还剩16页未读，
继续阅读
2021届高考物理人教版一轮创新教学案：实验专题10 第43讲 描绘小灯泡的伏安特性曲线
展开
第43讲 描绘小灯泡的伏安特性曲线
基础命题点 课本原型实验
一、实验原理
用电流表测出流过小灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多组U、I值，在IU坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连起来。
二、实验器材
小灯泡“3.8 V,0.3 A”或小灯泡“2.5 V,0.6 A”一个、电压表(0～3 V～15 V)与电流表(0～0.6 A～3 A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20 Ω)一个、学生低压直流电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔。
三、实验步骤
1．因为小灯泡电阻比较小，所以电流表用外接法接入电路；因为本实验需要使电压和电流的调节范围尽量大，所以滑动变阻器采用分压式接法，按实验中的原理图连接好实验电路。
2．把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S。
3．移动滑动变阻器滑片，测出12组不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S。
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
电压U/V
电流I/A
四、数据处理
1．在坐标纸上以U为横轴，以I为纵轴，建立坐标系。
2．在坐标纸上描出各组数据所对应的点(坐标系纵轴和横轴的标度要适中，以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜)。
3．将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线。
五、注意事项
1．本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法。
2．本实验要作出IU图线，需要测出一组包括零在内的电流、电压值，故滑动变阻器必须采用分压式接法。
3．为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于电路图中的a端。
4．IU图象在中段将发生明显弯曲，故在中段绘点要密，以防出现较大误差。
5．当小灯泡电压快接近额定电压值时，要缓慢地增加到额定电压值，记录I后马上断开开关。
6．误差较大的点要舍去，IU图象应是平滑曲线而非折线。
7．建立坐标系时，纵轴表示电流，横轴表示电压，两坐标轴选取的标度要合理，使得根据测量数据画出的图线尽量占满坐标纸。
六、误差分析
1．系统误差：由于采用的是电流表外接法，电流表的测量值大于小灯泡电流的真实值。
2．偶然误差
(1)电压表、电流表读数时存在误差。
(2)在坐标纸上描点、作图时存在误差。
(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1000 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)小灯泡的电压要求从0开始调节，滑动变阻器采用分压式接法，电流表采用外接法，小灯泡的额定电压超出电压表的量程，需将电压表与R0串联后接入电路。电路图如图所示。
(2)IU图象中随着电流的增大，图线对应点与原点连线的斜率变小，小灯泡的电阻增大。根据电阻定律R＝ρ，得灯丝的电阻率增大。
(3)当R＝0时，电源路端电压与电流的关系图象如图线甲所示。此时小灯泡功率有最大值。
当R＝9 Ω时，将R看做电源内阻，则等效电源内阻为10 Ω，其路端电压与电流的关系图象如图线乙所示。此时小灯泡功率有最小值。
取图线甲与小灯泡伏安特性曲线交点：
U1＝3.66 V，I1＝0.319 A，
小灯泡的最大功率P1＝U1I1≈1.17 W。
取图线乙与小灯泡伏安特性曲线交点：
U2＝1.77 V，I2＝0.222 A，
小灯泡的最小功率P2＝U2I2≈0.39 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
(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线时，往往要求对小灯泡两端的电压或通过它的电流调节范围尽量大，一般要求从零开始调节，因此，滑动变阻器往往选择分压式接法。
(2)在保证安全的前提下，电压表和电流表应选择量程小的，因为这样指针偏角会大些，减小测量误差。
(2019·广西钦州三模)某同学想要描绘标有“3.8 V,0.3 A”字样的小灯泡L的伏安特性曲线，要求实验尽量准确。可供选择的器材除小灯泡、开关、导线外，还有：
电压表V，量程0～5 V，内阻约5 kΩ
电流表A1，量程0～500 mA，内阻约0.5 Ω
电流表A2，量程0～100 mA，内阻约4 Ω
滑动变阻器R1，最大阻值10 Ω，额定电流2.0 A
滑动变阻器R2，最大阻值100 Ω，额定电流1.0 A
直流电源E，电动势约6 V，内阻可忽略不计
(1)上述器材中，电流表应选________，滑动变阻器应选________(填写所选器材的字母符号)。
(2)该同学正确选择仪器后连接了如图甲所示的电路，为保证实验顺利进行，并使误差尽量小，实验前请你检查该电路，指出电路在接线上存在的两项问题：
