2020版物理新增分大一轮江苏专用版讲义：第七章恒定电流实验七

实验七　描绘小灯泡的伏安特性曲线

1．实验原理

(1)测多组小灯泡的U、I的值，并绘出I－U图象；

(2)由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系．

2．实验器材

小灯泡“3.8 V,0.3 A”、电压表“0～3 V～15 V”、电流表“0～0.6 A～3 A”、滑动变阻器、学生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔．

3．实验步骤

(1)画出电路图(如图1甲所示)．

图1

(2)将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如图乙所示的电路．

(3)测量与记录

移动滑动变阻器的滑动触头位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入自己设计的表格中．

(4)数据处理

①在坐标纸上以U为横轴，I为纵轴，建立直角坐标系．

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，得到小灯泡的伏安特性曲线．

4．实验器材选取

(1)原则：①安全；②精确；③操作方便．

(2)具体要求

①电源允许的最大电流不小于电路中的实际最大电流．干电池中电流一般不允许超过0.6 A.

②用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流．

③电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值．

④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的以上．

⑤从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器．

5．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(3.8 V,0.3 A)的电阻很小，与量程为0.6 A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接法：目的是使小灯泡两端的电压能从0开始连续变化．

(2)闭合开关S前，滑动变阻器的滑动触头应移到使小灯泡分得电压为0的一端，使开关闭合时小灯泡的电压能从0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U＝1.0 V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0 V左右绘点要密，以防出现较大误差．

6．误差分析

(1)由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，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.

命题点一　教材原型实验

例1　为描绘小灯泡的伏安特性曲线，实验室备有下列器材：

A．小灯泡(额定电压3 V，额定电流600 mA)

B．电流表A1(量程0～0.6 A，内阻约为0.5 Ω)

C．电流表A2(量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω)

D．电压表V(量程0～3 V，内阻约为10 kΩ)

E．滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)

F．滑动变阻器R2(0～500 Ω，1 A)

G．直流电源E(约3 V)

H．开关、导线若干

图2

(1)实验中电流表应选用________，滑动变阻器应选用________(以上均填器材代号)．

(2)请根据所选器材补充完整图2甲实验原理图，并标明所选器材代号．

(3)正确实验，测量出多组数据，以灯泡两端的电压U为横轴，电流表的示数I为纵轴，描点如图乙所示，请在图中作出小灯泡的伏安特性曲线．

(4)上述实验过程中，小虎同学不慎将所选滑动变阻器损坏，便选用另一滑动变阻器，重新连成完整电路，闭合开关，从最左端向最右端缓慢匀速移动滑动变阻器滑片的过程中，观察到电流表和电压表的示数变化情况是_________________________________________.

答案　(1)A1　R1　(2)、(3)见解析图　(4)开始示数一直较小，几乎不变，滑片接近最右端时，示数突然变大

解析　(1)灯泡的额定电流为600 mA，因此电流表应选择0.6 A量程的A1；本实验采用滑动变阻器分压接法，因此滑动变阻器应选择总阻值较小的R1；

(2)根据原理可知，本实验应采用滑动变阻器分压接法，同时灯泡内阻较小，故电流表采用外接法，实验原理图如图甲所示；

(3)小灯泡的伏安特性曲线如图乙；

(4)因另一滑动变阻器R2的阻值为500 Ω较大，比小灯泡电阻大的多，则在滑动变阻器滑片开始滑动的阶段，滑动变阻器与小灯泡并联后的阻值一直很小，所以电压表和电流表的读数会一直很小，当滑动变阻器滑片接近最右端时，小灯泡两端的电压会突然接近电源电压，则此时电压表和电流表的读数会突然增大．

变式1　(2018·泰州中学考试)小华和小明在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，将实验数据记录在下表中：

(1)实验室有两种滑动变阻器供选择：

A．滑动变阻器(阻值范围0～10 Ω、额定电流3 A)

B．滑动变阻器(阻值范围0～2 000 Ω、额定电流1 A)

实验中选择的滑动变阻器是________．(填写字母序号)

(2)在图3甲中用笔画线代替导线，将实验电路连接完整．

(3)开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至最__________(选填“左”或“右”)端．

(4)利用表中数据，在图乙中画出小灯泡的U－I图线．

图3

(5)他们在U－I图象上找到小灯泡工作电压为2.0 V时坐标点，计算此状态的电阻值时，小明提出用图象上该点曲线切线的斜率表示小灯泡的阻值；小华提出该点与坐标原点连线的斜率表示小灯泡的阻值．你认为________(选填“小华”或“小明”)的方法正确．

答案　(1)A　(2)见解析图　(3)左　(4)见解析图

(5)小华

解析　(1)由于灯泡的电阻大约为几欧，为了便于调节，滑动变阻器选择0～10 Ω的．

(2)由于灯泡的电压和电流从零开始测起，则滑动变阻器采用分压式接法，电压表选择0～3 V量程，电流表采用外接法．实物连线图如图甲所示．

(3)为了保护测量电路，开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至最左端．

(4)小灯泡的U－I图线如图乙所示．

(5)根据欧姆定律知，R＝，电阻的大小为该点与坐标原点连线的斜率，故小华的方法正确．

命题点二　实验的拓展与创新

例2　(2018·南京市、盐城市一模)在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，甲、乙、丙三位学生用导线按如图4甲所示方式连接好电路，电路中所有元件都完好，且电压表和电流表已调零．闭合开关后：

