2020版新一线高考物理（新课标）一轮复习教学案：第8章实验九　描绘小灯泡的伏安特性曲线

实验九　描绘小灯泡的伏安特性曲线

1．实验目的

(1)掌握滑动变阻器的连接方式。

(2)描绘小灯泡的伏安特性曲线，分析曲线的变化规律。

2．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，在I­U坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连接起来。

3．实验器材

小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、电源、开关、导线、坐标纸。

4．实验步骤

(1)按如图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a端。

(3)闭合开关，改变滑动变阻器电阻，测出几组电流表和电压表的示数。

(4)在I­U坐标系中，画出小灯泡的伏安特性曲线。

5．注意事项

(1)本实验中被测小灯泡的电阻值较小，电路采用电流表外接法。

(2)滑动变阻器应采用分压式接法，使小灯泡两端的电压能从零开始连续变化。

(3)开关闭合前滑动变阻器应调到使小灯泡两端电压为0的位置。

(4)小灯泡两端的电压不要超过其额定电压。

考点一| 实验电路与器材的选择

1．限流和分压两种电路的比较

2.限流和分压两种电路的选择

(1)要求电压从0开始逐渐增大，采取分压接法。

(2)要求所测量范围尽可能大，采取分压接法。

(3)变阻器电阻比负载电阻小很多，采取分压接法。

(4)用限流法不能把电流控制在量程内，采取分压接法。

(5)除了上述情况外才可考虑用限流法。

(6)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。

3．本实验的器材选择

根据小灯泡的额定值确定电流表和电压表的量程。滑动变阻器的阻值要比小灯泡的电阻小，越小越便于调节。

1．有一个小电珠上标有“4 V,2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个电珠的I­U图线，现有下列器材供选用：

A．电压表(0～5 V，内阻10 kΩ)

B．电压表(0～15 V，内阻20 kΩ)

C．电流表(0～3 A，内阻0.4 Ω)

D．电流表(0～0.6 A，内阻1.0 Ω)

E．滑动变阻器(10 Ω，2 A)

F．滑动变阻器(500 Ω，1 A)

G．学生电源(直流6 V)、开关、导线若干

(1)实验时，选用图甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：

_______________________________________________________________

______________________________________________________________。

甲　　　　　　　　　乙

(2)实验中所用电压表应选用__________，电流表应选用__________，滑动变阻器应选用__________。(用序号字母表示)

(3)把图丙中所示的实验器材按图甲用笔画线代替导线连接成实物电路图。

丙

解析：(1)由于测量数据要从零开始，故采用题图甲所示的分压式电路，且能方便地多测几组数据。

(2)因小电珠额定电压为4 V，则电压表选量程为0～5 V的电压表。小灯泡的额定电流为I＝＝ A＝0.5 A，则电流表选D。滑动变阻器应选最大阻值较小的E，这样在实验中移动滑片时能使电路中的电流和电压有明显的变化，从而减小读数误差。

(3)电路图如图所示。

答案： (1)描绘电珠的I­U图线所测数据需从零开始，并要多取几组数据

(2)A　D　E　(3)见解析图

2．现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V,0.6 W”小灯泡的I­U图线，有下列器材供选用：

A．电压表(0～3 V，内阻3 kΩ；0～15 V，内阻10 kΩ)

B．电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω；0～3 A，内阻0.1 Ω)

C．滑动变阻器(10 Ω，2 A)

D．滑动变阻器(100 Ω，1.0 A)

E．蓄电池(电动势6 V，内阻不计)

甲　　　　　　　　　乙

(1)为了减小测量误差，图甲中的S1应接__________(选填“M”或“N”)，滑动变阻器应选用__________(用序号字母表示)。

(2)根据你选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需电路图。

(3)开关S闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于__________(选填“A”“B”或“AB正中间”)端。闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，电压表示数变化明显，但电流表示数始终为0，则电路故障为__________。

解析：(1)由电路图可知，电路采用了滑动变阻器分压接法；因灯泡内阻较小，故电流表采用外接法；故S1应接在M点；因采用分压接法，故滑动变阻器采用小电阻，应选用C。

(2)根据实验原理图画出实物图如图所示：

(3)为了保证实验安全，开始时灯泡两端的电压应为最小，故滑动变阻器的滑片应在A端；由题意可知，电压表示数变化明显，说明电压表与电源相连，且滑动变阻器连接正常，而电流表没有示数说明电路是断开的，由电路图可知，只能是灯泡发生了断路故障。