①_______________________________________________________________；
②______________________________________________________________。
(3)该同学校正电路后，经过正确的实验操作和数据记录，描绘出了小灯泡的伏安特性曲线，如图乙所示，由此推断小灯泡的电阻值随工作电压的增大而________(选填“不变”“增大”或“减小”)。
(4)该同学完成实验后又进行了以下探究：把两只这样的小灯泡并联，直接接在电动势为4 V、内阻为8 Ω的电源上组成闭合回路。请你根据上述信息估算此时一只小灯泡的功率约为________ W(结果保留两位有效数字)。
答案 (1)A1 R1
(2)①电流表没有采用外接法 ②滑动变阻器没有采用分压式接法
(3)增大 (4)0.19(0.17～0.21)
解析 (1)灯泡额定电流为0.3 A，故电流表应选择A1；由于本实验中描绘小灯泡的伏安特性曲线，要求电压从零开始，必须采用分压式接法，因此滑动变阻器应选择总阻值较小的R1。
(2)由于灯泡内阻较小，为了减小实验误差，故只能采用电流表外接法；描绘小灯泡的伏安特性曲线，要求电压从零开始，滑动变阻器必须采用分压式接法。
(3)IU图象中图线上的点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，则可知，灯泡电阻随电压的增大而增大。
(4)设每只灯泡两端的电压为U，流过的电流为I，两灯泡并联接在电源两端，由闭合电路欧姆定律可得：U＝E－2Ir，代入数据可得：U＝4.0－16I，在原伏安特性曲线图象中作函数U＝4.0－16I的图线，交点代表每个灯泡两端的电压和流过每个灯泡的电流，如图所示：
则由图可知，灯泡两端的电压为1.00 V，电流为0.19 A，则灯泡的功率P＝UI＝1.0×0.19 W＝0.19 W。
能力命题点 实验改进与创新
1．实验改进与创新主要是实验对象的变化，不再是描绘小灯泡的伏安特性曲线，而是描绘其他电学元件一个量随另一个量变化的图象，如热敏电阻、光敏电阻、二极管等。
2．无论想在图象上反映哪两个量之间的关系，都是先据测量数据描点，然后用平滑的曲线或直线拟合这些点。拟合时让尽可能多的点在线上或者均匀分布在线的两侧。
(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 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(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1000 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R2t数据见下表。
t/℃
25.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
R2/Ω
900.0
680.0
500.0
390.0
320.0
270.0
240.0
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R2t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)图a的电路滑动变阻器采用限流接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的电阻值最大，使电路中电流最小，即图a中的R1的滑片应移到b端。
(2)将t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据对应画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2t 图象，如图所示。
(3)根据题述实验过程可知，测量的R2数据等于热敏电阻RT对应温度的电阻值。由画出的R2t图象可知，当t＝44.0 ℃时，对应的RT＝450 Ω。
(4)由画出的R2t图象可知，RT＝620.0 Ω，则手心温度t＝33.0 ℃。
答案 (1)b (2)见解析图 (3)450 (4)620.0 33.0
高考命题考查的IU图象问题不一定是描绘小灯泡的伏安特性曲线，也可能是我们较陌生的元件的IU图象或其他图象，比如本题的R2t图象。不过描绘其他两个量之间关系的图象同描绘小灯泡伏安特性曲线的方法类似。
1．(2019·全国卷Ⅱ)某小组利用图a所示的电路，研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系，图中和为理想电压表；R为滑动变阻器，R0为定值电阻(阻值100 Ω)；S为开关，E为电源。实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出。图b是该小组在恒定电流为50.0 μA时得到的某硅二极管Ut关系曲线。回答下列问题：
(1)实验中，为保证流过二极管的电流为50.0 μA，应调节滑动变阻器R，使电压表的示数为U1＝________ mV；根据图b可知，当控温炉内的温度t升高时，硅二极管正向电阻________(填“变大”或“变小”)，电压表示数________(填“增大”或“减小”)，此时应将R的滑片向________(填“A”或“B”)端移动，以使示数仍为U1。
(2)由图b可以看出U与t成线性关系。硅二极管可以作为测温传感器，该硅二极管的测温灵敏度为＝________×10－3 V/℃(保留两位有效数字)。
答案 (1)5.00 变小 增大 B (2)2.8
