2020版高考物理新设计一轮复习江苏专版讲义：第七章实验七描绘小灯泡的伏安特性曲线

实 验 七描绘小灯泡的伏安特性曲线一、实验目的1．描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、实验器材小灯泡、电压表、电流表、滑动变阻器、学生低压直流电源(或电池组)、开关、导线若干、坐标纸、铅笔。突破点(一)　实验原理与电路设计[例1]　要描绘一个标有“3 V　0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线，灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3 V，并便于操作。已选用的器材有：电池组(电动势4.5 V，内阻约1 Ω)；电流表(量程为0～250 mA，内阻约5 Ω)；电压表(量程为0～3 V，内阻约3 kΩ)；开关一个，导线若干。(1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的________(填仪器前的字母)。A．滑动变阻器(最大阻值20 Ω，额定电流1 A)B．滑动变阻器(最大阻值1 750 Ω，额定电流0.3 A)(2)实验的电路图应选用下列的图________。(3)根据你所选择的电路图分析，在闭合开关之前，应将滑动变阻器的滑片移到最________(填“左”或“右”)端；闭合开关，移动滑片，使电表的示数逐渐________(填“增大”或“减小”)。依次记录电流及相应的电压。[答案]　(1)A　(2)B　(3)左　增大[由题引知·要点谨记]1．考查滑动变阻器的选择[对应第(1)题]在分压式接法中，为便于调节，滑动变阻器应选用阻值小，额定电流较大的。2．考查滑动变阻器的分压式与限流式接法的判断[对应第(2)题](1)两种接法的适用情形①限流式接法适合测量阻值小的电阻。②分压式接法适合测量阻值较大的电阻。(2)两种接法的选择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。3．考查电流表内、外接法的选择[对应第(2)题]根据Rx<知，应该选择电流表外接法。4．考查实验操作[对应第(3)题](1)为保证电表的安全，在闭合开关时，应使电表的示数为零。(2)实验中应缓慢移动滑动变阻器的滑片，且使电表的示数由零逐渐增大。(3)实验结束后，断开开关，应先拆除电源两端的导线，以防止电源短路。[集训冲关]1．(2019·无锡四校联考)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，还有下列器材：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．直流电流表(量程0～600 mA，内阻约为5 Ω)D．直流电压表(量程0～15 V，内阻约为15 kΩ)E．直流电压表(量程0～5 V，内阻约为10 kΩ)F．滑动变阻器(最大阻值10 Ω，允许通过的最大电流为2 A)G．滑动变阻器(最大阻值1 kΩ，允许通过的最大电流为0.5 A)(1)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，实验中电流表应选用______，电压表应选用______，滑动变阻器应选用________(均填相应器材前的字母)。(2)请按要求在框线中画出电路图，并将图中所示的器材连成实验电路。解析：(1)灯泡的额定电流为I＝＝ A＝0.5 A，故电流表选择C；灯泡的额定电压为5 V，故电压表选择E；因本实验采用分压接法，故滑动变阻器选择小电阻F。(2)由题意可知，本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，故应采用分压接法；电流表内阻接近灯泡内阻，为了减小电流表内阻的影响，电流表采用外接法，电路如图甲所示：器材连成实验电路如图乙所示。答案：(1)C　E　F　(2)见解析图甲　(3)见解析图乙2．(2018·盐城期末)为了描绘小灯泡的伏安特性曲线，实验室可供选择的器材如下：A．待测小灯泡(2.5 V　400 mA)B．电流表(0～0.6 A　内阻约0.5 Ω)C．电压表(0～3 V　内阻约5 kΩ)D．滑动变阻器R1(0～500 Ω　2 A)E．滑动变阻器R2(0～5 Ω　1.5 A)F．滑动变阻器R3(0～50 Ω　1.5 A)G．直流电源E(约3 V　内阻不计)H．开关S，导线若干请回答以下问题。(1)待测小灯泡正常工作时消耗电功率是________W。(2)按图甲所示，实验前滑动变阻器的滑片P应置于______端(选填“a”或“b”)。