答案：(1)M　C　(2)见解析　(3)A　小灯泡断路

考点二| 实验图象与数据处理

1．画图象

根据测出的电流、电压值描点，要用平滑曲线将各点拟合起来，不要画成折线。

2．分析图象

(1)U­I图象：图象的斜率越大表示电阻越大。

(2)I­U图象：图象的斜率越大表示电阻越小。

3．应用图象

(1)在伏安特性曲线上找到符合电路的实际电压和电流，可计算电阻或功率。

(2)当把被测的小灯泡与电源连接时，要综合应用小灯泡和电源的两个U­I图象，利用两个图象的交点求解。

1.(2017·全国卷Ⅰ)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3.8 V，额定电流0.32 A)；电压表(量程 3 V，内阻 3 kΩ)；电流表 (量程0.5 A，内阻 0.5 Ω)；固定电阻R0(阻值1 000 Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0 Ω)；电源E(电动势5 V，内阻不计)；开关S；导线若干。

(1)实验要求能够实现在0～3.8 V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。

(a)　　　　　　　　　　　　　(b)

由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻______(选填“增大”“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率________(选填“增大”“不变”或“减小”)。

(3)用另一电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)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)小灯泡的电压要求从0开始调节，滑动变阻器采用分压式接法，小灯泡的额定电压超出电压表的量程，需与R0串联后接入电路。电路图如答案图所示。

(2)I­U图象中随着电流的增大，图线的斜率变小，小灯泡的电阻增大。根据电阻定律R＝ρ，得灯丝的电阻率增大。

(3)当R＝0时，电源路端电压与电流的关系图象如图线甲所示。此时小灯泡功率有最大值。

当R＝9 Ω时，将R看作电源内阻，则等效电源内阻为10 Ω，其路端电压与电流的关系图象如图线乙所示。此时小灯泡功率有最小值。

取图线甲与小灯泡伏安特性曲线交点：

U1＝3.66 V，I1＝0.319 A，

小灯泡的最大功率P1＝U1I1≈1.17 W。

取图线乙与小灯泡伏安特性曲线交点：

U2＝1.77 V，I2＝0.222 A，

小灯泡的最小功率P2＝U2I2≈0.39 W。

答案：(1)实验电路原理如图所示。

(2)增大　增大　(3)0.39　1.17

2．由金属丝制成的电阻阻值会随温度的升高而变大。某同学为研究这一现象，亲自动手通过实验描绘这样一个电阻器的伏安特性曲线。可供选择的实验器材有：

A．待测电阻器Rx(2.5 V,1.2 W)

B．电流表(0～0.6 A，内阻为1 Ω)

C．电压表(0～3 V，内阻未知)

D．滑动变阻器(0～10 Ω，额定电流1 A)

E．电源(E＝3 V，内阻r＝1 Ω)

F．定值电阻R0(阻值5 Ω)

G．开关一个和导线若干

(1)实验时，该同学采用电流表内接法，并且电阻器两端电压从零开始变化，请画出实验电路图。

(2)按照正确的电路图，该同学测得实验数据如下：

其中，I是电流表的示数，U是电压表的示数，UR是电阻器两端的实际电压。请通过计算补全表格中的空格，然后在坐标图中画出电阻器的伏安特性曲线。

(3)该同学将本实验中的电阻器Rx以及给定的定值电阻R0二者串联起来，接在本实验提供的电源两端，则电阻器的实际功率是________W。(结果保留2位小数)

解析：(1)要使电阻器两端电压从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法。电路如图甲所示。

甲　　　　　　　　　　　乙

(2)电压表的示数减去电流表的分压即为电阻器两端的电压UR＝U－Ir，数据如下表。电阻器的伏安特性曲线如图乙所示。

(3)由UR＋I(r＋R0)＝E作出U­I图象如图乙中直线所示，由此图象与电阻器U­I图线的交点可得此时电阻器的电压UR＝0.9 V，电流I＝0.35 A，电阻器的实际功率为P＝URI≈0.32 W。

答案：(1)见解析　(2)见解析　(3)0.32

考点三| 实验的拓展与创新

在本实验电路的基础上，进行改进拓展，常见的命题角度有：

1．改变实验目的：如题1中，探究小灯泡的电功率与电压的关系，如题2中，探究热敏电阻的温度特性。

2．改变待测元件：如题3、4中探究二极管、太阳能电池或其他未知元件的伏安特性。

3．改变实验电路：如题5中，在电表内阻已知的情况下，利用定值电阻改装电表量程后，再进行测量。

1．为探究小灯泡的电功率P和电压U的关系，小明测量小灯泡的电压U和电流I，利用P＝UI得到电功率。实验所使用的小灯泡规格为“3.0 V　1.8 W”，电源为12 V的电池，滑动变阻器的最大阻值为10 Ω。