解析 (1)、是理想电压表，则R0与硅二极管串联，电流相等，R0两端电压U1＝IR0＝50.0×10－6×100 V＝5.00×10－3 V＝5.00 mV。
由Ut图象知，当控温炉内温度t升高时，U变小，又I＝50.0 μA不变，故硅二极管正向电阻变小；当控温炉内温度升高时，硅二极管电阻变小，反过来影响电路中电流，由闭合电路欧姆定律知，电路中电流增大，示数增大；要保持示数不变，需增大滑动变阻器的阻值，即将滑片向B端移动。
(2)由Ut图象的斜率可知：＝ V/℃＝2.8×10－3 V/℃。
2．(2019·深圳中学高三诊断测试)发光晶体二极管是家用电器上指示灯的一种电子元件，它的电路符号如图甲所示。正常使用时，带“＋”号的一端接高电势，带“－”号的一端接低电势。某同学用实验的方法测得它两端的电压UD和通过它的电流I的数据，并记录在下表中：
UD/V
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
2.6
2.8
3.0
I/mA
0
0.9
2.3
4.3
6.8
13.0
19.0
24.0
28.0
37.0
(1)在图乙中的虚线框内画出该同学的实验电路图。所用的实验器材有：量程为5 V的电压表，其内阻约为10 kΩ；量程为50 mA的电流表mA，内阻约为100 Ω；直流电源E；滑动变阻器R；开关S；导线若干。
(2)在图丙中的方格纸上用描点法画出二极管的伏安特性曲线，并由此判断，该二极管的电阻随所加电压的增大而________ (填“增大”或“减小”)。
(3)已知该发光二极管的最佳工作电压为2.7 V，现用6 V稳压电源供电，需要串联一个电阻R才能使二极管工作在最佳状态，试运用伏安特性曲线计算R的阻值为________ Ω(取整数)。
答案 (1)图见解析 (2)图见解析 减小 (3)127
解析 (1)由题设要求可知，滑动变阻器接成分压器电路，电流表外接，如图乙所示。
(2)用表格提供的数据在方格纸上描点，画出伏安特性曲线如图丙中的曲线所示，结合IU图象由欧姆定律R＝可知，该二极管的电阻随所加电压的增大而减小。
(3)根据伏安特性曲线可得，当二极管的工作电压为2.7 V时，工作电流约为26 mA，串联电阻上分到电压应为3.3 V，故应串联的电阻为：R＝＝ Ω≈127 Ω。
课时作业
1．(2019·河北省衡水市武邑中学高三下第一次质检)要测绘额定电压为2 V的日常用小电珠的伏安特性曲线，所供选择的器材除了导线和开关外，还有以下一些器材可供选择：
A．电源E(电动势3.0 V，内阻可不计)
B．电压表V1(量程为0～3.0 V，内阻约2 kΩ)
C．电压表V2(0～15.0 V，内阻约6 kΩ)
D．电流表A1(0～0.6 A，内阻约1 Ω)
E．电流表A2(0～100 mA，内阻约2 Ω)
F．滑动变阻器R1(最大值10 Ω)
G．滑动变阻器R2(最大值2 kΩ)
(1)为减小实验误差，实验中电压表应选择________，电流表应选择________，滑动变阻器应选择________。(填各器材的序号)
(2)为提高实验精度，请你在如图a中设计实验电路图。
(3)根据图a，在图b中把缺少的导线补全，连接成实验的电路。
(4)实验中移动滑动变阻器滑片，得到了小电珠的UI图象如图c所示，则该小电珠的额定功率是________ W，小电珠电阻的变化特点是______________________。
答案 (1)B D F (2)图见解析 (3)图见解析
(4)0.96 小电珠的电阻随电压(温度)的增大而增大
解析 (1)因小电珠的额定电压只有2 V，则实验中电压表应选择B，由图c可知电流表应选择D，滑动变阻器要用分压式接法，故应选择阻值较小的F。
(2)电路如图。
(3)实物图连接如图。
(4)由图可知，当电压为U＝2 V时，I＝0.48 A，可知小电珠的额定功率是P＝IU＝0.96 W；小电珠电阻的变化特点是小电珠的电阻随电压(温度)的增大而增大。
2．(2019·石家庄精英中学高三二调)某同学做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验，已知小灯泡标称值为“2.5 V 1.25 W”，实验室中除导线和开关外，还有以下器材可供选择：
电压表V1(量程为3 V，内阻为3 kΩ)
电流表A1(量程为100 mA，内阻为10 Ω)
电流表A2(量程为3 A，内阻为0.1 Ω)
滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流为2 A)
滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流为0.5 A)
定值电阻R3(阻值为2.5 Ω)
定值电阻R4(阻值为10 Ω)
定值电阻R5(阻值为1 kΩ)
电源E(E＝3 V，内阻不计)
实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。
(1)实验中滑动变阻器应选用________，电流表应选用________，并________(填“串联”或“并联”)定值电阻。(均填器材的符号)
(2)在图1中的虚线框内画出电路图。(图中标出选用的器材的符号)
(3)实验中得到的该灯泡的伏安特性曲线如图2所示，如果将小灯泡与另一个电动势为2 V，内阻为4 Ω的电源直接相连，则小灯泡的实际功率为________ W。(保留两位有效数字)
答案 (1)R1 A1 并联 (2)图见解析 (3)0.25
解析 (1)为方便实验操作，滑动变阻器应选择R1；灯泡的额定电流为：I＝＝＝0.5 A＝500 mA，电流表A2的量程太大，不能用它测电流，故把电流表A1与定值电阻R3并联扩大其量程测电流。