图4

(1)甲学生发现电压表示数为2 V，电流表的示数为零，小灯泡不亮，这是由于导线________断路；

(2)乙学生发现电压表的示数为零，电流表的示数为0.3 A，小灯泡亮，这是由于导线________断路；

(3)丙学生发现反复调节滑动变阻器，小灯泡亮度发生变化，但电压表、电流表的示数都不能调为零，这是由于导线________断路；

(4)电路检查完备后，用正确的电路测得小灯泡两端的电压与通过它的电流的变化关系曲线，如图乙所示．现将它与19 Ω的定值电阻R 串联，接在电动势为8 V、内阻为1 Ω的电源上，则小灯泡的实际功率是________ W.

答案　(1)d　(2)h　(3)g　(4)0.6

解析　(1)电压表示数为2 V，说明连接电压表的导线正常，电流表示数为零且灯泡不亮，说明电路断开，所以应为d导线断路；

(2)电流表有示数且小灯泡亮，说明连接灯泡和电流表、电源的导线正常，电压表示数为零，说明电压表没有接入电路，所以应为h导线断路；

(3)发现反复调节滑动变阻器，小灯泡亮度发生变化，但电压表、电流表的示数都不能调为零，说明滑动变阻器为限流式接入电路，g导线断路；

(4)将电源和19 Ω的电阻视为一个新电源，根据E＝U＋Ir可知，U＝8－20r，将路端电压与电流关系图象画入I－U图象中，如图所示：

两线的交点横、纵坐标值即为灯泡工作时的电压与电流，由图象可知，U＝2 V，I＝0.3 A，所以灯泡的实际功率P＝UI＝0.6 W.

变式2　(2018·南通市、泰州市一模)在描绘小灯泡的伏安特性曲线实验中，提供下列器材：

A．小灯泡(3 V　0.6 W)；

B．电压表(0～3 V，内阻约3 kΩ)；

C．电压表(0～15 V，内阻约15 kΩ)；

D．电流表(0～250 mA，内阻约1 Ω)；

E．电流表(0～0.6 A，内阻约0.4 Ω)；

F．滑动变阻器(10 Ω　2 A)；

G．滑动变阻器(1 kΩ　0.5 A)；

H．电源(电动势6 V)；

I．开关、导线若干．

(1)实验时电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________．(用字母序号表示)

(2)请用笔画线代替导线，将如图5甲所示实物电路图连接完整．

图5

(3)实验中记录多组电压表示数U和电流表示数I，如下表所示．请在图乙中画出I－U图象.

(4)如果将这个小灯泡接到电动势为3 V、内阻为5 Ω的电源两端，小灯泡消耗的功率是________ W．(结果保留两位有效数字)

答案　(1)B　D　F　(2)如图所示

(3)如图所示

(4)0.38(0.37～0.39)

变式3　某同学想要描绘标有“3.8 V,0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整．可供该同学选用的器材除开关、导线外，还有：

电压表V1(量程0～3 V，内阻等于3 kΩ)

电压表V2(量程0～15 V，内阻等于15 kΩ)

电流表A1(量程0～200 mA，内阻等于10 Ω)

电流表A2(量程0～3 A，内阻等于0.1 Ω)

滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流2 A)

滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流0.5 A)

定值电阻R3(阻值等于1 Ω)

定值电阻R4(阻值等于10 Ω)

定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)

电源E(E＝6 V，内阻不计)

(1)请在虚线框中画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁．

(2)该同学描绘出的I－U图象应是下图中的________．

答案　(1)见解析图　(2)B

解析　(1)用电压表V1和R5串联，可改装成量程为U＝(rV1＋R5)＝×(3＋1) V＝4 V的电压表；用量程为200 mA的电流表A1与定值电阻R4并联可改装为量程为I＝IA1＋＝0.2 A＋ A＝0.4 A的电流表；待测小灯泡的阻值较小，故采用电流表外接，电路图如图所示．

(2)小灯泡的电阻随温度升高而变大，故该同学描绘出的I－U图象应该是B.

1．(2018·东台创新学校月考)有一个小灯泡上标有“4 V　2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个小灯泡的U－I图线．有下列器材供选用：

A．电压表(0～5 V，内阻10 kΩ)

B．电压表(0～10 V，内阻20 kΩ)

C．电流表(0～0.3 A，内阻1 Ω)

D．电流表(0～0.6 A，内阻0.4 Ω)

E．滑动变阻器(5 Ω，1 A)

F．滑动变阻器(500 Ω，0.2 A)

(1)实验中电压表应选用________，电流表应选用________(用序号字母表示)．

(2)为使实验误差尽量小，要求电压从零开始变化且多取几组数据，滑动变阻器应选用_______(用字母序号表示)，实验中滑动变阻器应采用________接法(填“分压”或“限流”)．

(3)请在虚线框内画出满足实验要求的电路图，并把由图6所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图．

图6

答案　(1)A　D　(2)E　分压　(3)见解析图

解析　(1) 小灯泡上标有“4 V　2 W”，UL＝4 V，IL＝＝ A＝0.5 A．故电压表选用A，电流表选用D.

