2023一轮复习课后速练42 9.4 实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线

2023一轮复习课后速练(四十二)

非选择题

1．(2022·山西模拟)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图像．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)．

【答案】　(1)甲　(2)很大　1.0×103

【思维分析】 (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)由题图丙可知，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.

2．(2021·河北)某同学研究小灯泡的伏安特性，实验室提供的器材有：小灯泡(6.3 V，0.15 A)，直流电路(9 V)，滑动变阻器、量程合适的电压表和电流表．开关和导线若干，设计的电路如图1所示．

(1)根据图1，完成图2中的实物连线．

(2)按照图1连线后，闭合开关，小灯泡闪亮一下后熄灭，观察发现灯丝被烧断，原因可能是________(单项选择，填正确答案标号)．

A．电流表短路

B．滑动变阻器的滑片接触不良

C．滑动变阻器滑片的初始位置在b端

(3)更换小灯泡后，该同学正确完成了实验操作，将实验数据描点作图，得到I－U图像，其中一部分如图3所示，根据图像计算出P点对应状态下小灯泡的电阻为________Ω(保留三位有效数字)．

【答案】　(1)如图所示

(2)C　(3)27.0

【思维分析】 (1)题图1电路中的滑动变阻器为分压式接法，电流表外接，实物电路连接如答案图所示．

(2)灯丝被烧断，最主要的原因是灯丝两端的电压过大，功率过大；电流表内阻很小，在电路中相当于导线，电流表短路不会导致小灯泡两端电压过大，A项错误；滑动变阻器滑片接触不良，则小灯泡所在分路相当于断路，小灯泡两端电压为0，灯丝不会烧毁，B项错误；滑动变阻器滑片初始位置在b端，相当于将小灯泡和电流表直接接在电源两端，小灯泡两端电压约等于电源电压为9 V，大于小灯泡的额定电压，灯丝可能会被烧断，C项正确．

(3)由题图3可知，在P点时，U＝2 V、I＝74 mA，所以灯丝电阻R＝＝≈27.0 Ω.

3．(2020·课标全国Ⅱ)某同学要研究一小灯泡L(3.6 V，0.30 A)的伏安特性．所用器材有：电流表A1(量程200 mA，内阻Rg1＝10.0 Ω)，电流表A2(量程500 mA，内阻Rg2＝1.0 Ω)、定值电阻R0(阻值R0＝10.0 Ω)、滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω)、电源E(电动势4.5 V，内阻很小)、开关S和若干导线．该同学设计的电路如图a所示．

(1)根据图a，在图b的实物图中画出连线．

(2)若I1、I2分别为流过电流表A1和A2的电流，利用I1、I2、Rg1和R0写出：小灯泡两端的电压U＝________，流过小灯泡的电流I＝________．为保证小灯泡的安全，I1不能超过________mA.

(3)实验时，调节滑动变阻器，使开关闭合后两电流表的示数为零．逐次改变滑动变阻器滑片位置并读取相应的I1和I2.所得实验数据在下表中给出．

根据实验数据可算得，当I1＝173 mA时，灯丝电阻R＝________Ω(保留1位小数)．

(4)如果用另一个电阻替代定值电阻R0，其他不变，为了能够测量完整的伏安特性曲线，所用电阻的阻值不能小于________Ω(保留1位小数)．

【答案】　(1)图见【思维分析】 (2)I1(Rg1＋R0)　I2－I1　180　(3)11.6　(4)8.0

【思维分析】 (1)根据电路图连接实物图如图所示

(2)根据电路图可知灯泡两端的电压为电流表A1和R0的总电压，

故根据欧姆定律U＝I1(Rg1＋R0)．

根据并联电路特点可知流过小灯泡的电流为I＝I2－I1.

因为小灯泡的额定电压为3.6 V，故根据题目中已知数据代入U＝I1(Rg1＋R0)中可知I1不能超过180 mA；

(3)根据表中数据可知当I1＝173 mA时，I2＝470 mA；根据前面的分析代入数据可知此时灯泡两端的电压为U＝3.46 V；流过小灯泡的电流为I＝297 mA＝0.297 A；故根据欧姆定律可知此时小灯泡的电阻为R＝＝ Ω≈11.6 Ω.

(4)要测量完整的伏安特性曲线则灯泡两端的电压至少要达到3.6 V，而电流表A1不能超过其量程200 mA，此时由U＝I1(Rg1＋R′0)有3.6＝0.2×(10＋R′0)，

解得R′0＝8.0 Ω，即要完整的测量小灯泡伏安特性曲线所用电阻的阻值不能小于8.0 Ω.