(2)描绘小灯泡伏安特性曲线时，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，电压表内阻远大于小灯泡电阻，电流表采用外接法，实验电路图如图所示。
(3)在小灯泡的IU坐标系内作出电源的伏安特性曲线如图所示：
由图示图线可知交点坐标为：U＝0.9 V，I＝0.28 A
小灯泡的实际功率为：P＝UI＝0.9×0.28 W≈0.25 W。
3．(2019·湖北省高三4月调考)某同学在做完“描绘小灯泡的伏安特性曲线”后，又对一个标有“6 V 3.5 W”的小电风扇电动机(线圈电阻恒定)的伏安特性曲线进行了研究，同研究小灯泡一样，要求电风扇电动机两端的电压能从零逐渐增加到6 V，实验室备有下列器材：
A．电流表(量程Ⅰ：0～0.6 A，内阻约为1 Ω；量程Ⅱ：0～3 A，内阻约为0.1 Ω)
B．电压表(量程为0～6 V，内阻几千欧)
C．滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω，额定电流2 A)
D．滑动变阻器R2(最大阻值1750 Ω，额定电流0.3 A)
E．电池组(电动势为9 V，内阻小于1 Ω)
F．开关和导线若干
(1)实验中所用的滑动变阻器应选________(填“C”或“D”)，电流表的量程应选________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
(2)请用笔画线代替导线将实物图甲连接成符合这个实验要求的电路。
(3)闭合开关前，为防止电动机输入电压过高而损坏，滑动变阻器滑片P应滑到________(填“M”或“N”)端。
(4)闭合开关，移动滑动变阻器的滑片P，改变加在电动机上的电压，实验中发现当电压表示数大于1 V时电风扇才开始转动，电动机的伏安特性曲线如图乙所示，则电动机线圈的电阻为________ Ω，电动机正常工作时的机械功率为________ W。(保留两位有效数字)
答案 (1)C Ⅰ (2)图见解析
(3)M (4)2.5 2.6
解析 (1)电风扇的额定电流I＝＝0.58 A，从读数误差的角度考虑，电流表应选择量程Ⅰ。为方便调节，滑动变阻器选择总电阻较小的，即选择C。
(2)因为电压、电流需从零开始测起，则滑动变阻器应采用分压式接法，电风扇的电阻远小于电压表内阻，属于小电阻，电流表应采用外接法，电路图如图①所示。则可知对应的实物图如图②所示。
(3)闭合开关前，为防止电动机输入电压过高而损坏，滑动变阻器滑片P应滑到M端。
(4)电压表读数大于1 V时电风扇才启动，由图象可知U＝1 V时，I＝0.4 A。根据欧姆定律得，R＝＝ Ω＝2.5 Ω。正常工作时电压为6 V，根据图象可知电流为0.57 A，则电风扇发热功率P＝I2R＝0.572×2.5 W＝0.81 W，则机械功率P′＝UI－I2R＝6×0.57 W－0.81 W≈2.6 W。
4．(2019·河南郑州三模)二极管为非线性元件，其主要特性是单向导电性。正向电压较小时，电流很小，二极管呈现较大的电阻特性；当电压超过一定数值(称为开启电压)时，电流迅速增加，呈现较小的电阻特性。加反向电压(不超过击穿电压)时呈现很大的电阻特性，反向电压增加时，反向电流几乎不变。物理小组欲研究测量二极管正向伏安特性，设计了甲、乙、丙三种电路，如图所示，小组最终选择了丙图。操作步骤如下：
a．根据电路图丙连接电路；
b．闭合开关S1，调节各可变电阻，使得开关S2由断开到闭合时，灵敏电流表G指针无偏转，并记录此时电压表V的示数U和电流表A的示数I；
c．调节可变电阻，重复步骤b，读出多组不同的U值和I值，记录数据如表格所示；
电压
U/V
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
电流
I/mA
0
0
0
0
0
1.0
4.0
13.0
27.0
53.0
90.0
d．在坐标纸上描绘出二极管正向伏安特性曲线。
根据以上内容，请回答以下问题
(1)从设计原理上讲，对于甲图和乙图的误差分析，下列说法正确的是________。
A．甲图误差的来源在于电流表的分压作用，乙图的误差来源在于电流表的分压作用
B．甲图误差的来源在于电流表的分压作用，乙图的误差来源在于电压表的分流作用
C．甲图误差的来源在于电压表的分流作用，乙图的误差来源在于电流表的分压作用
D．甲图误差的来源在于电压表的分流作用，乙图的误差来源在于电压表的分流作用
(2)在坐标图中根据表格中数据描绘出二极管正向伏安特性曲线。
(3)从描绘的图线来看，二极管的开启电压约为________ V(结果保留一位有效数字)。
(4)已知二极管的电阻R0＝，从描绘的图线来看，当二极管导通时，二极管的电阻随着U的增大而迅速________。(填“增大”或“减小”)
(5)从设计原理上讲，电路图丙中的二极管电阻测量值________真实值。(填“大于”“等于”或“小于”)
答案 (1)C (2)图见解析 (3)0.5 (4)减小
(5)等于
解析 (1)由图示电路图可知，图甲采用电流表外接法，图乙采用电流表内接法，甲图误差的来源在于电压表的分流作用，乙图的误差来源在于电流表的分压作用，故C正确。
(2)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，根据坐标系内描出的点作出图线如图所示。
(3)由图示图象可知，二极管的开启电压为0.5 V。
(4)由图示图象可知，当二极管导通时，通过二极管的电流随电压增加按非线性关系迅速上升，二极管两端的电压与通过二极管的电流比值迅速减小，即二极管的电阻随着U的增大而迅速减小。
