2021届高考物理通用一轮练习：考点27　实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线

  www.ks5u.com考点27　实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线

题组一　基础与经典题

1．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，要测量一个标有“3 V　1.5 W”的小灯泡两端的电压和通过它的电流，现有如下器材：

A．直流电源3 V(内阻可不计)

B．直流电流表0～600 mA(内阻约为0.5 Ω)

C．直流电压表0～3 V(内阻约3 kΩ)

D．滑动变阻器(10 Ω，1 A)

E．滑动变阻器(1 kΩ，300 mA)

F．开关、导线若干

(1)本实验中滑动变阻器应选用________(选填“D”或“E”)。

(2)下表中的各组数据是该同学在实验中测得的，根据表格中的数据在如图甲所示的坐标纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线。

(3)如图乙所示，将两个这样的小灯泡并联后再与阻值为5 Ω的定值电阻R0串联，接在电压恒定为4 V的电路中，每个小灯泡的实际功率为________ W。

答案　(1)D　(2)图见解析　(3)0.3

解析　(1)实验中需测量多组数据，滑动变阻器用分压式接法，为了调节方便，滑动变阻器用阻值较小的，故选D。

(2)描点画线，可得该小灯泡的伏安特性曲线如图所示。

(3)设小灯泡两端的电压为U，电流为I，根据U0＝U＋2IR0，可得I＝，代入数据得I＝－，在小灯泡的伏安特性曲线的同一坐标系上画出该直线，其交点(1.0,0.3)即为小灯泡的实际电压、电流值，可得小灯泡消耗的实际功率P＝UI＝0.3 W。

2．某学习小组拟研究一个标有“3.6 V　1.8 W”的小电珠的伏安特性曲线，可供选用的器材如下：

①电流表A，量程0～0.6 A，内阻约为0.2 Ω；

②电压表V，量程0～15 V，内阻约为15 kΩ；

③滑动变阻器R，阻值范围0～10 Ω；

④学生电源E，电动势为4 V，内阻不计；

⑤开关S及导线若干。

(1)该学习小组中的甲同学设计了如图甲所示的电路进行测量，请按照图甲所示的电路图帮甲同学将图乙中的实物图连接起来。

(2)甲同学在实验中发现，由于电压表的量程较大而造成读数误差很大，因而影响了测量结果。于是又从实验室找来一量程为Ig＝100 μA、内阻Rg＝1000 Ω的灵敏电流计，想把该灵敏电流计改装成量程为5 V的电压表，则需串联一个阻值为________ Ω的电阻。

(3)甲同学用改装后的电压表进行实验，得到电流表读数I1和灵敏电流计读数I2如下表所示：

请在图丙中的坐标纸上画出I1­I2图线。

(4)若将该小电珠接在如图丁所示的电路中，则该小电珠消耗的电功率约为________ W。已知电源的电动势为E＝3.0 V，内阻r＝1.5 Ω，定值电阻R0＝4.5 Ω。(结果保留两位有效数字)

答案　(1)图见解析图1　(2)49000　(3)图见解析图2

(4)0.35

解析　(1)如图1所示。

(2)设需要串联的电阻的阻值为Rx，则有Ig(Rg＋Rx)＝5 V，代入数据可得Rx＝49000 Ω。

(3)如图2所示。

(4)将定值电阻R0看做该电源的电阻，则内阻r′＝6 Ω，由此可得路端电压U＝E－Ir′，即I2(Rg＋Rx)＝E－I1r′，在I1­I2图线所在坐标纸上作出其图象如图3所示，可知其交点坐标表示的电流I1约为0.32 A，I2约为22 μA，所以该小电珠消耗的功率约为P＝0.32×22×10－6×(1000＋49000) W≈0.35 W。

3．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，现除了有一个标有“5 V　2.5 W”的小灯泡、导线和开关外，还有：

A．直流电源(电动势约为5 V，内阻可不计)

B．直流电流表(量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω)

C．直流电流表(量程0～600 mA，内阻约为5 Ω)

D．直流电压表(量程0～15 V，内阻约为15 kΩ)

E．直流电压表(量程0～5 V，内阻约为10 kΩ)

