(全国版)高考物理一轮复习讲义第9章 实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线(含解析)

实验八　描绘小电珠的伏安特性曲线

目标要求　1.会选择实验器材，控制电路及测量电路.2.会根据电路进行正确的实物连线.

3.会实验操作，描绘出小电珠的伏安特性曲线．

实验技能储备

1．实验原理

(1)实验原理图：如图1甲；

(2)测多组小电珠的U、I的值，并绘出I－U图象；

(3)由图线的斜率反映电流与电压和电阻的关系．

图1

2．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．

3．进行实验及数据处理

(1)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．

(2)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．

(3)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．

4．注意事项

(1)电路的连接方式：

①电流表应采用外接法：因为小电珠(3.8 V,0.3 A)的电阻很小，与量程为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0开始连续变化．

(2)闭合开关S前，滑动变阻器的触头应移到使小电珠分得电压为0的一端，使开关闭合时小电珠的电压能从0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灯丝．

(3)I－U图线在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，以防出现较大误差．

5．误差分析

(1)由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，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．

考点一　教材原型实验

例1　(2020·陕西省黄陵县中学期中)现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V,0.6 W”小灯泡的I－U图线，有下列器材供选用：

A．电压表(0～3 V，内阻3 kΩ；0～15 V，内阻10 kΩ)

B．电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω；0～3 A，内阻0.1 Ω)

C．滑动变阻器(10 Ω，2 A)

D．滑动变阻器(100 Ω，1.0 A)

E．蓄电池(电动势6 V，内阻不计)

图2

(1)为了减小测量误差，图2甲中的S1应接________(填“M”或“N”)，滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)．

(2)根据选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需要电路．

(3)开关S闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于________端(选填“A”“B”或“AB正中间”)．闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，电压表示数变化明显，但电流表示数始终为0，则电路故障为________．

答案　(1)M　C　(2)见解析图　(3)A　灯泡断路

解析　(1)由电路图可知，电路采用了滑动变阻器分压式接法；因灯泡电阻较小，故电流表采用外接法，故S1应接在M点；因采用分压式接法，故滑动变阻器采用总阻值较小的C.

(2)根据实验原理图画出实物图．

(3)为了保证实验安全，开始时灯泡两端的电压应为最小，故滑动变阻器的滑片应在A端；由题意可知，电压表示数变化明显，说明电压表与电源相连，且滑动变阻器连接正常，而电流表没有示数说明电路是断开的，由电路图可知，只能是灯泡发生了断路故障．

1．(2020·黑龙江大庆一中月考)在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，小灯泡的额定电压为2.5 V，额定功率为0.5 W，此外还有以下器材可供选择：

A．直流电源3 V(内阻不计)

B．直流电流表A1：量程0～300 mA(内阻约为5 Ω)

C．直流电流表A2：量程0～3 A(内阻约为0.1 Ω)

D．直流电压表V：量程0～3 V(内阻约为3 kΩ)

E．滑动变阻器R1：阻值范围0～100 Ω，额定电流0.5 A

F．滑动变阻器R2：阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A

G．导线和开关

实验要求：滑动变阻器便于调节，小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量．

(1)实验中电流表应选用________(填写仪器前的字母)；

(2)在图3甲所示的虚线框中画出符合要求的实验电路图(虚线框中已将所需的滑动变阻器画出，请补齐电路的其他部分，要求滑片P向b端滑动时，灯泡变亮)；

图3

(3)根据实验数据，画出小灯泡的I－U图线如图乙所示．由此可知，当电压为0.5 V时，小灯泡的灯丝电阻是________Ω.

(4)根据实验测量结果可以绘制小灯泡的电功率P随其两端电压U或电压的平方U2变化的图象，在图中所给出的a、b、c图象中可能正确的是________(选填“a”“b”或“c”)．

答案　(1)B　(2)见解析图　(3)5.0(或5)　(4)b

解析　(1)小灯泡的额定电流为I＝＝ A＝200 mA，电流表选B.

(2)因为小灯泡的电阻远小于电压表的内阻，所以采用电流表外接法；又因为描绘小灯泡的伏安特性曲线，小灯泡的电流和电压必须从零开始调整，所以必须采用分压电路，实验电路如图所示．

(3)由题图乙得，当电压为0.5 V时，小灯泡的电流为0.1 A，小灯泡的灯丝电阻为R＝＝5.0 Ω.