(5)由图丙所示电路图可知，图丙所示电路避免了电表内阻对实验的影响，电路图丙中的二极管电阻测量值等于真实值。
第43讲 描绘小灯泡的伏安特性曲线
基础命题点 课本原型实验
一、实验原理
用电流表测出流过小灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多组U、I值，在IU坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连起来。
二、实验器材
小灯泡“3.8 V,0.3 A”或小灯泡“2.5 V,0.6 A”一个、电压表(0～3 V～15 V)与电流表(0～0.6 A～3 A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20 Ω)一个、学生低压直流电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔。
三、实验步骤
1．因为小灯泡电阻比较小，所以电流表用外接法接入电路；因为本实验需要使电压和电流的调节范围尽量大，所以滑动变阻器采用分压式接法，按实验中的原理图连接好实验电路。
2．把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S。
3．移动滑动变阻器滑片，测出12组不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S。
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
电压U/V
电流I/A
四、数据处理
1．在坐标纸上以U为横轴，以I为纵轴，建立坐标系。
2．在坐标纸上描出各组数据所对应的点(坐标系纵轴和横轴的标度要适中，以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜)。
3．将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线。
五、注意事项
1．本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法。
2．本实验要作出IU图线，需要测出一组包括零在内的电流、电压值，故滑动变阻器必须采用分压式接法。
3．为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于电路图中的a端。
4．IU图象在中段将发生明显弯曲，故在中段绘点要密，以防出现较大误差。
5．当小灯泡电压快接近额定电压值时，要缓慢地增加到额定电压值，记录I后马上断开开关。
6．误差较大的点要舍去，IU图象应是平滑曲线而非折线。
7．建立坐标系时，纵轴表示电流，横轴表示电压，两坐标轴选取的标度要合理，使得根据测量数据画出的图线尽量占满坐标纸。
六、误差分析
1．系统误差：由于采用的是电流表外接法，电流表的测量值大于小灯泡电流的真实值。
2．偶然误差
(1)电压表、电流表读数时存在误差。
(2)在坐标纸上描点、作图时存在误差。
(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1000 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)小灯泡的电压要求从0开始调节，滑动变阻器采用分压式接法，电流表采用外接法，小灯泡的额定电压超出电压表的量程，需将电压表与R0串联后接入电路。电路图如图所示。
(2)IU图象中随着电流的增大，图线对应点与原点连线的斜率变小，小灯泡的电阻增大。根据电阻定律R＝ρ，得灯丝的电阻率增大。
(3)当R＝0时，电源路端电压与电流的关系图象如图线甲所示。此时小灯泡功率有最大值。
当R＝9 Ω时，将R看做电源内阻，则等效电源内阻为10 Ω，其路端电压与电流的关系图象如图线乙所示。此时小灯泡功率有最小值。
取图线甲与小灯泡伏安特性曲线交点：
U1＝3.66 V，I1＝0.319 A，
小灯泡的最大功率P1＝U1I1≈1.17 W。
取图线乙与小灯泡伏安特性曲线交点：
U2＝1.77 V，I2＝0.222 A，
小灯泡的最小功率P2＝U2I2≈0.39 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
(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线时，往往要求对小灯泡两端的电压或通过它的电流调节范围尽量大，一般要求从零开始调节，因此，滑动变阻器往往选择分压式接法。
(2)在保证安全的前提下，电压表和电流表应选择量程小的，因为这样指针偏角会大些，减小测量误差。
(2019·广西钦州三模)某同学想要描绘标有“3.8 V,0.3 A”字样的小灯泡L的伏安特性曲线，要求实验尽量准确。可供选择的器材除小灯泡、开关、导线外，还有：
电压表V，量程0～5 V，内阻约5 kΩ
电流表A1，量程0～500 mA，内阻约0.5 Ω
电流表A2，量程0～100 mA，内阻约4 Ω
滑动变阻器R1，最大阻值10 Ω，额定电流2.0 A
滑动变阻器R2，最大阻值100 Ω，额定电流1.0 A
直流电源E，电动势约6 V，内阻可忽略不计
(1)上述器材中，电流表应选________，滑动变阻器应选________(填写所选器材的字母符号)。
(2)该同学正确选择仪器后连接了如图甲所示的电路，为保证实验顺利进行，并使误差尽量小，实验前请你检查该电路，指出电路在接线上存在的两项问题：
①_______________________________________________________________；
