2020高考物理新创新大一轮复习新课改省份专用讲义：第九章第54课时　描绘小灯泡的伏安特性曲线（实验增分课）

第54课时　描绘小灯泡的伏安特性曲线(实验增分课)

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、实验原理

1．电路原理如图甲所示，测多组小灯泡的U、I的值，并绘出其伏安特性曲线(图乙)。

2．由图线的斜率反映电流与电压的关系，以及温度的影响。

三、实验器材

学生电源(4～6 V直流)或电池组、小灯泡(3.8 V,0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐标纸、导线若干。

谨记部分器材用途

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接法，按电路原理图连接好实验电路。

2．把滑动变阻器的滑片调节到电路原理图中最左端，电路连接经检查无误后，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。

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，就得到小灯泡的伏安特性曲线。

六、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造成系统误差。

2．电流表、电压表的读数造成偶然误差。

3．在坐标纸上描点、作图造成偶然误差。

七、注意事项

1．电路的连接方式

(1)电流表应采用外接法：小灯泡(3.8 V,0.3 A)的电阻很小，与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接法：目的是使小灯泡两端的电压从零开始连续变化。

2．闭合开关前，滑动变阻器的滑片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两端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．小灯泡的伏安特性曲线在U0＝1.0 V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0 V 左右绘点要密，防止出现较大误差。

4．当小灯泡的电压接近额定值时要缓慢增加，达到额定值记录I后马上断开开关。

5．误差较大的点舍去，小灯泡的伏安特性曲线应是平滑曲线而非折线。

考法一　实验原理和操作

1．某同学做三种导电元件的导电性实验，他根据所测量数据分别绘制了三种元件的IU图像，如图所示，则下列判断正确的是(　　)

A．图乙表示的电阻遵从欧姆定律

B．图甲、丙的曲线一定是偶然误差太大

C．图甲表示的电阻阻值随电压升高而增大

D．图丙表示的电阻能作为标准电阻使用

解析：选A　由题图知，图乙是线性元件的IU图像，遵从欧姆定律，故A正确；图甲、丙是不同的非线性元件的IU图像，不是偶然误差大，故B错误；IU图像上某点与坐标原点的连线的斜率表示电阻的倒数，根据图甲可知，随电压升高电阻阻值减小，故C错误；图丙表示的电阻随电压的变化而变化，不能作为标准电阻使用，故D错误。

2．如图所示为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为2.5 V。完成下列实验步骤：

(1)闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，_________________________________________

____________。

(2)闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，____________________________________

________________________________________________________________________。

(3)断开开关。根据实验数据在方格纸上作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。

解析：(1)使滑动变阻器的滑片滑至最左端。

(2)增加小灯泡两端的电压，记录电压表和电流表的多组读数，直至电压表示数达到小灯泡的额定电压。

答案：见解析

考法二　数据处理和误差分析

3．要描绘一个标有“3 V　0.8 W”小灯泡的伏安特性曲线，要求小灯泡两端的电压由零逐渐增加，且尽量减小实验误差。已选用的器材除导线、开关外，还有：

电池组(电动势为4.5 V，内阻约1 Ω)

电流表(量程0.6 A，内阻约为1 Ω)

电压表(量程3 V，内阻约为3 kΩ)

滑动变阻器(最大阻值20 Ω，额定电流1 A)

(1)实验电路应选用________(填字母代号)。

(2)以电压表的读数U为横轴，以电流表的读数I为纵轴，根据实验得出的多组数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线，如图所示。由图可知：随着电压的增大，小灯泡的电阻________(选填“增大”或“减小”)，其发生变化的原因______________________________________

________________________________________________________________________。

(3)如果将这个小灯泡接到电动势为1.5 V，内阻为5 Ω的电源两端，电路接通后小灯泡两端的电压是________V。

解析：(1)由题意得，本实验要求从电压表读数为零开始测量，故滑动变阻器应采用分压接法；由于小灯泡电阻较小，因此应采用电流表外接法，故选择B电路。

(2)IU图像中任一点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，由题图线可知，随着电压的增大，小灯泡的电阻增大，原因是灯丝电阻随温度的升高而增大。

