2021高考物理鲁科版一轮复习教师用书：第八章实验九　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

[(]

常规实验

[例1] (2019·广东深圳调考)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(a)所示.回答下列问题:

(1)根据图(a),在实物图(b)上完成连线;

(2)调节变阻器的滑片至最　　　　端(选填“左”或“右”),将多用电表选择开关拔至直流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　　　(选填“增大”“减小”或“不变”);当两端电压为2.9 V时,正向电阻为　　　　kΩ(结果取两位有效数字); 

(5)若实验过程中发现,将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:          　. 

解析:(1)根据多用电表表笔“红进黑出”的接法可知,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,则连线如图所示;

(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=16.5 mA(在16.3～16.7范围内均可);

(4)IU图象中,图线斜率表示电阻的倒数,由图可知,随着电压的增加,斜率逐渐增大,则二极管的电阻逐渐减小;当两端电压为2.9 V时,电流表示数为19.0 mA,则电阻大小为R=≈152.6 Ω≈0.15 kΩ(在0.15～0.16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,故障可能是连接电源负极与变阻器的导线断路.

答案:(1)连线见解析　(2)左　(3)16.5

(4)减小　0.15

(5)连接电源负极与变阻器的导线断路

[例2] 某同学进行“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验,实验器材有:

电压表V:量程为3 V,内阻为3 kΩ

电流表A:量程为0.6 A,内阻约为2 Ω

定值电阻R0:阻值为1 kΩ

小灯泡L:额定电压为3.8 V

滑动变阻器R:阻值范围为0～10 Ω

电池:电动势E为6 V

开关S,导线若干

(1)该同学按如图(甲)所示的电路图进行实验,当电压表示数为1.20 V时,小灯泡两端的电压为　　　　V(保留三位有效数字). 

(2)通过正确实验操作和读数,得到了几组电压表的示数和电流表的示数,部分数据如表所示:

在图(乙)中画出小灯泡的伏安特性曲线.

(3)若把这个小灯泡串联一阻值为9 Ω的电阻,然后接入电动势为3 V、内阻为1.0 Ω的干电池,连接成闭合电路,此时小灯泡的电阻为　　　　Ω,实际功率为　　　W(结果均保留两位有效数字). 

解析:(1)由题图(甲)可知,电压表与定值电阻串联后并联接在小灯泡两端,则小灯泡两端的实际电压为电压表两端电压与定值电阻两端电压之和,则可知U=(RV+R0)=×(3+1)×103 V=1.60 V.

(2)由(1)可知,小灯泡两端的实际电压U=UV,根据题表中数据可得表中从左到右的电流对应的实际电压分别为:0.23 V,0.80 V,1.60 V,2.00 V,2.80 V,3.60 V,将各组对应数据在IU坐标平面内描点,并通过这些点作平滑曲线,可得出小灯泡的伏安特性曲线,如图1所示.

(3)把串联电阻和干电池看成一等效电源,与小灯泡连接成闭合电路,对该等效电源,则有U=3-10I,即I=0.3-0.1U,在图1中作出它的IU图象,如图2所示,则两图线的交点表示小灯泡的工作点,可知小灯泡的电压为1.18 V,电流为0.182 A;由欧姆定律可知,小灯泡电阻R== Ω=6.5 Ω,小灯泡的功率P=UI=1.18×0.182 W=0.21 W.

答案:(1)1.60

(2)见解析图1

(3)6.5　0.21

1.某学习小组探究一小电珠在不同电压下的电功率大小,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到右移动过程中,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(甲)实物接线图中完成余下导线的连接.

(2)某次测量,电流表指针偏转如图(乙)所示,则电流表的示数为　　　　A. 

(3)该小组描绘出的伏安特性曲线如图(丙)所示,根据图线判断,将　　　　只相同的小电珠并联后,直接与电动势为3 V、内阻为1 Ω的电源组成闭合回路,可使小电珠的总功率最大,其总功率的值约为　　　　 W(保留两位小数). 

