2021届高考物理一轮复习学案：第8章实验9　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

1．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。

2．实验原理

(1)测多组小电珠的U、I的值，并描绘出I­U图象。

(2)由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系。

3．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。

4．实验步骤

(1)画出电路图(如图甲所示)。

甲　　　　　　　　乙　　

(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。

5．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。

6．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。

7．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I­U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。

实验电路设计与器材的选择

1．滑动变阻器的选取

在分压电路中，一般选用总阻值小于用电器电阻的滑动变阻器。在限流电路中，一般选用总阻值和用电器电阻相差不多或大几倍的滑动变阻器。

2．滑动变阻器的两种连接方式

3.两种接法的适用条件

(1)限流式接法适合测量阻值较小的电阻(跟滑动变阻器的最大电阻相比相差不多或比滑动变阻器的最大电阻还小)。

(2)分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的最大电阻要大)。

(3)若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式接法。

[题组训练]

1．要描绘一个标有“3 V　0.8 W”小灯泡的伏安特性曲线，要求小灯泡两端的电压由零逐渐增加，且尽量减小实验误差。已选用的器材除导线、开关外，还有：

电池组(电动势为4.5 V，内阻约1 Ω)

电流表(量程0.6 A，内阻约为1 Ω)

电压表(量程3 V，内阻约为3 kΩ)

滑动变阻器(最大阻值20 Ω，额定电流1 A)

实验电路应选用________(填字母代号)。

A　　　　B　　　　　C　　 　　D

B　[由题意得，本实验要求从电压表读数为零开始测量，故滑动变阻器应采用分压式接法；由于小灯泡电阻较小，因此应采用电流表外接法，故选择B电路。]

2．有一个小电珠上标有“4 V　2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个电珠的I­U图线。有下列器材供选用：

A．电压表(0～5 V，内阻10 kΩ)

B．电压表(0～10 V，内阻20 kΩ)

C．电流表(0～0.3 A，内阻1 Ω)

D．电流表(0～0.6 A，内阻0.4 Ω)

E．滑动变阻器(5 Ω，1 A)

F．滑动变阻器(500 Ω，0.2 A)

(1)实验中电压表应选用________，电流表应选用________。(用序号字母表示)

(2)为使实验误差尽量减小，要求电压从零开始变化且多取几组数据，滑动变阻器应选用________。(用序号字母表示)

(3)请在虚线框内画出满足实验要求的电路图，并把下图中所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图。

[解析]　(1)因小电珠的额定电压为4 V，为保证安全，选用的电压表量程应稍大于4 V，但不能大太多，量程太大则示数不准确，故选用0～5 V的电压表，故选A；由P＝UI得，小电珠的额定电流I＝＝0.5 A，故应选择0～0.6 A量程的电流表，故选D。

(2)由题意可知，电压从零开始变化，并要求多测几组数据，故只能采用滑动变阻器分压式接法，而分压接法中应选总阻值小的滑动变阻器，故选E。

(3)小电珠内阻R＝＝8 Ω，电压表内阻远大于小电珠内阻，应采用电流表外接法，故电路图和实物连接图如图所示。

[答案]　(1)A　D　(2)E　(3)图见解析

实验数据处理与分析

1．处理数据的方法和能力

(1)观察和分析表格中的数据。

(2)利用表格中的数据在坐标图纸上描点。

(3)用平滑的曲线连接描出的点。

(4)根据描绘的图线分析小灯泡的工作状态。

2．利用图象处理数据和分析实验结果

(1)图象横纵坐标的乘积表示功率。

(2)结合小灯泡的实际工作过程分析实验结果。

[题组训练]

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

(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)

(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最________(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。

甲　　　　　　　　乙

(5)他们在U­I图象上找到小灯泡工作电压为2.0 V时的坐标点，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________(选填“小华”或“小明”)的方法正确。

[解析]　(1)由于小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)由于小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。

(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)描点连线。用平滑的曲线将所描的点连起来，使尽可能多的点在曲线上，小灯泡的U­I图线如图所示。

(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)见解析图　(3)左　(4)见解析图　(5)小华

2．(2019·赣州一模)有一只小灯泡，其额定电压的标值为2.5 V，额定功率的标值模糊不清。某同学想通过测绘灯丝伏安特性曲线的方法来测出该灯泡的额定功率。

　　　　     甲　　　　　　乙　　　　　　　丙

(1)已知小灯泡的灯丝电阻约为5 Ω，请先在图甲中补全伏安法测量灯丝电阻的电路图，再选择电流表、电压表的合适量程，并按图甲连接方式将图乙中的实物连成完整的电路。

(2)开关S闭合之前，图乙中滑动变阻器的滑片应置于________(选填“A端”“B端”或“AB正中间”)。

(3)该同学通过实验作出了灯丝的伏安特性曲线如图丙所示，则小灯泡的额定功率为________W。

[解析]　(1)测绘伏安特性曲线时电压、电流需从0开始测量，滑动变阻器采用分压式接法，灯泡的电阻约为5 Ω，属于小电阻，电流表采取外接法。灯泡的额定电压为2.5 V，电压表选择3 V量程，灯泡的额定电流约为0.5 A，电流表量程选择0.6 A。