(3)按图甲所示的电路，电压表应接在________端(选填“cd”或“ce”)；滑动变阻器选用的是________(选填“R1”“R2”或“R3”)。(4)闭合开关S，滑动变阻器滑片P从a端向b端移动过程中，发现电压表示数始终大于1.5 V，则电路中出现的故障位置可能是________处(选填“a”“b”“d”或“e”)。(5)排除故障后，测量出多组数据。电压表的示数U为横轴，电流表的示数I为纵轴，描点作出小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示，分析图像可知灯丝电阻随温度的升高而________(选填“减小”或“增大”)。解析：(1)小灯泡的额定电压为2.5 V，额定电流为400 mA，正常工作时消耗电功率P＝UI＝2.5×0.4 W＝1.0 W。(2)实验前小灯泡上的电压要尽可能的小，滑动变阻器的滑片P应置于a端。(3)正常工作时，小灯泡的电阻约为R＝＝ Ω＝6.25 Ω，远小于电压表内阻，所以采用电流表外接法，电压表应接在cd之间；为描绘小灯泡的伏安特性曲线，要求进行多次测量，滑动变阻器采用分压接法，选择小电阻，即选R2。(4)实验中，滑动变阻器滑动触头P在ab间移动时，发现小灯泡两端的电压始终大于1.5 V，即滑动变阻器没有采用分压式接法。则电路中出现的故障可能是a处断路，即滑动变阻器变成了限流式接法。(5)分析图像可知，电流越大，电阻越大，则可知灯丝电阻随温度的升高而增大。答案：(1)1.0　(2)a　(3)cd　R2　(4)a　(5)增大3．在做研究小灯泡的伏安特性实验时，所用器材有：电动势为6 V的电源，额定电压为2.5 V 的小灯泡，以及符合实验要求的滑动变阻器、电表、开关和导线。要求能测出尽可能多组数据，如图甲是没有连接完的实物电路。(已连接好的导线有a、b、c、d、e、f六根)(1)请你用笔画线代替导线，将实物电路连接完整。(2)闭合开关，移动滑片P到某处，电压表的示数为2.2 V，若要测量小灯泡的额定功率，应将滑片P向________端滑动(选填“左”或“右”)。(3)图乙中U­I图线是曲线而不是过原点的直线，原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。解析：(1)要“描绘小灯泡的伏安特性曲线”，电压要从0开始连续可调，故滑动变阻器要采用分压接法，由于小灯泡为小电阻，故电流表要采用外接法；因灯泡电压为2.5 V，故电压表量程为3 V；实物图连接如图所示。(2)小灯泡的额定电压为2.5 V，而此时电压表的示数为2.2 V，故要增大小灯泡两端的电压，则应该增大滑片P和左端之间的电阻，故应将滑片P向右端滑动。(3)该曲线的斜率k＝＝R，故斜率大小代表小灯泡电阻的大小，由于电压越大，灯泡的实际功率越大，即灯丝的温度越高，电阻越大，即灯丝的电阻随温度的升高而增大。答案：(1)见解析图　(2)右　(3)灯丝的电阻会随温度的升高而增大突破点(二)　器材选取与数据处理[例2]　有一个小灯泡上有“4 V　2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的I­U图线。现有下列器材供选用：A．电压表(0～5 V，内阻约10 kΩ)B．电压表(0～15 V，内阻约20 kΩ)C．电流表(0～3 A，内阻约1 Ω)D．电流表(0～0.6 A，内阻约0.4 Ω)E．滑动变阻器(最大阻值10 Ω，额定电流2 A)F．滑动变阻器(最大阻值500 Ω，额定电流1 A)G．学生电源(直流6 V)、开关、导线若干(1)实验中所用电压表应选______，电流表应选______，滑动变阻器应选________。(2)在虚线框内画出实验电路图。(3)利用实验数据绘出小灯泡的I­U图线如图所示，分析图线说明小灯泡电阻变化的特点：________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)实验误差主要是________表的读数与小灯泡的真实值不同，导致被测电阻R测______R真(选填“>”“＝”或“<”)，该误差属于________(选填“系统”“偶然”)误差。[答案]　(1)A　D　E　(2)如图所示　(3)随着灯泡两端电压的增大，灯泡的电阻逐渐增大　(4)电流　<　系统[由题引知·要点谨记] 1.考查实验器材的选择(1)电压表的选择根据用电器的额定电压来选择。[对应第(1)题第1空](2)电流表的选择根据用电器的额定电流来选择。[对应第(1)题第2空](3)滑动变阻器的选择在分压式接法中，滑动变阻器选阻值小、额定电流大的。[对应第(1)题第3空]2.考查数据处理和识图能力[对应第3题]1根据数据描出的点，若不在一条直线上，则应用平滑的曲线进行连接，不能用直线或折线连接。2应使图线穿过尽可能多的点。