解析:(1)根据题意,实验电路为分压电路,电流表外接,按照电流流向即可完成连线,在连线时要注意电表的极性,并注意接线要连到接线柱上.

(2)电流表示数为0.44 A.

(3)当电源的内阻与外电路的总电阻相同时,小电珠的总功率最大,即当总电流I==1.5 A,路端电压为U=1.5 V 时,小电珠的总功率最大,从题图中可知U=1.5 V时,通过每个小电珠的电流为I0=0.38 A,所以有n=≈4,总功率约为P=IU=1.5×1.5 W=2.25 W.

答案:(1)见解析　

(2)0.44　

(3)4　2.25(2.22～2.28均正确)

2.(2019·四川泸县一中期末)某研究性学习小组的同学们设计了描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验,待测小灯泡的额定电压为3.8 V.要求测量结果尽量精确,并绘制出小灯泡两端电压在0～3.8 V范围内完整的伏安特性曲线.

(1)若实验室的电压表、电流表和滑动变阻器都满足实验要求,则在如图所示的两种实验方案中,应选择　　　　[选填“(甲)”或“(乙)”]图所示电路进行实验. 

(2)若实验中只提供了量程为3 V,内阻为3 000 Ω的电压表V1,为了绘制完整的伏安特性曲线,需要将电压表V1改装成量程为4 V的电压表V2,则应将电压表V1　　　(选填“串联”或“并联”)一个阻值为　　　Ω的定值电阻,才能实现改装的要求. 

(3)小组的同学们正确描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图所示,根据这个特性曲线,同学们对小灯泡的实际功率与其两端的电压的关系,或与通过其电流的关系,猜想出了如图所示的关系图象,其中可能正确的是　　　.(选填选项下面的字母序号) 

(4)某同学将该小灯泡与一个阻值为4.0 Ω的定值电阻串联后,接在一个电动势为3.0 V、内阻为1.0 Ω的电源上,组成一个闭合电路,则此时该小灯泡实际功率约为　　　　W.(保留2位有效数字) 

解析:(1)由于实验是测量小灯泡的伏安特性曲线,电压需要从0开始测量,故滑动变阻器应为分压式接法,则应选用(甲)图所示电路.

(2)原电压表的量程为3 V,改装后的电压表的量程为 4 V,需要串联一个电阻,而电压表满偏电流Ig= A=1.0×10-3 A.该电阻的阻值为R= Ω=1 000 Ω.

(3)根据P=可知,U2=RP,即在U2与P的图象中,斜率为R,因为随着电压的增大,灯泡的电阻增大,故U2与P的图象的斜率增大,故A正确,C错误;又根据P=I2R可知,I2=P,即在I2与P的图象中,其斜率为,而电流增大时电阻增大,其倒数减小,故I2与P的图象的斜率在变小,故B正确,D错误.

(4)对电源有U=E-Ir=3.0-5.0I,即I=0.6-0.2 U,在灯泡的伏安特性曲线上作电源的IU图线,如图所示,其与灯泡的伏安特性曲线的交点即为灯泡的两端电压和电流,得U=2.2 V,I=0.156 A,故小灯泡的实际电功率为P=0.34 W.

答案:(1)(甲)　(2)串联　1 000　(3)AB　(4)0.34

创新实验

[例3] (2017·全国Ⅰ卷,23)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 (量程3 V,内阻3 kΩ);电流表 (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)所示的电路图,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)在额定电压下,小灯泡L的阻值RL= Ω=11.875 Ω,这个阻值较小,所以采用电流表外接法;由于电压表量程为3 V,小于额定电压3.8 V,所以将固定电阻R0与电压表串联来测小灯泡电压;要实现0～3.8 V的范围内的测量,滑动变阻器必须采用分压式接法,所以实验电路原理图如图所示.