(4)由题图乙可知，随着小灯泡两端电压的增大，灯泡的电阻R增大，小灯泡的功率为P＝，R增大，斜率减小，b正确，a、c错误．

考点二　拓展创新实验

例2　(2019·广东深圳市4月第二次调研)LED灯的核心部件是发光二极管．某同学欲测量一只工作电压为2.9 V的发光二极管的正向伏安特性曲线，所用器材有：电压表(量程3 V，内阻约3 kΩ)，电流表 (用多用电表的直流25 mA挡替代，内阻约为5 Ω)，滑动变阻器(0～20 Ω)，电池组(内阻不计)，开关和导线若干．他设计的电路如图4(a)所示．回答下列问题：

图4

(1)根据图(a)，在实物图(b)上完成连线；

(2)调节滑动变阻器的滑片至最________端(填“左”或“右”)，将多用电表选择开关拨至直流25 mA挡，闭合开关；

(3)某次测量中，多用电表示数如图(c)，则通过二极管的电流为________ mA；

(4)该同学得到的正向伏安特性曲线如图(d)所示．由曲线可知，随着两端电压增加，二极管的正向电阻________(填“增大”“减小”或“不变”)；当两端电压为2.9 V时，正向电阻为________ kΩ(结果保留两位有效数字)；

(5)若实验过程中发现，将滑动变阻器滑片从一端移到另一端，二极管亮度几乎不变，电压表示数在2.7～2.9 V之间变化，试简要描述一种可能的电路故障：_____________________

________________________________________________________________________.

答案　(1)连线见解析图　(2)左　(3)16.0(15.8～16.2)　(4)减小　0.15(0.14～0.16)　(5)连接电源负极与滑动变阻器的导线断路

解析　(1)根据多用电表红黑表笔的接法“红进黑出”可知，黑表笔接二极管，红表笔接滑动变阻器，滑动变阻器采用分压式接法，则连线如图：

(2)为保护电路，开关闭合前需将滑动变阻器的滑片置于最左端；

(3)多用电表所选量程为25 mA，则电流表读数为 mA＝16.0 mA(答案在15.8～16.2 mA范围内均可)；

(4)I－U图象中，图线上的点与坐标原点连线的斜率表示电阻的倒数，由题图可知，随着电压的增加，斜率逐渐增大，则二极管的电阻逐渐减小；当二极管两端电压为2.9 V时，通过二极管的电流为19.5 mA，则电阻大小为R＝≈0.15 kΩ(答案在0.14～0.16 kΩ范围内均可)；

(5)由于二极管的正向电阻约为0.15 kΩ，远大于滑动变阻器的最大阻值，因此若实验中，将滑动变阻器滑片从一端移到另一端，二极管亮度几乎不变，电压表示数在2.7～2.9 V之间变化，则有可能是滑动变阻器与二极管串联，导致电路中总电阻较大，总电流较小，所以电压表的示数变化较小，故故障可能是连接电源负极与滑动变阻器的导线断路．

2．某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括电压表(内阻约为3 kΩ)、电流表(内阻约为1 Ω)、滑动变阻器(最大阻值为5 Ω，额定电流为1 A)、电源、开关、导线等．

图5

(1)使用多用电表粗测元件X的电阻，选择“×1”欧姆挡测量，示数如图5甲所示，读数为________ Ω.

(2)现要研究元件X的伏安特性，请你根据所给的实验仪器设计合理的实验电路，把理论电路图画在图乙方框内．

(3)根据合理的实验电路对元件X进行研究后，将元件X换成元件Y，重复实验．根据实验数据作出的U－I图线如图丙所示，由图可判断元件________(填“X”或“Y”)是非线性元件．

答案　(1)10　(2)见解析图　(3)Y

解析　(2)电压表的内阻远大于待测元件的电阻，可采用电流表外接；滑动变阻器用分压式接法；电路图如图；

(3)根据画出的U－I图象可知，Y元件的图象为非线性曲线，可知Y为非线性元件．

3．如图6甲为某磁敏电阻在室温下的电阻—磁感应强度特性曲线，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磁场中的电阻值．

图6

(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，请将图乙中的导线补充完整．

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，最大阻值约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．测量数据如下表，请利用表格数据在图7中描点作图：

图7

(3)根据U—I图象尽可能准确地求出磁敏电阻的阻值RB＝________ Ω，结合图甲可知待测磁场的磁感应强度B＝________ T．(结果均保留两位有效数字)

答案　(1)见解析图　(2)见解析图　(3)1.4×103　1.2

解析　(1)采用伏安法测量电阻，由于电流表内阻已知，采用电流表内接法，滑动变阻器采用分压式接法，连接实物图如图所示；

(2)根据数据作出的U－I图象如图：

(3)由U－I图象可知，磁敏电阻的阻值

RB＝＝ Ω＝1.4×103 Ω；

＝＝10，由题图甲可知待测磁场的磁感应强度B为1.2 T．