F．滑动变阻器(最大阻值10 Ω，允许通过的最大电流为2 A)

G．滑动变阻器(最大阻值1 kΩ，允许通过的最大电流为0.5 A)

实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能测多组数据。

(1)实验中电流表应选用________，电压表应选用________，滑动变阻器应选用________。(均用序号字母表示)

(2)请按要求将图甲中所示的器材连成实验电路。

(3)某同学通过实验正确作出的小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示。现把实验中使用的小灯泡接到如图丙所示的电路中，其中电源电动势E＝6 V，内阻r＝1 Ω，定值电阻R＝9 Ω，此时灯泡的实际功率为________ W。(结果保留两位有效数字)

答案　(1)C　E　F　(2)图见解析　(3)0.84(0.81～0.87皆可)

解析　(1)由灯泡的标识“5 V　2.5 W”知，小灯泡的额定电流I＝＝0.5 A，因此电流表选C，电压表选E；实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能测多组数据，滑动变阻器应采用分压式接法，滑动变阻器选F。

(2)如图所示。

(3)把定值电阻作为电源的内阻，则该电源短路时的电流为Imax＝＝0.6 A，在题图乙中的U­I图中，作出此电源的U­I图线如图中虚线所示。

两图线交点的纵、横坐标即表示该灯泡实际工作的电压和电流。由图知U＝2.2 V，I＝0.38 A，所以P＝UI＝2.2×0.38 W≈0.84 W。

4．在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中，小电珠标有“3.6 V　1.8 W”字样，可供选用的器材如下：

①电流表A，量程0～0.6 A，内阻约为0.2 Ω

②灵敏电流计G，量程0～100 μA，内阻为1000 Ω

③电阻箱R0，阻值范围0～99990 Ω

④滑动变阻器R1，阻值范围0～10 Ω

⑤学生电源E，电动势为4 V，内阻不计

⑥开关S及导线若干

(1)若把灵敏电流计G改装成量程为5 V的电压表V，则串联的电阻箱R0的阻值应调整为________ Ω。

(2)使用改装后的电压表V，采用如图甲所示的电路进行测量，图乙是实物电路，请你用笔画线代替导线，把电路连接完整。

(3)用改装后的电压表进行实验，得到电流表读数I1和灵敏电流计读数I2如下表所示：

请你根据表中数据，在图丙给出的坐标纸上作出I1­I2图线，由图线可知，随着I1的增大，小电珠的电阻________(填“变大”“变小”或者“不变”)。

(4)根据作出的I1­I2图线，当灵敏电流计读数I2为34 μA时，小电珠两端的电压为________ V，此时小电珠的电阻为________ Ω，功率为________W。(结果均保留两位有效数字)

答案　(1)49000　(2)如图1所示　(3)如图2所示　变大

(4)1.7　4.3　0.68

解析　(1)电流表改装成电压表需要串联一个大电阻，根据串联电路规律可以知道：R0＝－Rg＝ Ω－1000 Ω＝49000 Ω。

(2)根据原理图可得出对应的实物图如答案图1所示。

(3)根据表中数据利用描点法可得出对应的图象如答案图2所示，由RL＝得＝(R0＋Rg)，可知图象上的点与原点连线的斜率与小电珠电阻的倒数成正比，则可知随着电流I1的增大，小电珠电阻变大。

(4)当灵敏电流计读数I2为34 μA时，小电珠两端的电压为：U1＝I2(R0＋Rg)＝34×10－6×50000 V＝1.7 V。由图可以知道，此时小电珠电流I1＝0.40 A，则其电阻为：RL＝＝ Ω≈4.3 Ω，功率为：P＝U1I1＝1.7×0.4 W＝0.68 W。

5．在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中，用导线a、b、c、d、e、f、g和h按图甲所示方式连接好电路，电路中所有元器件都完好，且电压表和电流表已调零。闭合开关后：

(1)若不管怎样调节滑动变阻器，小电珠亮度能发生变化，但电压表、电流表的示数总不能为零，则可能是________导线断路。

(2)某同学排除故障后测绘出电源和小电珠的U­I特性图线如图乙所示。电源的电动势E＝________V；小电珠的电阻随温度的上升而________。

(3)将与上面相同的两个小电珠并联后接到上面电源上，每一只小电珠的实际电功率是________W。(保留两位小数)