3根据图线斜率的物理意义去分析判断。 [集训冲关]4．(2018·南通模拟)为描绘一只标有“2.5 V　0.75 W”字样的小灯泡的伏安特性曲线，实验室提供了如下实验器材：电压表V(量程为0～3 V，内阻约5 kΩ)电流表A1(量程为0～0.6 A，内阻约1 Ω)电流表A2(量程为0～3 A，内阻约10 Ω)滑动变阻器R1(0～10 Ω)滑动变阻器R2(0～100 Ω)干电池两节，开关S及导线若干(1)为了使测量的准确度较高，调节方便，实验中应选用电流表________，滑动变阻器________；(2)在图甲所示虚线内画出实验电路图；(3)连接电路，闭合开关，移动变阻器滑片P，发现小灯泡始终不亮，但电压表有示数，电流表几乎不偏转，则故障的原因可能是__________________；(4)排除故障后，正确操作得到多组U、I数据，利用Excel软件描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示，设小灯泡正常发光的电阻为RA，小灯泡发光较暗时的电阻为RB，根据图像可以判断RA________(选填“大于”“等于”或“小于”)RB。解析：(1)灯泡额定电流为0.3 A，但如果采用3 A量程误差过大，因此只能采用0.6 A量程的A1，本实验中采用滑动变阻器分压接法，因此应采用总阻值较小的滑动变阻器R1。(2)本实验中应采用滑动变阻器分压接法，同时电流表应采用外接法，如图所示。(3)闭合开关，发现灯泡不亮，电流表指针几乎不偏转，说明电路断路。电压表有示数，说明与电压表并联部分断路，则电路故障的原因可能是灯泡断路。(4)I­U图像中图像的斜率表示电阻的倒数，则由题图乙可知，正常发光时的斜率较小，故说明正常发光时的电阻大于较暗时的电阻。答案：(1)A1　R1　(2)见解析图　(3)小灯泡断路(4)大于5．(2019·徐州检测)描绘“2.8 V,0.8 W”灯泡的I­U图线。下列供选用的器材有：A．电压表V(0～3 V，内阻约6 kΩ)；B．电流表A1(0～3 A，内阻约0.1 Ω)；C．电流表A2(0～0.6 A，内阻约0.5 Ω)；D．滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)；E．滑动变阻器R2(0～200 Ω，0.5 A)；F．蓄电池E(电动势4 V，内阻不计)。(1)电流表选________，滑动变阻器选________(用器材的代号表示)。(2)现已完成实验电路部分导线的连接，如图甲所示。请用笔画线代替导线完成余下导线的连接。(3)在图乙坐标纸上根据数据点绘出I­U图线。(4)将此灯泡与蓄电池E、滑动变阻器连接，滑动变阻器阻值调为________Ω时，灯泡正常发光。解析：(1)由P＝UI可得，电流为I＝0.29 A，故电流表应选C；本实验中应选用分压式接法，故滑动变阻器应选小电阻，故滑动变阻器选D。(2)由于R＝＝9.8 Ω，则有R2＜RVRA，所以电流表采用外接法，由于要描绘小灯泡的I­U图线，滑动变阻器采用分压式接法，电路图如图1所示。(3)在坐标纸上用平滑曲线连接各点，绘出I­U图线如图2所示。(4)灯泡正常发光时，电压为UL＝2.8 V，I＝0.28 A，可得滑动变阻器阻值调为R＝＝＝ Ω≈4.3 Ω。答案：(1)C　D　(2)见解析图1　(3)见解析图2　(4)4.3突破点(三)　实验的改进和创新[例3]　某同学利用如图所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为：电池E(内阻很小)、开关S1和S2、电容器C(约100 μF)、电阻R1(约200 kΩ)、电阻R2(1 kΩ)、电压表V(量程6 V)、秒表、导线若干。 　1按图甲所示的电路原理将图乙中实物图连线。2先闭合开关S2，再断开开关S2，闭合开关S1，同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表的示数如图丙所示，电压表的读数为　　　　V保留两位小数。3该同学每隔10 s记录一次电压表的读数U，记录的数据如表所示。在给出的坐标纸上绘出U­t图线，已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是　　　　s。时间t/s10.020.030.040.050.060.0电压U/V2.143.454.234.515.005.18　(4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是______________________________________。[由题引知·要点谨记]2.实验器材的创新[对应第3题]1本实验用到了秒表，这在整个高中的物理实验中都是很少见的；由电学实验中使用更是第一次在高考中出现。