4．(2020·浙江模拟)某实验小组做描绘小灯泡伏安特性曲线的实验，小灯泡的规格(2.5 V，0.3 A)，所选择的器材：电源(两节干电池)，电压表V(0～3 V，内阻约为3 kΩ)，电流表A(0～0.6 A，内阻约为0.125 Ω)，滑动变阻器R(0～5 Ω)；

(1)为完成实验应选用实验电路________．

(2)根据正确的电路图得出了如图甲所示的I－U图线，则当小灯泡两端电压为1.4 V时，小灯泡的电阻约为________Ω(结果保留3位有效数字)．

(3)若把小灯泡接在如图乙所示的电路上，改变滑动变阻器的大小，则所得的U－I图像正确的是________．

(4)若小灯泡和R＝9.5 Ω的定值电阻串联后接在E＝3 V、r＝0.5 Ω的电源上，如图丙所示，则此电源的效率为________(结果保留2位有效数字)．

【答案】　(1)A　(2)7.18(7.10～7.30均可)　(3)D　(4)97%

【思维分析】 (1)描绘灯泡伏安特性曲线，电压要从零开始变化，故滑动变阻器采用分压式接法，小灯泡的电阻约为8.3 Ω，和电压表的内阻倍数相差很大，所以电流表需采用外接法．故选A项．

(2)由图可知，电压为1.40 V时，通过灯泡的电流为0.195 A，由欧姆定律可得小灯泡此时的电阻为R＝ Ω≈7.18 Ω.

(3)将小灯泡L接入图乙所示电路，根据闭合电路欧姆定律得U＝E－Ir

可得U与I是一次函数关系．故选D项．

(4)将定值电阻R看成电源的内阻，则电源电动势为3 V，内阻为10 Ω，在小灯泡的伏安特性曲线图像中作出电源的I－U图像，与伏安特性曲线的交点即为此时小灯泡工作的电流与电压，图像如下

可知此时小灯泡的电流为0.18 A，电压为1.2 V，此时小灯泡的电阻为RL＝≈6.67 Ω

则此电源的效率为η＝×100%＝×100%＝×100%≈97%.

5．(2022·河北模拟)某同学欲研究小灯泡(额定功率为1.5 W，额定电压为3.8 V)的伏安特性，所使用的器材如下．

A．直流电源E(电动势约为4 V，内阻可不计)

B．直流电流表A1(量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω)

C．直流电流表A2(量程0～300 mA，内阻为1 Ω)

D．直流电压表V1(量程0～15 V，内阻很大)

E．直流电压表V2(量程0～4 V，内阻很大)

F．滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω，允许通过的最大电流为2 A)

G．滑动变阻器R2(最大阻值1 kΩ，允许通过的最大电流为0.5 A)

H．定值电阻R3＝1 Ω

I．定值电阻R4＝10 Ω

J．开关、导线若干

(1)实验中电流表应选用________，电压表应选用________，滑动变阻器应选用________(均填器材前的字母序号)．

(2)实验要求能够在0～3.8 V的范围内对小灯泡两端的电压进行测量，请在方框中画出实验电路原理图，并标出相应器材的物理符号．

(3)实验测得该小灯泡的伏安特性曲线如图所示，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”)，设A为实验曲线上的某点，过A点的切线斜率为k1，坐标原点与A点连线的斜率为k2，则A点对应的小灯泡的电阻为________．

(4)用另一电源E0(电动势为4 V，内阻为2.0 Ω)和与实验中相同的两个小灯泡串联，此时每个小灯泡的实际功率约为________ W(结果保留1位小数)．

【答案】　(1)C　E　F　(2)图见【思维分析】 (3)增大　　(4)0.4

【思维分析】 (1)根据灯泡参数，灯泡额定电流为I＝＝ A≈0.395 A

直流电流表A1量程太大，应选择直流电流表A2，再选择定值电阻R3与之并联扩大电流表量程至600 mA即可．故电流表选C项．

电压表选E，刚好满足额定电压的测量．

描绘小灯泡的伏安特性曲线，需要滑动变阻器分压，应选择电阻较小的滑动变阻器方便调节．故选F项．

(2)由于电流表内阻已知，故选择电流表内接，电路图如图所示

(3)图像上的点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，由于斜率随着电流的增大在减小，所以电阻随着电流的增加而增大．A点对应的小灯泡的电阻为.

(4)设灯泡的实际电压为U，实际电流为I，根据闭合电路的欧姆定律得U＝E0－Ir＝－I＋2

将该直线在小灯泡的伏安特性曲线图中描绘出来，交点即为灯泡的工作点，即

每个小灯泡的实际功率P≈0.4 W.

