pmax＝U2I2＝3.68×0.318W≈1.17W.

答案：(1)实验电路原理图如图所示

(2)增大　增大　(3)0.39　1.17

1．(2016·10月浙江选考)“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验，要求采用分压电路，电流表外接．小王的连线如图1所示，闭合开关S前请老师检查，老师指出图中标示的①、②两根连线有一处错误，错误连线是________(填“①”或“②”)；图中标示的③、④和⑤三根连线有一处错误，错误连线是________(填“③”“④”和“⑤”)．小王正确连线后，闭合开关S前，应将滑动变阻器滑片C移到________处(填“A”或“B”)．闭合开关S，此时电压表读数为________V．缓慢移动滑片C至某一位置时，电流表指针如图2所示，电流表的示数为________A.

解析：本实验的电路图如图所示，应该采用分压式、外接法，所以①、④两根导线有问题．实验开始时为了保证实验仪器的正常使用，需要将C拨到最左端，即A处，开关闭合后，电压表读数为0.图2中电流表的读数为0.32A.

答案：①　④　A　0　0.32

2．(2020·丽水调研)某学习小组要描绘一个标有“3.6V　1.2W”的小灯泡的伏安特性曲线，除了导线和开关外，还有下列器材可供选择：

直流电源E(电动势4.5V，内阻不计)

电压表V(量程5V，内阻约为5kΩ)

电流表A1(量程350mA，内阻约为1Ω)

电流表A2(量程150mA，内阻约为2Ω)

滑动变阻器R1(阻值0～200Ω)

滑动变阻器R2(阻值0～10Ω)

(1)实验中电流表应选________，滑动变阻器应选________；(填写器材代号)

(2)如图所示，以下的四个电路中应选用________进行实验．

解析：(1)灯泡的规格为“3.6V　1.2W”，则灯泡的额定电流I＝A＝333mA，灯泡的电阻Rx＝10.8Ω，观察所给器材的规格，电流表应该用量程为350mA的A1，测量灯泡的伏安特性曲线，小灯泡的电压和电流需要从零调起，所以滑动变阻器应该用分压式接法，所以用R2.

(2)据R＝10.82<RARV＝5000，所以电流表应用外接法，所以实验电路要选择A图．

答案：(1)A1　R2　(2)A

3．(2020·台州测试)某同学在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，所用小灯泡的规格为“2.5V，0.3A”．

(1)用实验室的“高中学生电源”作为电源，应该选用图甲中__________(选填“稳压2A”或“交流3A”)的两个接线柱．

(2)滑动变阻器应该选__________[选填“R1(5Ω，2A)”或“R2(50Ω，1A)”]．

(3)小潘同学连接电路之后，合上开关(如图乙所示)，移动滑动变阻器，灯泡发光、电流表和电压表都有正示数．但同桌指出还有一处错误，这错误是________________．

(4)实验结束之后，他描绘了如图丙所示的伏安特性曲线，老师一看就判定是错误，老师判定的依据是_________________________________________________________________

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答案：(1)稳压2A　(2)R1(5Ω，2A)　(3)电流表没有外接

(4)电压增大电阻应增大，此图电压增大，电阻减小了