②______________________________________________________________。
(3)该同学校正电路后，经过正确的实验操作和数据记录，描绘出了小灯泡的伏安特性曲线，如图乙所示，由此推断小灯泡的电阻值随工作电压的增大而________(选填“不变”“增大”或“减小”)。
(4)该同学完成实验后又进行了以下探究：把两只这样的小灯泡并联，直接接在电动势为4 V、内阻为8 Ω的电源上组成闭合回路。请你根据上述信息估算此时一只小灯泡的功率约为________ W(结果保留两位有效数字)。
答案 (1)A1 R1
(2)①电流表没有采用外接法 ②滑动变阻器没有采用分压式接法
(3)增大 (4)0.19(0.17～0.21)
解析 (1)灯泡额定电流为0.3 A，故电流表应选择A1；由于本实验中描绘小灯泡的伏安特性曲线，要求电压从零开始，必须采用分压式接法，因此滑动变阻器应选择总阻值较小的R1。
(2)由于灯泡内阻较小，为了减小实验误差，故只能采用电流表外接法；描绘小灯泡的伏安特性曲线，要求电压从零开始，滑动变阻器必须采用分压式接法。
(3)IU图象中图线上的点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，则可知，灯泡电阻随电压的增大而增大。
(4)设每只灯泡两端的电压为U，流过的电流为I，两灯泡并联接在电源两端，由闭合电路欧姆定律可得：U＝E－2Ir，代入数据可得：U＝4.0－16I，在原伏安特性曲线图象中作函数U＝4.0－16I的图线，交点代表每个灯泡两端的电压和流过每个灯泡的电流，如图所示：
则由图可知，灯泡两端的电压为1.00 V，电流为0.19 A，则灯泡的功率P＝UI＝1.0×0.19 W＝0.19 W。
能力命题点 实验改进与创新
1．实验改进与创新主要是实验对象的变化，不再是描绘小灯泡的伏安特性曲线，而是描绘其他电学元件一个量随另一个量变化的图象，如热敏电阻、光敏电阻、二极管等。
2．无论想在图象上反映哪两个量之间的关系，都是先据测量数据描点，然后用平滑的曲线或直线拟合这些点。拟合时让尽可能多的点在线上或者均匀分布在线的两侧。
(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 ℃时的阻值)为900.0 Ω；电源E(6 V，内阻可忽略)；电压表(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1000 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R2t数据见下表。
t/℃
25.0
30.0
40.0
50.0
60.0
70.0
80.0
R2/Ω
900.0
680.0
500.0
390.0
320.0
270.0
240.0
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R2t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)图a的电路滑动变阻器采用限流接法，在闭合S1前，R1应该调节到接入电路部分的电阻值最大，使电路中电流最小，即图a中的R1的滑片应移到b端。
(2)将t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据对应画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2t 图象，如图所示。
(3)根据题述实验过程可知，测量的R2数据等于热敏电阻RT对应温度的电阻值。由画出的R2t图象可知，当t＝44.0 ℃时，对应的RT＝450 Ω。
(4)由画出的R2t图象可知，RT＝620.0 Ω，则手心温度t＝33.0 ℃。
答案 (1)b (2)见解析图 (3)450 (4)620.0 33.0
高考命题考查的IU图象问题不一定是描绘小灯泡的伏安特性曲线，也可能是我们较陌生的元件的IU图象或其他图象，比如本题的R2t图象。不过描绘其他两个量之间关系的图象同描绘小灯泡伏安特性曲线的方法类似。
1．(2019·全国卷Ⅱ)某小组利用图a所示的电路，研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系，图中和为理想电压表；R为滑动变阻器，R0为定值电阻(阻值100 Ω)；S为开关，E为电源。实验中二极管置于控温炉内，控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出。图b是该小组在恒定电流为50.0 μA时得到的某硅二极管Ut关系曲线。回答下列问题：
(1)实验中，为保证流过二极管的电流为50.0 μA，应调节滑动变阻器R，使电压表的示数为U1＝________ mV；根据图b可知，当控温炉内的温度t升高时，硅二极管正向电阻________(填“变大”或“变小”)，电压表示数________(填“增大”或“减小”)，此时应将R的滑片向________(填“A”或“B”)端移动，以使示数仍为U1。
(2)由图b可以看出U与t成线性关系。硅二极管可以作为测温传感器，该硅二极管的测温灵敏度为＝________×10－3 V/℃(保留两位有效数字)。
答案 (1)5.00 变小 增大 B (2)2.8
解析 (1)、是理想电压表，则R0与硅二极管串联，电流相等，R0两端电压U1＝IR0＝50.0×10－6×100 V＝5.00×10－3 V＝5.00 mV。