(3)作出电源的伏安特性曲线，如图所示，由图可知，小灯泡两端的电压约为0.7 V。

答案：(1)B　(2)增大　灯丝的电阻随温度升高而增大　(3)0.7

4．(2019·商河高三调研)某学习小组欲描绘小灯泡(“3 V，1.5 W”)的UI图线，可选用的实验器材如下：

A．电池组：电动势约为4.5 V，内阻可不计；

B．双量程的电压表：

V1：量程3 V，内阻约为3 kΩ；

V2：量程15 V，内阻约为15 kΩ；

C．双量程的电流表：

A1：量程0.6 A，内阻约为1 Ω；

A2：量程3 A，内阻约为0.1 Ω；

D．滑动变阻器R：阻值范围0～10 Ω，允许通过的最大电流为2 A；

E．开关S，导线若干。

在尽量提高测量精度的情况下，请回答下列问题：

(1)根据以上器材，用笔画线代替导线将实物图1连接成完整电路。

(2)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应移到________(选填“A”或“B”)端。

(3)调节滑动变阻器得到电压、电流数据如表所示，请在图2所示的坐标纸上画出小灯泡的UI图线。

(4)根据UI图线可得小灯泡在常温下的电阻约为________Ω(结果保留两位有效数字)。

解析：(1)本实验应采用滑动变阻器分压接法以获得多组数据，同时由于小灯泡内阻较小，应采用电流表外接法以减小误差；故连线如图甲所示。

(2)由图甲可知测量电路与滑动变阻器的左侧并联，为了让小灯泡两端的电压值从零开始调节，开始时滑片应移到A端。

(3)根据描点法可得出对应的U­I图线如图乙所示。

(4)在图乙中作出UI图线过原点的切线，如图丙所示；小灯泡在常温下的电阻即UI图线过原点的切线的斜率；故R＝ Ω≈2.3 Ω。

答案：(1)见解析图甲　(2)A　(3)见解析图乙　

(4)2.3(2.2～2.4均可)

[深化拓展]

要充分发掘图像的“潜能”进行数据处理，如在同一个U­I 或I­U坐标系内画小灯泡和电源的图线，交点即表示把小灯泡直接连在电源两端的工作状态，从而得到小灯泡的电压、电流、功率，以及电流的内部功率等。

[例1]　(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。

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________(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，并作出R2­t曲线。

(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________℃。

[三步化“新”为“熟”]

1．本题实验目的是探究热敏电阻的温度特性，和探究小灯泡的伏安特性有很多相似之处。

2．实验中使用了替代法，能准确地确定热敏电阻在不同温度下的阻值。

3．本实验用R2t图像表达热敏电阻的温度特点，采用描点法画出图像，并应用图像分析有关问题。

[解析]　(1)闭合开关S1前，应让滑片移动到b端，使滑动变阻器连入电路的阻值最大。

(2)把t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据在坐标纸上画点，然后用平滑的曲线画出R2­t曲线，使尽可能多的点位于曲线上，如图所示。

(3)由图像可知t＝44.0 ℃时，电阻的阻值约为450 Ω。

(4)由题图(c)可得电阻箱阻值为620.0 Ω，由图像可得温度约为33.0 ℃。

[答案]　(1)b　(2)见解析图　(3)450　(4)620.0　33.0

[例2]　某实验小组要探究一小灯泡的电压与电流的关系，并研究小灯泡在不同电压下的实际功率，实验电路如图甲所示。

(1)闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应在________(选填“a”或“b”)端。

(2)闭合开关，把滑片P向一端移动过程中，发现电流表与电压表均有明显读数且读数几乎不变，则电路中出现故障的元件可能是________(选填“A”或“B”)。

A．小灯泡　　 B．滑动变阻器

(3)该小组根据实验数据描绘出小灯泡的UI图线如图乙所示，可判定在图丙中小灯泡的功率P与加在小灯泡两端电压的平方U2的图线正确的是________(选填“1”“2”或“3”)。

(4)某同学将两个完全相同的这种小灯泡并联接在电源两端，已知电源的电动势E＝3 V、内阻r＝2 Ω，则此时每个小灯泡的实际功率为________W(结果保留两位有效数字)。

[三步化“新”为“熟”]

1．本题实验目的是研究小灯泡的UI图线及实际功率，和探究小灯泡的伏安特性曲线的实验基本相同。

2．根据P＝，由于小灯泡电阻随温度的升高而增大，PU2 图线的斜率应逐渐变小。

3．根据电源的UI图线和小灯泡UI图线的交点坐标，可确定小灯泡接在电源上的实际功率。

[解析]　(1)闭合开关前，滑片P应置于a端，使测量电路电流、电压均为零。

(2)电流表与电压表均有明显读数且读数几乎不变，说明测量电路导通，控制电路中的滑动变阻器没有起作用，故电路中出现故障的元件可能是滑动变阻器。

(3)由题图乙可得，随着小灯泡两端电压的增大，小灯泡的电阻增大，由P＝得＝，则P随U2的变化变缓，题图丙中正确的图线为3。

(4)设小灯泡两端的电压为U，流过每个小灯泡的电流为I，则E＝U＋2Ir，得U＝3－4I，在题图乙中画出电源的UI图线如图所示，交点坐标U＝2.20 V，I＝0.200 A，所以每个小灯泡消耗的电功率为P＝UI＝0.44 W。

[答案]　(1)a　(2)B　(3)3　(4)0.44(0.43～0.45均可)

[创新角度归纳]