(2)实验曲线上某点与原点连线的斜率的倒数表示小灯泡的电阻,所以随着电流的增加,小灯泡的电阻增大;由R=ρ可得ρ=,所以灯丝的电阻率增大.

(3)当R=9.0 Ω时,小灯泡的实际功率最小,由闭合电路欧姆定律有E0=I(R+r)+U,即4=10I+U,在图中作出该直线如图(甲)所示,交点坐标约为I=223 mA,U=1.77 V时最小功率Pmin=UI=0.39 W;当R=0时,小灯泡的实际功率最大,有E=Ir+U,即4=I+U,在图中作出该直线如图(乙)所示,交点坐标约为I=318 mA,U=3.69 V,小灯泡的最大功率Pmax=UI=1.17 W.

答案:(1)见解析

(2)增大　增大　(3)0.39　1.17

[例4] (2019·北京朝阳区二模)某学习小组探究电学元件的伏安特性曲线.

(1)甲同学要描绘一个标有“3.6 V,1.2 W”的小灯泡的伏安特性曲线,要求加在灯泡两端的电压在0～3.6 V之间调节.除了导线和开关外,还有下列器材可供选择:

电压表V(量程5 V,内阻约为5 kΩ)

直流电源E(电动势4.5 V,内阻不计)

电流表A1(量程350 mA,内阻约为1 Ω)

电流表A2(量程150 mA,内阻约为2 Ω)

滑动变阻器R1(阻值0～200 Ω)

滑动变阻器R2(阻值0～10 Ω)

实验中电流表应选　　　　,滑动变阻器应选　　　;(填写器材代号) 

以下的四个电路中应选用　　　　进行实验. 

(2)乙同学利用甲同学的电路分别描绘了三个电学元件的伏安特性曲线,如图1所示.然后他用图2的电路给三个元件分别供电,并将元件1和元件2供电时的各自一组电流和电压值分别标在图上的A点和B点.已知R0=9.0 Ω,则该电源的电动势E=　　　V,内电阻r=　　　Ω.这个电源给元件3供电时,元件3的电功率P=　　　W. 

解析:(1)灯泡的规格为“3.6 V,1.2 W”,则灯泡的额定电流IL== A=333 mA,灯泡的电阻RL==10.8 Ω,观察所给器材的规格,电流表应该用量程为350 mA的A1,描绘灯泡的伏安特性曲线,灯泡两端的电压需要从0开始调节,滑动变阻器应采用分压式接法,所以应选用R2;由于=(10.8 Ω)2<RARV=5 000 Ω2,可知电流表应采用外接法,即实验电路应选择A图.

(2)根据闭合电路欧姆定律,测量元件1时有E=IARA+IAr+IAR0,而IA=0.08 A,UA=2.2 V,则RA=27.5 Ω,测量元件2时有E=IBRB+IBr+IBR0,据图可知IB=0.15 A,UB=1.5 V,则RB=10 Ω,代入数据后可求电源电动势E=3.0 V,电源内阻r=1.0 Ω.在题图1中,过A,B两点画一直线交于坐标轴,如图所示,该直线与1,2,3元件的图象交点正是这几个元件接在该电源上的实际工作状态,可以看出元件3的实际工作状态点约为(1.0,0.2),所以元件3的功率为P=UI=0.2 W.

答案:(1)A1　R2　A　(2)3.0　1.0　0.2

1.(2019·天津河西区二模)要测绘一个标有“2.5 V　2 W”小灯泡的伏安特性曲线.己选用的器材有:

直流电源(3 V,内阻不计)

电流表A1(量程为0.6 A,内阻为0.6 Ω)

电流表A2(量程为300 mA.内阻未知)

电压表V(量程0～3 V,内阻约3 kΩ)

滑动变阻器R(0～5 Ω,允许最大电流3 A)

开关、导线若干.