(2)开关S闭合之前，将图乙中滑动变阻器的滑片应置于B端，使测量电路部分处于短路状态，闭合开关时，电压表、电流表示数为零，起到保护作用。

(3)当电压U＝2.5 V时，I＝0.44 A，根据P＝UI＝2.5×0.44 W＝1.1 W。

[答案]　(1)如图所示

甲　　　　　　　乙　

(2)B端　(3)1.1

实验拓展与创新

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，常见创新点如下：

[题组训练]

1．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，在虚线框中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。

　　　　　图(a)　　　　　　　　图(b)

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(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)电压表量程为3 V，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，需要给电压表串联一个定值电阻扩大量程，题目中要求小灯泡两端电压从零开始，故滑动变阻器采用分压式接法，小灯泡的电阻RL＝＝ Ω＝11.875 Ω，因<，故电流表用外接法，实验电路原理图如图所示。

(2)由I­U图象知，图象中的点与坐标原点连线的斜率在减小，表示灯泡的电阻随电流的增大而增大，根据电阻定律R＝ρ知，灯丝的电阻率增大。

(3)当滑动变阻器的阻值最大为9.0 Ω时，电路中的电流最小，灯泡实际功率最小，由E0＝U＋I(R＋r)得U＝－10I＋4，作出图线①如图所示。

由交点坐标可得U1＝1.78 V，I1＝221 mA，P1＝U1I1≈0.39 W；当滑动变阻器电阻值R＝0时，灯泡消耗的功率最大，由E0＝U＋I(R＋r)得，I＝－U＋4，作出图线②如图所示。由交点坐标可得，U2＝3.70 V，I2＝315 mA，最大的功率为P2＝U2I2≈1.17 W。

[答案]　(1)见解析图　(2)增大　增大　(3)0.39　1.17

2．某同学利用如图甲所示电路测量电容器充电时两极板间的电压随时间的变化。实验中使用的器材为：电池E(内阻很小)、开关S1和S2、电容器C(约100 μF)、电阻R1(约200 kΩ)、电阻R2(1 kΩ)、电压表V(量程6 V)、秒表、导线若干。

甲　　　　　　乙　　　　　　　　丙

(1)按图甲所示的电路原理图将图乙中实物图连线。

(2)先闭合开关S2，再断开开关S2，闭合开关S1，同时按下秒表开始计时。若某时刻电压表的示数如图丙所示，电压表的读数为________V(保留两位小数)。

(3)该同学每隔10 s记录一次电压表的读数U，记录的数据如表所示。在给出的坐标纸上绘出U­t图线，已知只有一个数据点误差较大，该数据点对应的表中的时间是________s。

(4)电路中C、R2和S2构成的回路的作用是_________。

[解析]　(1)根据电路原理图，实物图连线如图(a)所示。

　　    图(a)　　　　　　　　　　　　图(b)

(2)电压表的量程为6 V，分度值为0.1 V，所以读数为3.60 V。

(3)先描点，然后用平滑的曲线将所描的点连接起来，如图(b)所示。由图可以看出t＝40 s对应的点误差较大。

(4)电路中C、R2和S2构成的回路，先闭合开关S2，再断开开关S2，使电容器上所带电荷量释放干净，不影响实验。

[答案]　(1)见解析图(a)　(2)3.60　(3)图象见解析图(b)　40　(4)使每次实验前电容器两极板上的电荷相中和

3．太阳能电池板在有光照时，可以将光能转化为电能，在没有光照时，可以视为一个电学器件。某实验小组根据测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电池板在没有光照时(没有储存电能)的I­U特性。所用的器材包括：太阳能电池板，电源E，电流表A，电压表V，滑动变阻器R，开关S及导线若干。

甲　　　　   　　　乙　　　　  　　　　丙

(1)为了达到上述目的，实验电路应选用图甲中的________(选填“a”或“b”)。

(2)该实验小组根据实验得到的数据，描点绘出了如图乙所示的I­U图象。由图可知，当电压小于2.00 V时，太阳能电池板的电阻________(选填“很大”或“很小”)；当电压为2.80 V时，太阳能电池板的电阻为________Ω。

(3)当有光照射时，太阳能电池板作为电源，其路端电压与总电流的关系如图丙所示，分析该曲线可知，该电池板作为电源时的电动势为________V。若把它与阻值为1 kΩ的电阻连接构成一个闭合电路，在有光照射情况下，该电池板的效率是________%。(结果保留三位有效数字)

[解析]　(1)用题图a可以在电池板上得到从零开始的电压，故应选a图；

(2)由题图可知，当电压小于2.00 V时，通过太阳能电池板的电流几乎为零，故太阳能电池板的电阻很大；当电压为2.80 V时，电流为2.8 mA，则可知太阳能电池板的电阻为R＝＝＝1 000 Ω；

(3)由U­I图线可知，电池板作为电源时的电动势为2.80 V；若把它与阻值为1 kΩ的电阻连接构成一个闭合电路，则画出此电阻的U­I图线，与电池板的U­I图线交于一点，读出U＝1.80 V，I＝1.80 mA，该电池板的效率是η＝×100%＝×100%≈64.3%。

[答案]　(1)a　(2)很大　1 000　(3)2.80　64.3(64.1～64.5均对)