由Ut图象知，当控温炉内温度t升高时，U变小，又I＝50.0 μA不变，故硅二极管正向电阻变小；当控温炉内温度升高时，硅二极管电阻变小，反过来影响电路中电流，由闭合电路欧姆定律知，电路中电流增大，示数增大；要保持示数不变，需增大滑动变阻器的阻值，即将滑片向B端移动。
(2)由Ut图象的斜率可知：＝ V/℃＝2.8×10－3 V/℃。
2．(2019·深圳中学高三诊断测试)发光晶体二极管是家用电器上指示灯的一种电子元件，它的电路符号如图甲所示。正常使用时，带“＋”号的一端接高电势，带“－”号的一端接低电势。某同学用实验的方法测得它两端的电压UD和通过它的电流I的数据，并记录在下表中：
UD/V
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4
2.6
2.8
3.0
I/mA
0
0.9
2.3
4.3
6.8
13.0
19.0
24.0
28.0
37.0
(1)在图乙中的虚线框内画出该同学的实验电路图。所用的实验器材有：量程为5 V的电压表，其内阻约为10 kΩ；量程为50 mA的电流表mA，内阻约为100 Ω；直流电源E；滑动变阻器R；开关S；导线若干。
(2)在图丙中的方格纸上用描点法画出二极管的伏安特性曲线，并由此判断，该二极管的电阻随所加电压的增大而________ (填“增大”或“减小”)。
(3)已知该发光二极管的最佳工作电压为2.7 V，现用6 V稳压电源供电，需要串联一个电阻R才能使二极管工作在最佳状态，试运用伏安特性曲线计算R的阻值为________ Ω(取整数)。
答案 (1)图见解析 (2)图见解析 减小 (3)127
解析 (1)由题设要求可知，滑动变阻器接成分压器电路，电流表外接，如图乙所示。
(2)用表格提供的数据在方格纸上描点，画出伏安特性曲线如图丙中的曲线所示，结合IU图象由欧姆定律R＝可知，该二极管的电阻随所加电压的增大而减小。
(3)根据伏安特性曲线可得，当二极管的工作电压为2.7 V时，工作电流约为26 mA，串联电阻上分到电压应为3.3 V，故应串联的电阻为：R＝＝ Ω≈127 Ω。
课时作业
1．(2019·河北省衡水市武邑中学高三下第一次质检)要测绘额定电压为2 V的日常用小电珠的伏安特性曲线，所供选择的器材除了导线和开关外，还有以下一些器材可供选择：
A．电源E(电动势3.0 V，内阻可不计)
B．电压表V1(量程为0～3.0 V，内阻约2 kΩ)
C．电压表V2(0～15.0 V，内阻约6 kΩ)
D．电流表A1(0～0.6 A，内阻约1 Ω)
E．电流表A2(0～100 mA，内阻约2 Ω)
F．滑动变阻器R1(最大值10 Ω)
G．滑动变阻器R2(最大值2 kΩ)
(1)为减小实验误差，实验中电压表应选择________，电流表应选择________，滑动变阻器应选择________。(填各器材的序号)
(2)为提高实验精度，请你在如图a中设计实验电路图。
(3)根据图a，在图b中把缺少的导线补全，连接成实验的电路。
(4)实验中移动滑动变阻器滑片，得到了小电珠的UI图象如图c所示，则该小电珠的额定功率是________ W，小电珠电阻的变化特点是______________________。
答案 (1)B D F (2)图见解析 (3)图见解析
(4)0.96 小电珠的电阻随电压(温度)的增大而增大
解析 (1)因小电珠的额定电压只有2 V，则实验中电压表应选择B，由图c可知电流表应选择D，滑动变阻器要用分压式接法，故应选择阻值较小的F。
(2)电路如图。
(3)实物图连接如图。
(4)由图可知，当电压为U＝2 V时，I＝0.48 A，可知小电珠的额定功率是P＝IU＝0.96 W；小电珠电阻的变化特点是小电珠的电阻随电压(温度)的增大而增大。
2．(2019·石家庄精英中学高三二调)某同学做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验，已知小灯泡标称值为“2.5 V 1.25 W”，实验室中除导线和开关外，还有以下器材可供选择：
电压表V1(量程为3 V，内阻为3 kΩ)
电流表A1(量程为100 mA，内阻为10 Ω)
电流表A2(量程为3 A，内阻为0.1 Ω)
滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流为2 A)
滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流为0.5 A)
定值电阻R3(阻值为2.5 Ω)
定值电阻R4(阻值为10 Ω)
定值电阻R5(阻值为1 kΩ)
电源E(E＝3 V，内阻不计)
实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。
(1)实验中滑动变阻器应选用________，电流表应选用________，并________(填“串联”或“并联”)定值电阻。(均填器材的符号)
(2)在图1中的虚线框内画出电路图。(图中标出选用的器材的符号)
(3)实验中得到的该灯泡的伏安特性曲线如图2所示，如果将小灯泡与另一个电动势为2 V，内阻为4 Ω的电源直接相连，则小灯泡的实际功率为________ W。(保留两位有效数字)
答案 (1)R1 A1 并联 (2)图见解析 (3)0.25
解析 (1)为方便实验操作，滑动变阻器应选择R1；灯泡的额定电流为：I＝＝＝0.5 A＝500 mA，电流表A2的量程太大，不能用它测电流，故把电流表A1与定值电阻R3并联扩大其量程测电流。
(2)描绘小灯泡伏安特性曲线时，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，电压表内阻远大于小灯泡电阻，电流表采用外接法，实验电路图如图所示。