2应对措施：掌握秒表及其他读数仪器的读数规则，强化读数方面的训练。3.还可以从以下角度创新将电压表改成电压传感器直接连接电脑，绘出U­t图像，可以减少因电表和秒表读数及作图带来的误差。[解析]　(1)根据电路图，实物图连线如图所示。　 (2)电压表的量程为6 V，分度值为0.1 V，所以读数为3.60 V。(3)先描点，然后用圆滑的曲线将所描的点连接起来，如图所示。从数据中可得出，电压表示数变化得越来越慢，而从40 s到50 s之间数据变化又突然快了，所以该数据对应表中的时间为40 s。(4)电路中C、R2和S2构成的回路，先闭合开关S2，再断开开关S2，使电容器上所带电荷量释放干净，不影响实验。[答案]　(1)见解析图　(2)3.60 V　(3)图像见解析图　40 s　(4)使每次实验前电容器两极板上的电荷相中和[集训冲关]6．(2019·南通一模)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．电池组(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________(用序号字母表示)。(2)请用笔画线代替导线，将实物电路图甲连接完整。(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I­U图像。编号12345678U/V0.200.601.001.401.802.202.603.00I/A0.0200.0600.1000.1400.1700.1900.2000.205 (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(保留两位有效数字)。解析：(1)灯泡额定电压为3 V，电压表应选择B；由表中实验数据可知，最大电流为0.205 A，电流表应选择D；为方便实验操作，滑动变阻器应选择F。(2)由实验数据可知，最小电流为0.02 A，滑动变阻器应采用分压式接法，由于电压表内阻远大于灯泡电阻，电流表应采用外接法，实物电路图如图1所示。(3)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后根据描出的点作出图像如图2所示。(4)在灯泡I­U坐标系内作出电源的I­U图像如图2所示，由图示图像可知，灯泡两端电压：U＝2.08 V，电流：I＝0.185 A，灯泡实际功率：P＝UI＝2.08×0.185 W≈0.38 W。答案：(1)B　D　F　(2)见解析图1　(3)见解析图2　(4)0.387．有一只标识为“2.5 V,0.5 A”的小灯泡，小华想测定其伏安特性曲线，实验室所供选择的器材除了导线和开关外，还有以下一些器材可供选择： 编号 器材名称 规格与参数A 电源E 电动势为3.0 V，内阻不计B 电流表A1 量程0～10 mA，内阻200 ΩC 电流表A2 量程0～600 mA，内阻2 ΩD 电阻箱R 阻值999.99 ΩE 滑动变阻器R1 最大阻值10 ΩF 滑动变阻器R2 最大阻值2 kΩ (1)为了达到实验目的需要组装一个量程为3.0 V的电压表，那么电阻箱的阻值应调到________ Ω；(2)为了减小实验误差，实验中滑动变阻器应选择________(选填器材前面的编号)；(3)请帮助小华设计一个电路，要求使误差尽量小，并将电路图画在图1虚线框内；(4)小华在实验中用电流表和改装后的电压表测得数据并记录在下表中，请根据表格中的数据在图2方格纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线；电压U/V00.51.01.52.02.5电流I/A00.170.300.390.450.49 (5)将一个电动势为1.5 V，内阻为3 Ω的电源直接接在该小灯泡的两端，则该小灯泡的实际功率为________ W(结果保留一位有效数字)。解析：(1)由题意可知，本实验应采用伏安法测量小灯泡的伏安特性曲线，由表中数据可知，电流大小最大约为0.49 A，因此电流表应采用A2，故只能采用A1与电阻箱串联的方式进行改装，由串并联电路规律可知，R＝ Ω－200 Ω＝100 Ω；(2)由于本实验采用滑动变阻器分压接法，所以只能选用总阻值较小的R1；(3)本实验应采用滑动变阻器分压接法，由于电流表内阻较小，故应采用电流表外接法，故原理图如图所示；(4)根据描点法可得出对应的伏安特性曲线如图所示；(5)在灯泡伏安特性曲线中作出电源的伏安特性曲线，两图的交点表示灯泡的工作点，由图可知，电压U＝0.8 V，电流I＝0.24 A，则功率P＝UI＝0.8×0.24 W≈0.2 W。答案：(1)100　(2)E　(3)见解析图　(4)见解析图(5)0.2