(1)准备使用的实物电路如图所示。请将滑动变阻器接入电路的正确位置。(用笔画线代替导线)

(2)现有10 Ω、20 Ω和50 Ω的定值电阻，电路中的电阻R1应选________Ω的定值电阻。

(3)测量结束后，应先断开开关，拆除________两端的导线，再拆除其他导线，最后整理好器材。

(4)小明处理数据后将P­U2描点在坐标纸上，并作出了一条直线，如图所示。请指出图象中不恰当的地方。

解析：(1)连线如图所示。

(2)小灯泡电阻大约为5 Ω，当滑动变阻器阻值最大时，小灯泡与滑动变阻器的并联电阻值约为3.3 Ω，则12 V－3 V＝×R1，解得R1＝9.9 Ω，所以R1应取10 Ω的定值电阻。

(3)实验结束，断开开关，拆除电池两端导线，以防电源短路。

(4)在坐标纸上描出的点并不是在一条直线上，图线应为曲线；横坐标的标度值取得太大，应适当减小。

答案：(1)见解析图　(2)10　(3)电池　(4)图线不应画为直线；横坐标的标度不恰当

2.(2018·全国卷Ⅰ)某实验小组利用如图(a)所示的电路探究在25 ℃～80 ℃范围内某热敏电阻的温度特性。所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻RT，其标称值(25 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(量程150 mV)；定值电阻R0(阻值20.0 Ω)，滑动变阻器R1(最大阻值为1 000 Ω)；电阻箱R2(阻值范围0～999.9  Ω)；单刀开关S1，单刀双掷开关S2。

(a)

实验时，先按图(a)连接好电路，再将温控室的温度t升至80.0 ℃。将S2与1端接通，闭合S1，调节R1的滑片位置，使电压表读数为某一值U0；保持R1的滑片位置不变，将R2置于最大值，将S2与2端接通，调节R2，使电压表读数仍为U0；断开S1，记下此时R2的读数。逐步降低温控室的温度t，得到相应温度下R2的阻值，直至温度降到25.0 ℃。实验得到的R2­t的数据见下表。

回答下列问题：

(1)在闭合S1前，图(a)中R1的滑片应移动到________(选填“a”或“b”)端；

(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并做出R2­t曲线；

(b)

(3)由图(b)可得到RT在25 ℃～80 ℃范围内的温度特性。当t＝44.0 ℃时，可得RT＝________ Ω；

(4)将RT握于手心，手心温度下R2的相应读数如图(c)所示，该读数为________ Ω，则手心温度为________℃。

(c)

解析：(1)题图(a)的电路中滑动变阻器采用限流接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的阻值最大，使电路中电流最小，即题图(a)中R1的滑片应移到b端。

(2)将t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2­t曲线。

(3)根据题述实验过程可知，测量的R2的数据等于对应的热敏电阻RT的阻值。由画出的R2­t曲线可知，当t＝44.0 ℃时，对应的RT＝450 Ω。

(4)由画出的R2­t曲线可知，当RT＝620.0 Ω时，手心温度t＝33.0 ℃。

答案：(1)b

(2)如图

(3)450

(4)620.0　33.0

3．(2019·南昌调研)二极管是一种半导体元件，它的符号为，其特点是具有单向导电性，即电流从正极流入时电阻比较小，而从负极流入时电阻比较大。

(1)某课外兴趣小组想要描绘某种晶体二极管的伏安特性曲线，因二极管外壳所印的标识模糊，为判断该二极管的正、负极，他们用多用电表电阻挡测二极管的正、反向电阻；其步骤是：将选择开关旋至合适倍率，进行欧姆调零，将黑表笔接触二极管的左端，红表笔接触右端时，指针偏角比较小；然后将红、黑表笔位置对调后再进行测量，指针偏角比较大，由此判断__________(选填“左”或“右”)端为二极管的正极；