(3)在小灯泡的IU坐标系内作出电源的伏安特性曲线如图所示：
由图示图线可知交点坐标为：U＝0.9 V，I＝0.28 A
小灯泡的实际功率为：P＝UI＝0.9×0.28 W≈0.25 W。
3．(2019·湖北省高三4月调考)某同学在做完“描绘小灯泡的伏安特性曲线”后，又对一个标有“6 V 3.5 W”的小电风扇电动机(线圈电阻恒定)的伏安特性曲线进行了研究，同研究小灯泡一样，要求电风扇电动机两端的电压能从零逐渐增加到6 V，实验室备有下列器材：
A．电流表(量程Ⅰ：0～0.6 A，内阻约为1 Ω；量程Ⅱ：0～3 A，内阻约为0.1 Ω)
B．电压表(量程为0～6 V，内阻几千欧)
C．滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω，额定电流2 A)
D．滑动变阻器R2(最大阻值1750 Ω，额定电流0.3 A)
E．电池组(电动势为9 V，内阻小于1 Ω)
F．开关和导线若干
(1)实验中所用的滑动变阻器应选________(填“C”或“D”)，电流表的量程应选________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
(2)请用笔画线代替导线将实物图甲连接成符合这个实验要求的电路。
(3)闭合开关前，为防止电动机输入电压过高而损坏，滑动变阻器滑片P应滑到________(填“M”或“N”)端。
(4)闭合开关，移动滑动变阻器的滑片P，改变加在电动机上的电压，实验中发现当电压表示数大于1 V时电风扇才开始转动，电动机的伏安特性曲线如图乙所示，则电动机线圈的电阻为________ Ω，电动机正常工作时的机械功率为________ W。(保留两位有效数字)
答案 (1)C Ⅰ (2)图见解析
(3)M (4)2.5 2.6
解析 (1)电风扇的额定电流I＝＝0.58 A，从读数误差的角度考虑，电流表应选择量程Ⅰ。为方便调节，滑动变阻器选择总电阻较小的，即选择C。
(2)因为电压、电流需从零开始测起，则滑动变阻器应采用分压式接法，电风扇的电阻远小于电压表内阻，属于小电阻，电流表应采用外接法，电路图如图①所示。则可知对应的实物图如图②所示。
(3)闭合开关前，为防止电动机输入电压过高而损坏，滑动变阻器滑片P应滑到M端。
(4)电压表读数大于1 V时电风扇才启动，由图象可知U＝1 V时，I＝0.4 A。根据欧姆定律得，R＝＝ Ω＝2.5 Ω。正常工作时电压为6 V，根据图象可知电流为0.57 A，则电风扇发热功率P＝I2R＝0.572×2.5 W＝0.81 W，则机械功率P′＝UI－I2R＝6×0.57 W－0.81 W≈2.6 W。
4．(2019·河南郑州三模)二极管为非线性元件，其主要特性是单向导电性。正向电压较小时，电流很小，二极管呈现较大的电阻特性；当电压超过一定数值(称为开启电压)时，电流迅速增加，呈现较小的电阻特性。加反向电压(不超过击穿电压)时呈现很大的电阻特性，反向电压增加时，反向电流几乎不变。物理小组欲研究测量二极管正向伏安特性，设计了甲、乙、丙三种电路，如图所示，小组最终选择了丙图。操作步骤如下：
a．根据电路图丙连接电路；
b．闭合开关S1，调节各可变电阻，使得开关S2由断开到闭合时，灵敏电流表G指针无偏转，并记录此时电压表V的示数U和电流表A的示数I；
c．调节可变电阻，重复步骤b，读出多组不同的U值和I值，记录数据如表格所示；
电压
U/V
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
0.75
0.80
电流
I/mA
0
0
0
0
0
1.0
4.0
13.0
27.0
53.0
90.0
d．在坐标纸上描绘出二极管正向伏安特性曲线。
根据以上内容，请回答以下问题
(1)从设计原理上讲，对于甲图和乙图的误差分析，下列说法正确的是________。
A．甲图误差的来源在于电流表的分压作用，乙图的误差来源在于电流表的分压作用
B．甲图误差的来源在于电流表的分压作用，乙图的误差来源在于电压表的分流作用
C．甲图误差的来源在于电压表的分流作用，乙图的误差来源在于电流表的分压作用
D．甲图误差的来源在于电压表的分流作用，乙图的误差来源在于电压表的分流作用
(2)在坐标图中根据表格中数据描绘出二极管正向伏安特性曲线。
(3)从描绘的图线来看，二极管的开启电压约为________ V(结果保留一位有效数字)。
(4)已知二极管的电阻R0＝，从描绘的图线来看，当二极管导通时，二极管的电阻随着U的增大而迅速________。(填“增大”或“减小”)
(5)从设计原理上讲，电路图丙中的二极管电阻测量值________真实值。(填“大于”“等于”或“小于”)
答案 (1)C (2)图见解析 (3)0.5 (4)减小
(5)等于
解析 (1)由图示电路图可知，图甲采用电流表外接法，图乙采用电流表内接法，甲图误差的来源在于电压表的分流作用，乙图的误差来源在于电流表的分压作用，故C正确。
(2)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，根据坐标系内描出的点作出图线如图所示。
(3)由图示图象可知，二极管的开启电压为0.5 V。
(4)由图示图象可知，当二极管导通时，通过二极管的电流随电压增加按非线性关系迅速上升，二极管两端的电压与通过二极管的电流比值迅速减小，即二极管的电阻随着U的增大而迅速减小。
(5)由图丙所示电路图可知，图丙所示电路避免了电表内阻对实验的影响，电路图丙中的二极管电阻测量值等于真实值。
相关资料
更多