答案　(1)g　(2)3.0　增大　(3)0.99(在0.95～1.05之间均可)

解析　(1)若不管怎样调节滑动变阻器，小电珠亮度能发生变化，但电压表、电流表的示数总不能为零，说明滑动变阻器不起分压作用，连成了限流接法，故g导线断路。

(2)电源的U­I图线纵轴截距等于电源的电动势，则由图乙知，电源的电动势E＝3.0 V。根据欧姆定律R＝可得小电珠的电阻，由数学知识分析可知，R等于小电珠的U­I特性图线上的点与原点连线的斜率，则小电珠的电阻随温度的上升而增大。

(3)电源的内阻等于电源的U­I图线的斜率的绝对值，则内阻r＝＝ Ω＝1 Ω，当两个小电珠并联后，接到电源上，设每个小电珠的电压、电流为U、I，由闭合电路欧姆定律得：E＝U＋2Ir，即U＝E－2rI＝3－2I，作出图象如图所示，可得它与小电珠U­I图线的交点坐标U0＝1.1 V，I0＝0.9 A，则每一个小电珠的实际电功率为P＝U0I0＝0.99 W。

题组二　高考真题

6．(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2位小数)

答案　(1)实验电路原理如图所示。

(2)增大　增大　(3)0.39　1.17

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，小灯泡的额定电压超出电压表的量程，需与R0串联后接入电路。电路图如答案图所示。

(2)I­U图象中随着电流的增大，图线的斜率变小，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看作电源内阻，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。

7．(2016·天津高考)某同学想要描绘标有“3.8 V,0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。可供该同学选用的器材除开关、导线外，还有：

电压表V1(量程0～3 V，内阻等于3 kΩ)

电压表V2(量程0～15 V，内阻等于15 kΩ)

电流表A1(量程0～200 mA，内阻等于10 Ω)

电流表A2(量程0～3 A，内阻等于0.1 Ω)

滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流2 A)

滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流0.5 A)

定值电阻R3(阻值等于1 Ω)

定值电阻R4(阻值等于10 Ω)

定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)

电源E(E＝6 V，内阻不计)

(1)请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。

(2)该同学描绘出的I­U图象应是下图中的________。

答案　(1)如图所示　(2)B

解析　(1)首先考虑测量电路：由于小灯泡的规格为“3.8 V，0.3 A”，可知电表V2、A2量程太大而不能选用；电表V1、A1则需要改装才能获得小灯泡完整的伏安特性曲线。A1与R4并联可得量程为0～0.4 A的电流表，V1与R5串联可得量程为0～4 V的电压表，因小灯泡电阻值较小，测量电路应采用电流表外接的方式。再考虑控制电路：首先由调节的方便性可知滑动变阻器应选用R1，再由“绘制曲线完整”可知测量电压与电流应从零开始变化，故连接方法应选用分压式接法。

(2)在I­U图象中，图线上某点与原点连线的斜率表示该状态下电阻的倒数。由于小灯泡灯丝的阻值是随温度升高而增大的，故只有B正确。

8．(2019·浙江高考)小明想测额定电压为2.5 V的小灯泡在不同电压下的电功率，设计了如图1所示的电路。

(1)在实验过程中，调节滑片P，电压表和电流表均有示数但总是调不到零，其原因是________的导线没有连接好(图中用数字标记的小圆点表示接线点，空格中请填写图中的数字，如“7点至8点”)。

(2)正确连好电路，闭合开关，调节滑片P，当电压表的示数达到额定电压时，电流表的指针如图2所示，则电流为________ A，此时小灯泡的功率为________ W。