6．(2022·云南模拟)某实验小组做“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验．除开关、导线以外，实验室还有以下器材可供选择：

A．待测小灯泡L(3 V，1.8 W)

B．电流表A1(量程0.3 A，内阻约1 Ω)

C．电流表A2(量程0.6 A，内阻约0.5 Ω)

D．电压表V(量程3 V，内阻约5 kΩ)

E．滑动变阻器R1(最大阻值5 Ω，额定电流2.0 A)

F．滑动变阻器R2(最大阻值100 Ω，额定电流1.0 A)

G．电池组E(电动势为4.0 V，内阻不计)

(1)为了尽可能减小实验误差，且要求能够在0～3 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，电流表选________，滑动变阻器选________(填写实验器材前的字母代号)；

(2)根据所选的器材，请在图甲中完成电路图；

(3)某同学根据实验数据描绘的小灯泡伏安特性曲线如图乙所示，将两个规格相同的该灯泡并联后接到电动势为3.0 V、内阻为2.5 Ω的另一电源E0上，如图丙所示．则每个小灯泡的实际功率为________W．(结果保留2位有效数字)

【答案】　(1)C　E　(2)图见【思维分析】 (3)0.43(0.42～0.46)

【思维分析】 (1)小灯泡的额定电流为0.6 A，所以电流表选C项．

本题采用的是滑动变阻器分压式接法，应选择电阻较小的滑动变阻器方便调节．故选E项．

(2)灯泡电阻较小，故电流表外接，因为需要从零开始连续测量灯泡的电压与电流的关系，所以滑动变阻器应该用分压式连接，故电路为

(3)设灯泡的实际电压为U，实际电流为I，则根据闭合电路的欧姆定律得E0＝U＋2Ir

变形后得U＝－5I＋3

如图所示

则灯泡的实际功率为P＝UI＝1.2×0.36 W≈0.43 W.

7．(2021·山西模拟)某物理兴趣小组要描绘一个标有“4 V，2.0 W”的小灯泡L的伏安特性曲线，要求灯泡两端的电压由零逐渐增大，且尽量减小实验误差．可供选用的器材除导线、开关外，还有以下器材：

A．直流电源4.5 V(内阻不计)

B．直流电流表0～500 mA(内阻约为5 Ω)

C．直流电压表0～3 V(内阻等于6 kΩ)

D．滑动变阻器0～10 Ω，额定电流2 A

E．三个定值电阻(R1＝1 kΩ，R2＝2 kΩ，R3＝5 kΩ)

(1)小组同学们研究后发现，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”)与电压表串联，完成改装．

(2)实验要求能够实现在0～4 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，画出实验电路原理．

(3)实验测得小灯泡伏安特性曲线如图a所示，可确定小灯泡的功率P与U2和P与I2的关系，下列示意图中合理的是________(U和I分别为灯泡两端的电压和流过灯泡的电流)．

(4)若将两个完全相同规格的小灯泡L按如图b所示电路连接，电源电动势E＝6 V，内阻r＝2 Ω，欲使滑动变阻器R的功率是小灯泡的两倍，此时每个小灯泡消耗的电功率为________ W，此时滑动变阻器接入电路的电阻为________ Ω(结果均保留2位小数)．

【答案】　(1)R2　(2)图见【思维分析】 (3)D　(4)0.93(0.91～0.95)　2.56(2.52～2.58)

【思维分析】 (1)由于灯泡的额定电压为4 V，所以要改装成一个4 V或稍大于4 V的电压表，串联的电阻阻值为R串＝＝ kΩ＝2 kΩ，R3大得太多，最合适的为2 kΩ的R2.

(2)实现0～4 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，需要设计成滑动变阻器分压接法，由于小灯泡正常发光时电阻约为RL＝＝8 Ω，所以需要设计成电流表外接，实验电路如图所示

(3)小灯泡的电阻随温度升高而增大，由功率P＝可知，P－U2图像的斜率应逐渐减小，A、B两项错误；由P＝I2R可知，P－I2图像的斜率应逐渐增大，C项错误，D项正确．故选D项．

(4)假设通过灯泡的电流为I，灯泡两端的电压为U，通过滑动变阻器的电流为2I，当滑动变阻器R的功率是小灯泡的两倍时，滑动变阻器两端的电压也为U，由闭合电路欧姆定律可得E＝2U＋2Ir，代入数据整理得U＝3－2I，把该函数关系画在图a中，如图所示：

与小灯泡伏安特性曲线的交点即为电路工作点，该点横、纵坐标值的乘积等于小灯泡的实际功率，可得P＝UI＝2.18×0.426 W≈0.93 W

此时滑动变阻器接入电路的电阻为R＝≈2.56 Ω.