2021高考物理（选择性考试）人教版一轮学案：第八章实验8　描绘小灯泡的伏安特性曲线

实验8　描绘小灯泡的伏安特性曲线

1.实验原理

（1）测多组小灯泡的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.

2.实验器材

小灯泡“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.实验步骤

（1）画出电路图（如图甲所示）.

甲　　　　　　　　　　　　乙　　

（2）将小灯泡、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.

（4）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，得到小灯泡的伏安特性曲线.

4.实验器材选取

（1）原则：①安全；②精确；③操作方便.

（2）具体要求.

①电源允许的最大电流不小于电路中的实际最大电流.干电池中电流一般不允许超过0.6 A.

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或电流的最大值.

④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的以上.

⑤从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器.

5.注意事项

（1）电路的连接方式.

①电流表应采用外接法：因为小灯泡（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：目的是使小灯泡两端的电压能从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灯泡分得电压为0的一端，使开关闭合时小灯泡的电压能从0开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小灯泡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.

6.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

　（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（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甲所示.

　　　甲　　　　　　　　　　　乙

由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻　　　（选填“增大”“不变”或“减小”），灯丝的电阻率　　　　（选填“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乙所示的电路，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，在题图甲中画出等效电源E0′（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，在题图甲中画出电源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）见解析图　（2）增大　增大　（3）0.39　1.17

分压式接法电压能从零开始变化，范围更大.外电路电阻等于内阻时，输出功率最大.

考点二  实验拓展与创新

　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）、定值电阻等.

（a）

（b）　　　　　　　　（c）

（d）

（e）

（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（a）所示，读数为　　　　Ω.据此应选择图中的　　　　[选填“（b）”或“（c）”]电路进行实验.

（2）连接所选电路，闭合S.滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，电流表的示数逐渐　　　　（选填“增大”或“减小”）；依次记录电流及相应的电压；将元件X换成元件Y，重复实验.

（3）如图（d）是根据实验数据作出的UI图线，由图可判断元件　　　　（选填“X”或“Y”）是非线性元件.

（4）该小组还借助X和Y中的线性元件和阻值R＝21 Ω的定值电阻，测量待测电池的电动势E和内阻r，电路图如图（e）所示，闭合S1和S2，电压表读数为3.00 V；断开S2，读数为1.00 V.利用图（d）可算得E＝　　　　　V，r＝　　　　Ω（结果均保留两位有效数字，视电压表为理想电压表）.

解析：（1）由题图（a）可知，多用电表的读数为10 Ω，由于元件的电阻较小，电路应选用电流表外接法，即选择图（b）电路.

（2）当滑动变阻器的滑片向右移时，电流表的示数增大.

（3）由于元件Y的U-I图线是曲线，因此Y是非线性元件.

（4）设线性元件的电阻为R，由U-I图线可知，R＝＝10 Ω，则S1、S2均闭合时，E＝0.3 A×（10 Ω＋r），S1闭合、S2断开时，E＝0.1 A×（10 Ω＋21 Ω＋r），解得E≈3.2 V，r＝0.50 Ω.

答案：（1）10　（b）　（2）增大　（3）Y　（4）3.2　0.50

线性元件I-U图线是条直线，非线性元件是曲线，电能未完全转化为热能.

1.小华和小明在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，将实验数据记录在表格中：

（1）实验室有两种滑动变阻器供选择：

A.滑动变阻器（阻值范围0～10 Ω、额定电流3 A）；

B.滑动变阻器（阻值范围0～2 000 Ω、额定电流1 A）.

实验中选择的滑动变阻器是　　　　（填写字母序号）.

图甲

（2）在图甲中用笔画线代替导线，将实验电路连接完整.

（3）开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至　　　（选填“左”或“右”）端.

（4）利用表中数据，在图乙中画出小灯泡的UI图线.

图乙

（5）他们在U-I图象上找到小灯泡工作电压为2.0 V时坐标点，计算此状态的电阻值时，小明提出用图象上该点曲线斜率表示小灯泡的阻值；小华提出该点与坐标原点连线的斜率表示小灯泡的阻值.你认为　　　　（填“小华”或“小明”）的方法正确.

解析：（1）由于灯泡的电阻大约在几欧左右，为了便于测量，滑动变阻器选择0～10 Ω的.

（2）由于灯泡的电压和电流从零开始测起，则滑动变阻器采用分压式接法；电流表采用外接法.实物连线图如图所示.

图甲

（3）为了保护测量电路，开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至最左端.

（4）小灯泡的U-I图象如图所示.

图乙

（5）根据欧姆定律知，R＝，电阻的大小为该点与坐标原点连线的斜率，故小华的方法正确.

答案：（1）A　（2）见解析　（3）左　（4）见解析　（5）小华

2.某实验小组的同学在学校实验室中发现一电学元件，该电学元件上标有“最大电流不超过6 mA，最大电压不超过7 V”，同学们想通过实验描绘出该电学元件的伏安特性曲线，他们设计的一部分电路如图所示，图中定值电阻R＝1 kΩ，用于限流；电流表量程为10 mA，内阻约为5 Ω；电压表（未画出）量程为10 V，内阻约为10 kΩ；电源电动势E为12 V，内阻不计.

（1）实验时有两个滑动变阻器可供选择：

A.阻值0～200 Ω，额定电流0.3 A

B.阻值0～20 Ω，额定电流0.5 A

应选的滑动变阻器是　　　　（选填“A”或“B”）.

正确接线后，测得数据如下表：

（2）由以上数据分析可知，电压表应并联在M与_____之间（选填“O”或“P”）；

（3）将电路图在虚线框中补充完整；

（4）从表中数据可知，该电学元件的电阻的特点是：_____

________________________________________________________________________.

解析：（1）滑动变阻器A允许的最大电压为0.3×200 V＝60 V>12 V，滑动变阻器B两端所能加的最大电压为0.5×20 V＝10 V<12 V，为保证安全，滑动变阻器应选A.

（2）由表中实验数据可知，电学元件电阻的最小测量值约为：R＝ Ω≈1 163.6 Ω，电流表内阻约为5 Ω，电压表内阻约为10 kΩ，相对来说，元件电阻远大于电流表内阻，电流表应采用内接法，因此电压表应并联在M与P之间.

（3）描绘伏安特性曲线，电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，由（2）可知，电流表采用内接法，实验电路图如图所示.

（4）由表中实验数据可知，当元件两端的电压小于6 V时，电路电流很小，几乎为零，由欧姆定律可知，元件电阻非常大，不导电；当元件两端电压大于6 V时，随着电压的升高电流迅速增大，电压与电流的比值减小，电阻变小.

答案：（1）A　（2）P　（3）见解析　（4）当元件两端的电压小于6 V时，元件电阻非常大，不导电；当元件两端的电压大于6 V时，随着电压的升高电阻变小

3.硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件.某实验小组设计了如图甲所示的电路，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 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.

甲　　　　　　　　　　　　乙

丙

（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示数如图丙所示，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），并在图坐标纸上建立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Ix-Ux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：V1选用的是3 V量程，则刻度盘的最小分度为0.1 V，根据电表的读数原则知U1＝14.0×0.1 V＝1.40 V，I1＝≈0.23 mA.由于绘出的Ix－Ux图象不是直线，即Ix与Ux成非线性关系.

答案：（1）连线如图所示

（2）①1.40　0.23

②描点绘出IxUx图线，如图所示.

③非线性