(2)要求电压从零开始变化且多取几组数据，滑动变阻器应选用E，实验中滑动变阻器应采用分压接法．

(3)小灯泡电阻相对电压表电阻较小，采用电流表的外接法．电路图与实物连线如图所示．

2．(2018·溧水中学期初模拟)小张和小明测绘标有“3.8 V　0.4 A”小灯泡的伏安特性曲线，提供的实验器材有：

A．电源E(4 V，内阻约0.4 Ω)

B．电压表V(2 V，内阻为2 kΩ)

C．电流表A(0.6 A，内阻约0.3 Ω)

D．滑动变阻器R(0～10 Ω)

E．三个定值电阻(R1 ＝1 kΩ，R2＝2 kΩ，R3＝5 kΩ)

F．开关及导线若干

图7

(1)小明研究后发现，电压表的量程不能满足实验要求，为了完成测量，他将电压表进行了改装．在给定的定值电阻中选用________(选填“R1”“R2”或“R3”)与电压表________(选填 “串联”或“并联”)，完成改装．

(2)小张选好器材后，按照该实验要求连接电路，如图7所示(图中电压表已经过改装)．闭合开关前，小明发现电路中存在两处不恰当的地方，分别是：①__________；②______________.

(3)正确连接电路后，闭合开关，移动滑动变阻器的滑片P，电压表和电流表的示数改变，但均不能变为零．由此可以推断电路中发生的故障可能是导线________(选填图中表示导线的序号)出现了________(选填“短路”或“断路”)．

答案　(1)R2　串联　(2)电流表采用了内接法　滑动变阻器滑片放在了最右端　(3)8　断路

解析　(1)电压表的量程为2 V，内阻为2 kΩ，故选用阻值是2 kΩ的R2与电压表串联后可达到实验的要求；(2)因电压表的内阻远大于灯泡的内阻，故电流表应该外接；因采用分压电路，故闭合开关前滑动变阻器滑片应该在最左端；(3)移动滑片，电压表与电流表示数不能为零，说明滑动变阻器是限流接法，由题图所示电路图可知，可能是导线8发生断路造成的．

3．(2018·江苏押题卷) 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，现除了有一个标有“5 V,

2.5 W”的小灯泡、导线和开关外，还有：

A．直流电源(电动势约为5 V，内阻可不计)

B．直流电流表(量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω)

C．直流电压表(量程0～3 V，内阻约为15 kΩ)

D．直流电压表(量程0～6 V，内阻约为30 kΩ)

E．滑动变阻器(最大阻值10 Ω，允许通过的最大电流为2 A)

F．滑动变阻器(最大阻值1 kΩ，允许通过的最大电流为0.5 A)

G．定值电阻R0＝8 Ω

实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能测多组数据．

(1)实验中应选用的器材有_____________(均用序号字母表示)．

(2)在虚线框中画出实验原理电路图；

(3)某次实验测得两表的读数如图8所示，则此时小灯泡的电阻是________Ω.(结果保留两位有效数字)

图8

(4)另一实验小组选用另外的器材，通过实验正确作出的小灯泡的伏安特性曲线如图9甲所示．现把实验中使用的小灯泡接到如图乙所示的电路中，其中电源电动势E＝4 V，内阻r＝1 Ω，定值电阻R＝9 Ω，此时小灯泡的实际功率为________W．(结果保留两位有效数字)

图9

答案　(1)ACDEG　 (2)见解析图　(3)6.3　(4)0.34

解析　(1)标有“5 V,2.5 W”的小灯泡的额定电流为0.5 A，电流表量程太大，不宜采用，电表内阻不确定，不宜改装，所以可以通过测量定值电阻的电流来测量通过灯泡的电流，小灯泡两端的电压从零开始变化并能测多组数据，滑动变阻器采用分压式接法，滑动变阻器应选用E，所以选用的器材有：ACDEG.

(2)实验原理电路图如图甲所示．

(3)由题图知U1＝2.20 V，U2＝5.0 V，则RL＝≈6.3 Ω.

(4)小灯泡接到电路中，电源电动势E＝4 V，内阻r＝1 Ω，小灯泡两端电压与电流的关系为UL＝E－I(R＋r)＝4－10I，在小灯泡的伏安特性曲线上再画UL－I图线，如图乙，两者交点表示小灯泡的工作电压与电流，由图可得小灯泡此时的工作电压约为1.2 V，工作电流约为0.28 A，此时小灯泡的实际功率P＝UI＝1.2×0.28 W≈0.34 W.