2021版高考物理（基础版）一轮复习学案：第八章　4实验九　描绘小电珠的伏安特性曲线

实验九　描绘小电珠的伏安特性曲线
[学生用书P168]
一、实验目的
1．描绘小电珠的伏安特性曲线．
2．分析伏安特性曲线的变化规律．
二、实验原理
1．测多组小电珠的U、I的值，并绘出I－U图象．
2．由I－U图线的斜率反映电流与电压和温度的关系．
三、实验器材
小电珠“3.8 V，0.3 A”、电压表“0～3 V、0～15 V”、电流表“0～0.6 A、0～3 A”、滑动变阻器、学生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔．
四、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，按实验原理图连接好实验电路．

2．将滑动变阻器的滑片移到使小电珠分得电压为零的一端，接线经检查无误后，闭合开关S.
3．移动滑动变阻器滑片到不同位置，测出14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.

U(V)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
I(A)







U(V)
1.6
2.0
2.4
2.8
3.2
3.6
3.8
I(A)







4.拆除电路，整理仪器．
五、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，就得到小电珠的伏安特性曲线．
六、注意事项
1．电路的连接方式
(1)电流表应采用外接法：小电珠(3.8 V　0.3 A)的电阻很小，与量程为0～0.6 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：目的是使小电珠两端的电压能从零开始连续变化．
2．闭合开关S前，滑动变阻器的滑片应移到使小电珠分得电压为零的一端，使开关闭合时小电珠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电珠两端电压过大而烧坏小电珠．
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．
4．当小电珠两端的电压接近额定值时要缓慢移动滑动变阻器滑片，到额定值记录I后马上断开开关．
5．误差较大的点舍去，I－U图线应是平滑曲线而非折线．
七、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．
3．在坐标纸上描点、作图带来误差．

　电路设计和实验原理[学生用书P168]
【典题例析】
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________．

[解析]　(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线实验时，需要设计成滑动变阻器的分压接法，滑动变阻器应选择与小灯泡阻值相接近的R1.给出的元件电压表V1量程小于小灯泡的额定电压，电压表V2量程又太大，因此需要将电压表V1串联一个1 kΩ的定值电阻R5，改装成最大量程为4 V的电压表．给出的元件电流表A1量程小于小灯泡的额定电流，电流表A2量程又太大，因此需要将电流表A1并联一个10 Ω的定值电阻R4，改装成最大量程为400 mA的电流表．
(2)由于小灯泡灯丝的电阻随温度的升高而增大，所以该同学绘出的小灯泡的I－U图象应是B.
[答案]　(1)如图所示　(2)B

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I－U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：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.

(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．

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A.小电珠的额定电流为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)描绘小电珠的I－U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
　数据处理和误差分析[学生用书P169]
【典题例析】
(2017·高考全国卷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V(量程3 V，内阻3 kΩ)；电流表A(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．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)要实现在0～3.8 V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4 V．由于小灯泡正常发光时电阻约为12 Ω，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9.0 Ω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4 V，内阻1.00 Ω＋9.0 Ω＝10 Ω)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＝1.75×0.225 W≈0.39 W．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4 V，内阻1.00 Ω)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＝3.68×0.318 W≈1.17 W.

[答案]　(1)实验电路原理图如图所示

(2)增大　增大　(3)0.39　1.17
(2018·高考全国卷Ⅲ)一课外实验小组用如图所示的电路测量某待测电阻Rx的阻值，图中R0为标准定值电阻(R0＝20.0 Ω)；V可视为理想电压表；S1为单刀开关，S2为单刀双掷开关；E为电源；R为滑动变阻器．采用如下步骤完成实验：
(1)按照实验原理线路图(a)，将图(b)中实物连线；

(2)将滑动变阻器滑动端置于适当的位置，闭合S1；
(3)将开关S2掷于1端，改变滑动变阻器滑动端的位置，记下此时电压表V的示数U1；然后将S2掷于2端，记下此时电压表V的示数U2；
(4)待测电阻阻值的表达式Rx＝________(用R0、U1、U2表示)；
(5)重复步骤(3)，得到如下数据：


1
2
3
4
5
U1/V
0.25
0.30
0.36
0.40
0.44
U2/V
0.86
1.03
1.22
1.36
1.49

3.44
3.43
3.39
3.40
3.39
(6)利用上述5次测量所得 的平均值，求得Rx＝________Ω.(保留1位小数)
解析：开关S2掷于1端，由欧姆定律可得通过Rx的电流I＝，将开关S2掷于2端，R0和Rx两端电压为U2，Rx两端电压为U＝U2－U1，由欧姆定律可得待测电阻阻值Rx＝＝R0＝(－1)R0.5次测量所得 的平均值为 (3.44＋3.43＋3.39＋3.40＋3.39)＝3.41，代入得Rx＝(3.41－1)×20.0 Ω＝48.2 Ω.
答案：(1)实物连线如图　(4)(－1)R0　(6)48.2