(3)做完实验后，小明发现在实验报告上漏写了电压为1.00 V时通过小灯泡的电流，但在草稿纸上记录了下列数据，你认为最有可能的是________。

A．0.08 A  B．0.12 A

C．0.20 A

答案　(1)1点至4点　(2)0.30　0.75　(3)C

解析　(1)在实验过程中，调节滑片P，电压表和电流表均有示数但总是调不到零，其原因是1点至4点的导线没有连接好，滑动变阻器相当于接成了限流电路。

(2)由表盘刻度可知，电流表读数为0.30 A；则灯泡的额定功率：P＝IU＝0.30×2.5 W＝0.75 W。

(3)若灯泡电阻不变，则由R＝＝＝，解得I1＝0.12 A，考虑到灯泡电阻温度越低时阻值越小，则通过灯泡的电流要大于0.12 A，则C正确；故选C。

题组三　模拟题

9．(2019·广西柳州高级中学模拟)在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中，已知待测小灯泡的额定电压为6 V，额定功率约为3 W，提供的器材有：

电流表A：量程为0.6 A，内阻约为0.5 Ω；

电压表V：量程为3 V，内阻为3 kΩ；

滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)；

滑动变阻器R2(0～500 Ω，1 A)；

定值电阻R3＝1 kΩ；

定值电阻R4＝3 kΩ；

电源：电动势为9 V，内阻约为0.1 Ω；

开关一个，导线若干。

(1)实验中，应该选用的滑动变阻器是________，定值电阻是________。(填仪器的字母代号)

(2)根据所给的器材，在虚线框中画出实验电路图。

答案　(1)R1　R4　(2)图见解析

解析　(1)小灯泡的额定电压为6 V，电压表量程为3 V，需要把电压表与定值电阻R4串联组成新的电压表，使电压表量程扩大至6 V；电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法，滑动变阻器应选择阻值较小的R1，小灯泡正常发光时电阻约为R＝＝ Ω＝12 Ω，电流表内阻约为0.5 Ω，电压表内阻为6 kΩ，电压表内阻远大于小灯泡电阻，电流表应采用外接法。

(2)实验电路图如图所示。

10.(2019·福建福州期末质检)某实验小组用如图甲所示实验电路研究电源的路端电压和小灯泡的电压随电流的变化规律。

(1)实验操作步骤：

①按实验电路连接好实验器材；

②把滑动变阻器的滑片P移到滑动变阻器的________(填“最右端”或“最左端”)；

③闭合开关S，调节滑片P到适当位置，读出电流表A、电压表V1和电压表V2的示数，并记录数据，断开开关S；

④调整滑片P到不同位置，多次重复步骤③。某次测量时三个电表指针位置如图乙所示，电流表的读数为________ A，电压表V1的读数为________ V，电压表V2的读数为________ V；

⑤整理好实验器材。

(2)实验小组把测量数据画在U­I坐标中，描绘出两条图线A、B(图丙)。

①从图中可以算出电源的电动势E＝________ V，内阻r＝________ Ω(计算结果保留两位有效数字)。

②滑动变阻器的滑片P移到滑动变阻器的最右端时，小灯泡的实际功率为________ W(计算结果保留两位有效数字)。

③请在图丙中用描点法画出滑动变阻器两端的电压随电流表的电流变化的图线。

答案　(1)②最左端　④1.50　2.9　1.30

(2)①4.5　1.0　②5.0　③图见解析

解析　(1)②由于滑动变阻器为限流式接法，所以在开关S闭合前，应把滑动变阻器的滑片P移到滑动变阻器的最左端，用来保护电路。④电流表选择0～3 A的量程，每一大格表示1.0 A，每一大格有10个小格，则每个小格表示0.1 A，则指针所指的示数为1.50 A；电压表V1选择0～6 V的量程，刻度盘中有三个大格，则每一大格表示2 V，每一大格又分为10小格，则每一小格表示0.2 V，故指针所指的示数为2.9 V；电压表V2选择0～3 V的量程，刻度盘中有三个大格，则每一大格表示1 V，每一大格又分为10小格，则每一小格表示0.1 V，故指针所指的示数为1.30 V。

(2)①从图线A中可以得出电源的电动势E＝4.5 V，内阻r＝||＝ Ω＝1.0 Ω。②滑动变阻器的滑片P移到滑动变阻器的最右端时，滑动变阻器接入电路的阻值为零，两电压表示数相等，由图示图象可知，此时小灯泡的电流最大为I＝2.0 A，电压为U＝2.5 V，实际功率为P＝UI＝5.0 W。③由串联电路的电压规律得UP＝U1－U2，故滑动变阻器两端的电压UP随电流表的电流I的变化图线如图。