其实验步骤如下:

(1)由于电流表A1的量程不足.小组成员把A1,A2并联后再接入电路,请按此要求用笔画线代替导线在实物图(甲)中完成余下导线的连接.

(2)正确连接好电路,并将滑动变阻器滑片滑至最　　　端,闭合开关S,调节滑片.发现当A1示数为0.50 A时,A2的示数为200 mA,由此可知A2的内阻为　　　 Ω. 

(3)若将并联后的两个电流表当成一个新电表,则该新电表的量程为　　A;为使其量程达到最大,可将图(乙)中　　　(选填“Ⅰ”或“Ⅱ”)处断开后再串联接入一个阻值合适的电阻. 

解析:(1)由于小灯泡的电阻相对于电压表内阻来说很小,电流表采用外接法,连接实物图如图所示.

(2)开关闭合前,滑动变阻器应调至使电流表和电压表的示数为零的位置,故应调至右端;根据欧姆定律得RA2== Ω=1.5 Ω.

(3)由于Ug1=0.6×0.6 V=0.36 V,Ug2=0.3×1.5 V=0.45 V,由于Ug1<Ug2,故两电流表两端允许所加最大电压为0.36 V,新电流表量程为I=（0.6+）A=0.84 A,由于A2未达到最大量程,要使其达到最大量程,需增大电压,此时电流表A1两端电压也增大会烧毁,为了保护该电流表,应在Ⅰ处再串联一个阻值合适的电阻.

答案:(1)见解析　(2)右　1.5　(3)0.84　Ⅰ

2.硅光电池在无光照时不产生电能,可视为一电子元件.某实验小组设计如图(甲)电路,给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点,正极接低电势点),探究其在无光照时的反向伏安特性.图中电压表V1量程选用3 V,内阻为6.0 kΩ;电压表V2量程选用15 V,内阻约为30 kΩ;R0为保护电阻;直流电源电动势E约为12 V,内阻不计.

(1)根据图(甲),用笔画线代替导线,将图(乙)连接成完整电路.

(2)用遮光罩罩住硅光电池,闭合开关S,调节变阻器R,读出电压表V1,V2的示数U1,U2.

①某次测量时,电压表V1示数如图(丙),则U1=　　　　V.可算出通过硅光电池的反向电流大小为　　　　mA(保留两位小数). 

②该小组测出大量数据,筛选出下表所示的9组U1,U2数据,算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“-”表示反向),并在坐标纸上建立IxUx坐标系,标出了与表中前5组Ux,Ix数据对应的5个坐标点.请你标出余下的4个坐标点,并绘出IxUx图线.

③由IxUx图线可知,硅光电池无光照下加反向电压时,Ix与Ux成　　　　(选填“线性”或“非线性”)关系. 

解析:(1)实物图如图(甲)所示

(2)①由题图知,电压表读数为1.40 V,通过硅光电池的反向电流等于通过电压表V1的电流,故I== A≈0.23 mA.

②先在坐标纸上描点,然后用平滑的曲线将其连接起来,如图(乙)所示.

③因图线为曲线,故Ix与Ux成非线性关系.

答案:(1)见解析图(甲)

(2)①1.40　0.23　②见解析图(乙)　③非线性

[创新分析]

[(] ●注意事项

1.电路的连接方式

(1)电流表外接:被测小电珠灯丝的电阻值较小,因此测量电路宜采用电流表外接法.

(2)滑动变阻器采用分压式连接:

实验结果中作出的IU图象,一般通过坐标原点,即要求测出一组包括零在内的电流、电压值,故控制电路采用分压接法.

2.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位于使小电珠在接通电路时的电压为零的一端.实验过程中小电珠两端的电压不要超过其额定电压.

3.IU图象在U0=1.0 V左右将发生明显弯曲,故在U0=1.0 V左右多测几组数据,以防出现较大误差.

4.通过描出的点拟合图线时,偏离较大的点要舍去,IU图象应是平滑的曲线.

●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.