(2)厂家提供的伏安特性曲线如图所示，为了验证厂家提供的数据，该小组对加反向电压时的伏安特性曲线进行了描绘，可选用的器材有：

A．直流电源E：电动势5 V，内阻忽略不计；

B．直流电源E：电动势50 V，内阻忽略不计；

C．滑动变阻器R：0～20 Ω；

D．电压表V1：量程45 V，内阻约500 kΩ；

E．电压表V2：量程3 V，内阻约20 kΩ；

F．电流表μA：量程300 μA，内阻约400 Ω；

G．电流表mA：量程50 mA，内阻约5 Ω；

H．待测二极管D；

I．单刀单掷开关S，导线若干。

①为了提高测量结果的准确度，选用的器材__________(填序号字母)。

②为了达到测量目的，请在虚线框内画出正确的实验电路原理图。

③为了保护二极管，反向电压不要达到40 V，请你对本实验的设计或操作提出一条合理的建议：

_______________________________________________________________

______________________________________________________________。

解析：(1)欧姆表内部有电源，电源正极接在负接线柱上，当红表笔接触右端时，说明红表笔接入电源的负极；此时指针偏角较小，说明电阻较大，故说明接入了反向电压，故二极管右端应为正极。

(2)①电源电压应选择50 V的电源，因为要测量反向电压，故电压表应选45 V量程进行测量；而由伏安特性曲线可知，电路中电流较小，故电流表应选量程300 μA的即可，故选BCDFHI。

②为了得出完整的图象，应采用分压式接法，同时因反向电阻较大，故可以采用电流表内接法，电路如图。

③可能的答案：a在二极管支路串入一阻值合适的分压电阻起保护作用；b闭合开关前滑动触头停在最左端，向右移动滑动触头时应缓慢进行，同时仔细观察电压表示数变化，以防止电压达到40 V。

答案：(1)右　(2)①BCDFHI　②电路图见解析　③可能的答案：a.在二极管支路串入一阻值合适的分压电阻起保护作用；b.闭合开关前滑动触头停在最左端，向右移动滑动触头时应缓慢进行，同时仔细观察电压表示数变化，以防止电压达到40 V

4．(2019·洛阳质检)硅光电池是一种可将光能转换为电能的器件。某同学用图甲所示电路探究硅光电池的路端电压U与总电流I的关系。图中R0为已知定值电阻，电压表视为理想电压表。

甲　　　　　　　　　乙

丙

(1)请根据电路图，用笔画线代替导线将图乙中的实验器材连接成实验电路。

(2)若电压表V2的读数为U0，则I＝__________。

(3)实验一：用一定强度的光照射硅光电池，调节滑动变阻器，通过测量得到该电池的U­I曲线如图丙a。由此可知电池内阻__________(选填“是”或“不是”)常数，短路电流为__________mA，电动势为__________V。

(4)实验二：减小实验一中光的强度，重复实验，测得U­I曲线如图丙b。当滑动变阻器的电阻为某值时，若实验一中的路端电压为1.5 V。则实验二中外电路消耗的电功率为__________mW。(计算结果保留2位有效数字)

答案：(1)如图所示　(2)

(3)不是　0.295　2.67　(4)0.068

5．(2019·西安模拟)学校开放实验室，同学们为了描绘小灯泡L的伏安特性曲线，并想同时较准确的测量其在额定电流下的功率，领取可供选用的器材如下：

小灯泡L，规格“额定电流为1.0 A，额定功率约为6.0 W”；

电流表A1，量程3 A，内阻约为0.1 Ω；

电流表A2，量程0.5 A，内阻r2＝4 Ω；

电压表V，量程3 V，内阻RV＝1.0 kΩ；

标准电阻R1，阻值4.0 Ω；

标准电阻R2，阻值2.0 kΩ；

学生电源E，电动势约为8 V，内阻不计；开关S及导线若干。

甲　　　　　　　　　　乙

(1)实验时有两个滑动变阻器可供选择：

a．阻值0到10 Ω，额定电流1.0 A

b．阻值0到20 Ω，额定电流2.0 A

本实验应选的滑动变阻器是__________(选填“a”或“b”)。

(2)老师要求要尽量能准确地描绘出小灯泡L完整的伏安特性曲线，电压需从零开始，在安全前提下尽可能减小误差且调节方便，在图甲虚线框内画出满足要求的实验电路图，并在图上标明所选器材代号。

(3)某次实验时，若电流表满偏时，电压表的读数如图乙所示，则电压表的读数为__________，灯泡额定功率为__________W。(计算结果保留2位有效数字)

答案：(1)b　(2)如图所示　(3)2.60 V　5.8