　创新实验[学生用书P170]

实验原理的创新
实验器材的创新
实验过程的创新
实验
装置图
(2017·高考全国卷Ⅰ)



创新
解读
(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
(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
(1)分析电阻丝的电阻Rx随风速v(用风速计测)的变化关系
(2)设计电路，通过电压表的示数来显示风速

【典题例析】
在有光照时太阳能电池可以将光能转化为电能，在没有光照时，太阳能电池可以视为一个电学器件．某实验小组用测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电池在没有光照时(没有储存电能)的I－U特性．所用的器材包括：太阳能电池，电源E，电流表A，电压表V，滑动变阻器R，开关S及导线若干．


(1)为了达到上述目的，应选用哪个电路图：________(选填“甲”或“乙”)．
(2)该实验小组根据实验得到的数据，描点绘出了如图丙所示的I－U图象．由图可知，当电压小于2.0 V时，太阳能电池的电阻________(选填“很大”或“很小”)；当电压为2.8 V时，太阳能电池的电阻约为________ Ω(保留2位有效数字)．
[解析]　(1)用测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电池在没有光照射时(没有储存电能)的I－U 特性，应选用滑动变阻器分压接法，为电路图甲．
(2)由题图可知，当电压小于2.0 V时，电流几乎为零，所以太阳能电池的电阻很大．当电压为2.8 V时，对应电流为2.8 mA，由欧姆定律可得太阳能电池的电阻约为R＝＝1.0×103 Ω.
[答案]　(1)甲　(2)很大　1.0×103
小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系．已知该金属电阻在常温下的阻值约10 Ω，R随 t的升高而增大．实验电路如图所示，控温箱用以调节金属电阻的温度．
实验时闭合S1，先将开关S2与1端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度t1，t2，…和电流表的相应示数I1，I2，….然后将开关S2与2端闭合，调节电阻箱使电流表的示数再次为I1，I2，…，分别记下电阻箱相应的示数R1，R2，…

(1)有以下两种电流表，实验电路中应选用________．
A．量程0～100 mA，内阻约2 Ω
B．量程0～0.6 A，内阻可忽略
(2)实验过程中，要将电阻箱的阻值由9.9 Ω调节至10.0 Ω，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”，正确的操作顺序是________．
①将旋钮a由“0”旋转至“1”　②将旋钮b由“9”旋转至“0”　③将旋钮c由“9”旋转至“0”
(3)实验记录的t和R的数据见下表：
温度t(℃)
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
阻值R(Ω)
9.6
10.4
11.1
12.1
12.8
请根据表中数据，在方格纸上作出R－t图线．

由图线求得R随t的变化关系为R＝________Ω.
解析：(1)电路中的最大电流可能为I＝ A＝150 mA，因此选用A.
(2)要将电阻箱的电阻值由9.9 Ω调为10.0 Ω，应先将a旋钮由“0”旋转至“1”，再将c由“9”旋转至“0”，再将b由“9”旋转至“0”，因此顺序为①③②(或①②③)．
(3)由作出的图线可知，电阻R与时间t的关系为
R＝8.8＋t(Ω)＝8.8＋0.04t(Ω)．
答案：(1)A　(2)①③②(或①②③)　(3)如图所示
0．04t＋8.8(0.04t＋8.6～0.04t＋9.0都算对)

[学生用书P171]
1．图甲是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图．

　 　　 　甲　　　　　　　　　　　乙
(1)根据图甲画出实验电路图；




(2)调节滑动变阻器得到了两组电流表与电压表的示数如图乙中的①、②、③、④所示，电流表量程为0.6 A，电压表量程为3 V．所示读数为：①________、②________、③________、④________．两组数据得到的电阻分别为________和________．
解析：(1)实验电路图如图所示．

