实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线-2022高考物理 新编大一轮总复习（word）人教版

实验八　描绘小电珠的伏安特性曲线

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～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。

四、实验步骤

1．画出电路图(如图所示)。

2．将小电珠、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。

五、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，得到小电珠的伏安特性曲线。

六、误差分析

1．由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，对电路的影响会带来误差，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。

七、注意事项

1．电流表外接法：本实验中被测小电珠灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法。

2．滑动变阻器应采用分压式连接：本实验要作出I－U图象，要求测出一组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压接法。

3．保护元件安全：为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应置于使接入电路的电阻最大位置处。加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压。

考点一　教材原型实验

角度1　电路设计与仪器选择

[例1]　(2016·天津卷)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了开关、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图象应是图中的____________。

[解析]　(1)用电压表V1和R5串联，可改装成量程为U＝(rV1＋R5)＝4 V的电压表；用电流表A1与R4并联可改装为量程为I＝IA1＋＝0.4 A的电流表；待测小灯泡的阻值较小，故采用电流表外接法；为使曲线完整，滑动变阻器应采用分压接法，故选择总阻值小的R1，电路图见答案。

(2)小灯泡灯丝的电阻随温度升高而变大，故该同学描绘出的I­U图线应该是B。

[答案]　(1)电路图如图所示　

　(2)B

◆方法总结

实验器材的选取原则和注意事项

1．仪器选择的一般步骤

(1)首先选择唯一性的器材。

(2)粗画电路图(暂不接电流表和电压表)。

(3)估算回路中电流和电压的最大值，在电表的指针有较大幅度的偏转但不超过其量程的情况下，结合已知器材的规格，确定实验电路和实验器材。

2．实验器材的要求

(1)电源允许的最大电流不能小于电路中的实际最大电流。

(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和电流的最大值。

(4)电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的以上。

[例2]　(2020·全国卷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。

图(a)　　　　　　　　　　　图(b)

(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)。

[解析]　(2)根据串并联知识可得小灯泡两端的电压U＝I1(Rg1＋R0)，流过小灯泡的电流I＝I2－I1，小灯泡的额定电压为U额＝3.6  V，由U额＝I1(Rg1＋R0)可得I1＝180 mA，即为了保证小灯泡的安全， I1不能超过180 mA。

(3)灯丝的电阻R＝＝，当I1＝173 mA时，I2＝470  mA，代入解得R＝11.6 Ω。

(4)小灯泡的额定电压为U额＝3.6 V，由Ig1(Rg1＋R)≥U额可得R≥8.0 Ω。

[答案]　(1)如图所示

(2)I1(Rg1＋R0)　I2－I1　180

(3)11.6　(4)8.0

[跟踪训练]

1．某学习小组探究一小灯泡在不同电压下的功率大小，实验器材如图甲所示，现已完成部分导线的连接。

(1)实验要求滑动变阻器的滑片从左向右移动过程中，电流表的示数从零开始逐渐增大，请按此要求用笔画线代替导线在图中完成余下导线的连接；

(2)实验测得的数据如下表记录：

请将剩余两个点描在图乙的坐标图中，并画出小灯泡的伏安特性曲线；

(3)根据所画伏安特性曲线判断；

①将该灯泡直接接在一电动势为3 V、内阻为1 Ω的电源两端，小灯泡的功率为____________ W；(结果保留两位小数)

②将____________只相同的小灯泡并联后，与①中电源以及一定值电阻R0＝0.25 Ω串联成闭合回路，可使灯泡消耗的总功率最大，最大值约为____________ W。(结果保留两位小数)

[解析]　(1)探究小灯泡在不同电压下的功率大小，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，实物电路图如图所示；

(2)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后作出图象如图所示：

(3)①在灯泡U­I图象中作出电源的U­I图象如图所示：由图示图象可知，灯泡两端U＝2.5 V，通过灯泡的电流I＝0.5 A，灯泡功率：P＝UI＝2.5×0.5 W＝1.25 W。

②电源与电阻R0整体可以看作等效电源，等效电源内阻为(1＋0.25) Ω＝1.25 Ω，当灯泡并联电阻为1.25 Ω时灯泡总功率最大，此时路端电压为1.5 V，由灯泡U­I图象可知，此时通过灯泡的电流为0.4 A，灯泡的电阻RL＝＝ Ω＝3.75 Ω，则三只灯泡并联电阻为1.25 Ω，三只灯泡并联时灯泡总功率最大，Pmax＝3UI＝1.80 W。

[答案]　(1)图见解析　(2)图见解析

(3)①1.25(1.25～1.30均可)　②3　1.80

考点二　创新拓展实验

以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性等特点。

1．以实验原理及实验方法为基础，探究小灯泡功率与电压的关系。

2．实验对象的变迁

3．数据处理方式的改进

采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理。

角度1　实验对象的变迁

[例3]　(2020·济南高三质量评估)如图为某磁敏电阻在室温下的特性曲线，其中RB表示有磁场时磁敏电阻的阻值，R0表示无磁场时磁敏电阻的阻值。为测量某磁场的磁感应强度B，需先测量磁敏电阻处于该磁场中的阻值。

(1)某同学首先测量待测磁场中磁敏电阻的阻值，利用下面提供的器材，请将图中的导线补充完整。

提供的器材如下：

A．磁敏电阻，无磁场时阻值R0＝140 Ω

B．滑动变阻器R，全电阻约20 Ω

C．电流表A，量程2.5 mA，内阻RA＝100 Ω

D．电压表V，量程3 V，内阻约3 kΩ

E．直流电源E，电动势3 V，内阻不计

F．开关S，导线若干

(2)正确接线后。测量数据如表中所示，请利用表中数据在图中描点作图。

(3)根据U­I图象尽可能准确地求出磁敏电阻的阻值RB＝__________ Ω，结合图可知待测磁场的磁感应强度B＝

____________ T。

[解析]　(1)由于滑动变阻器的最大阻值小于待测电阻的阻值，因此滑动变阻器应采用分压接法，由于电流表的内阻已知，为了减小实验误差，电流表应采用内接法。(2)将表格中的实验数据描绘在题图中，并用直线连接，使尽可能多的点落在直线上或均匀分布在直线两侧。(3)U­I图象中，图象的斜率大小为磁敏电阻的阻值和电流表内阻之和，则RB＝ Ω－100 Ω＝1.4×103 Ω，则＝10，则待测磁场的磁感应强度大小为B＝1.2 T。

[答案]　(1)如图1所示　(2)如图2所示

(3)1.4×103　1.2

角度2　测量小灯泡的功率

[例4]　(2017·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。(结果均保留两位小数)

[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

[跟踪训练]

2．(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 ℃的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表○V (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，使电压表读数仍有为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R2－t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R2－t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________ ℃。

[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)由图象可知t＝44.0 ℃时，热敏电阻的阻值约为450 Ω。

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

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