(2)电流表量程为0.6 A，每一小格代表0.02 A，读数时估读到精度的本位即可；电压表量程为3 V，每一小格代表0.1 V，读数时估读到精度的下一位．读数分别为：①0.10 A、②0.24 A、③2.00 V、④0.27 V．应用R＝求电阻时，电流为0.10 A时对应的电压为0.27 V；电流为0.24 A时对应的电压为2.00 V，求得的两组数据对应的电阻分别为2.7 Ω和8.3 Ω.
答案：(1)如解析图所示
(2)0.10 A　0.24 A　2.00 V　0.27 V
2．7(±0.1) Ω　8.3(±0.1) Ω[如填为8.3(±0.1) Ω
2．7(±0.1) Ω也行]
2．(2020·广西柳州高级中学模拟)在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中，已知待测小灯泡的额定电压为6 V，额定功率约为3 W，提供的器材有：
电流表A：量程为0.6 A，内阻约为0.5 Ω；
电压表V：量程为3 V，内阻为3 kΩ；
滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)；
滑动变阻器R2(0～500 Ω，1 A)；
定值电阻R3＝1 kΩ；
定值电阻R4＝3 kΩ；
电源：电动势为9 V，内阻约为0.1 Ω；
开关一个，导线若干．
(1)实验中，应该选用的滑动变阻器是________，定值电阻是 ________(填仪器的字母代号)．
(2)根据所给的器材，在虚线框中画出实验电路图．





解析：(1)灯泡额定电压为6 V，电压表量程为3 V，需要把电压表与定值电阻R4串联组成新的电压表，使电压表量程扩大至6 V；电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法，灯泡正常发光时电阻约为 R＝＝ Ω＝12 Ω，电流表内阻约为0.5 Ω，电压表内阻为6 kΩ，电压表内阻远大于灯泡电阻，电流表应采用外接法，因电源内阻约为0.5 Ω，滑动变阻器应选择阻值较小的R1.
(2)实验电路图如图所示．

答案：(1)R1　R4 　(2)见解析图
3．小明做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验，已知小灯泡标称值是“2.5 V，0.3 A”，不考虑电压表分流引起的误差，请完成如下问题：
(1)为初步了解小灯泡的电阻值，小明使用多用电表的欧姆挡按正确测量步骤进行测量，根据图甲所示，小灯泡阻值为________Ω.
(2)为进一步探究小灯泡伏安特性，小明连接了如图乙所示实物图，请在图中补上一根导线，使实验能够正常进行．
(3)按要求操作得到数据如表所示，第7组中电压表示数如图丙所示，则U＝________V；判断U＝0、I＝0时的小灯泡电阻值为________Ω，试分析此电阻值远小于(1)中阻值的原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.


1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
I/A
0
0.04
0.08
0.09
0.10
0.11
0.12
0.14
0.16
0.18
0.20
U/V
0
0.05
0.10
0.13
0.17
0.20

0.55
0.80
1.05
1.35
R/Ω

1.3
1.3
1.4
1.7
1.8

3.9
5.0
5.8
6.8
　
解析：(1)采用“×1”倍率，所以读数为6 Ω.
(2)“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，需要多组数据，所以滑动变阻器应采用分压接法，如图所示．

(3)电压表采用0～3 V挡，分度值为0.1 V，故读数为0.30 V，U＝0、I＝0时温度接近2、3组的温度，故应为1.3 Ω，远小于(1)中的测量值是因为用欧姆“×1”倍率挡测电阻时电流较大，小灯泡已有发光，灯丝温度升高，电阻比冷灯丝时大得多．
答案：(1)6　(2)如解析图所示　
(3)0.30　1.3　用欧姆“×1”倍率挡测电阻时电流较大，小灯泡已有发光，灯丝温度升高，电阻比冷灯丝时大得多
4．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，要测量一个标有“3 V，1.5 W”的小灯泡两端的电压和通过它的电流，现有如下器材：
A．直流电源3 V(内阻可不计)
B．直流电流表0～600 mA(内阻约为0.5 Ω)
C．直流电压表0～3 V(内阻约3 kΩ)
D．滑动变阻器(10 Ω，1 A)
E．滑动变阻器(1 kΩ，300 mA)
F．开关、导线若干
(1)本实验中滑动变阻器应选用________(选填“D”或“E”)．
(2)下表中的各组数据是该同学在实验中测得的，根据表格中的数据在如图甲所示的坐标纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线．

(3)如图乙所示，将两个这样的小灯泡并联后再与阻值为5 Ω 的定值电阻R0串联，接在电压恒定为4 V的电路中，每个小灯泡的实际功率为________W.

解析：(1)实验中需测量多组数据，滑动变阻器用分压式接法，为了调节方便，滑动变阻器用阻值较小的，故选D.
(2)描点画图，如图所示．

(3)设小灯泡两端的电压为U，电流为I，根据闭合电路欧姆定律得：U0＝U＋2IR0，所以U＝－2R0I＋U0，代入数据得U＝－10I＋4，在小灯泡的伏安特性曲线同一坐标系上画出该直线，其交点(1.0，0.3)即为小灯泡的实际电压、电流值，可得小灯泡消耗的实际功率P＝UI＝0.3 W.
答案：(1)D　(2)见解析图　(3)0.3