2020高考物理新创新大一轮复习新课改省份专用讲义：第九章第54课时　描绘小灯泡的伏安特性曲线（实验增分课）

第54课时　描绘小灯泡的伏安特性曲线(实验增分课)一、实验目的1．描绘小灯泡的伏安特性曲线。2．分析伏安特性曲线的变化规律。二、实验原理1．电路原理如图甲所示，测多组小灯泡的U、I的值，并绘出其伏安特性曲线(图乙)。2．由图线的斜率反映电流与电压的关系，以及温度的影响。三、实验器材学生电源(4～6 V直流)或电池组、小灯泡(3.8 V,0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐标纸、导线若干。谨记部分器材用途滑动变阻器改变小灯泡电流、电压，测出多组数据坐标纸在坐标纸上建立坐标系、描点并画图像四、实验步骤1．确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分压接法，按电路原理图连接好实验电路。2．把滑动变阻器的滑片调节到电路原理图中最左端，电路连接经检查无误后，闭合开关S。3．移动滑动变阻器滑片位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S。U(V)00.20.40.60.81.01.2I(A)       U(V)1.41.82.22.63.03.43.8I(A)       4.拆除电路，整理仪器。五、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。六、误差分析1．由于电压表、电流表不是理想电表，电表内阻对电路的影响会造成系统误差。2．电流表、电压表的读数造成偶然误差。3．在坐标纸上描点、作图造成偶然误差。七、注意事项1．电路的连接方式(1)电流表应采用外接法：小灯泡(3.8 V,0.3 A)的电阻很小，与0～0.6 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接法：目的是使小灯泡两端的电压从零开始连续变化。2．闭合开关前，滑动变阻器的滑片应移到使小灯泡分得电压为零的一端，使开关闭合时小灯泡两端的电压从零开始变化，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．小灯泡的伏安特性曲线在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，防止出现较大误差。4．当小灯泡的电压接近额定值时要缓慢增加，达到额定值记录I后马上断开开关。5．误差较大的点舍去，小灯泡的伏安特性曲线应是平滑曲线而非折线。考法一　实验原理和操作1．某同学做三种导电元件的导电性实验，他根据所测量数据分别绘制了三种元件的IU图像，如图所示，则下列判断正确的是(　　)A．图乙表示的电阻遵从欧姆定律B．图甲、丙的曲线一定是偶然误差太大C．图甲表示的电阻阻值随电压升高而增大D．图丙表示的电阻能作为标准电阻使用解析：选A　由题图知，图乙是线性元件的IU图像，遵从欧姆定律，故A正确；图甲、丙是不同的非线性元件的IU图像，不是偶然误差大，故B错误；IU图像上某点与坐标原点的连线的斜率表示电阻的倒数，根据图甲可知，随电压升高电阻阻值减小，故C错误；图丙表示的电阻随电压的变化而变化，不能作为标准电阻使用，故D错误。2．如图所示为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为2.5 V。完成下列实验步骤：(1)闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，_____________________________________________________。(2)闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，____________________________________________________________________________________________________________。(3)断开开关。根据实验数据在方格纸上作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。解析：(1)使滑动变阻器的滑片滑至最左端。(2)增加小灯泡两端的电压，记录电压表和电流表的多组读数，直至电压表示数达到小灯泡的额定电压。答案：见解析考法二　数据处理和误差分析3．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)(1)实验电路应选用________(填字母代号)。(2)以电压表的读数U为横轴，以电流表的读数I为纵轴，根据实验得出的多组数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线，如图所示。由图可知：随着电压的增大，小灯泡的电阻________(选填“增大”或“减小”)，其发生变化的原因______________________________________________________________________________________________________________。(3)如果将这个小灯泡接到电动势为1.5 V，内阻为5 Ω的电源两端，电路接通后小灯泡两端的电压是________V。解析：(1)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)IU图像中任一点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，由题图线可知，随着电压的增大，小灯泡的电阻增大，原因是灯丝电阻随温度的升高而增大。(3)作出电源的伏安特性曲线，如图所示，由图可知，小灯泡两端的电压约为0.7 V。答案：(1)B　(2)增大　灯丝的电阻随温度升高而增大　(3)0.74．(2019·商河高三调研)某学习小组欲描绘小灯泡(“3 V，1.5 W”)的UI图线，可选用的实验器材如下：A．电池组：电动势约为4.5 V，内阻可不计；B．双量程的电压表：V1：量程3 V，内阻约为3 kΩ；V2：量程15 V，内阻约为15 kΩ；C．双量程的电流表：A1：量程0.6 A，内阻约为1 Ω； A2：量程3 A，内阻约为0.1 Ω；D．滑动变阻器R：阻值范围0～10 Ω，允许通过的最大电流为2 A；E．开关S，导线若干。在尽量提高测量精度的情况下，请回答下列问题：(1)根据以上器材，用笔画线代替导线将实物图1连接成完整电路。(2)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应移到________(选填“A”或“B”)端。(3)调节滑动变阻器得到电压、电流数据如表所示，请在图2所示的坐标纸上画出小灯泡的UI图线。组数1234567U/V00.280.580.921.502.003.00I/A00.100.200.300.400.450.49(4)根据UI图线可得小灯泡在常温下的电阻约为________Ω(结果保留两位有效数字)。解析：(1)本实验应采用滑动变阻器分压接法以获得多组数据，同时由于小灯泡内阻较小，应采用电流表外接法以减小误差；故连线如图甲所示。(2)由图甲可知测量电路与滑动变阻器的左侧并联，为了让小灯泡两端的电压值从零开始调节，开始时滑片应移到A端。(3)根据描点法可得出对应的U­I图线如图乙所示。　(4)在图乙中作出UI图线过原点的切线，如图丙所示；小灯泡在常温下的电阻即UI图线过原点的切线的斜率；故R＝ Ω≈2.3 Ω。答案：(1)见解析图甲　(2)A　(3)见解析图乙　(4)2.3(2.2～2.4均可)[深化拓展]要充分发掘图像的“潜能”进行数据处理，如在同一个U­I 或I­U坐标系内画小灯泡和电源的图线，交点即表示把小灯泡直接连在电源两端的工作状态，从而得到小灯泡的电压、电流、功率，以及电流的内部功率等。[例1]　(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1 000 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/℃25.030.040.050.060.070.080.0R2/Ω900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0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________℃。[三步化“新”为“熟”]1．本题实验目的是探究热敏电阻的温度特性，和探究小灯泡的伏安特性有很多相似之处。2．实验中使用了替代法，能准确地确定热敏电阻在不同温度下的阻值。3．本实验用R2t图像表达热敏电阻的温度特点，采用描点法画出图像，并应用图像分析有关问题。[解析]　(1)闭合开关S1前，应让滑片移动到b端，使滑动变阻器连入电路的阻值最大。(2)把t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据在坐标纸上画点，然后用平滑的曲线画出R2­t曲线，使尽可能多的点位于曲线上，如图所示。(3)由图像可知t＝44.0 ℃时，电阻的阻值约为450 Ω。(4)由题图(c)可得电阻箱阻值为620.0 Ω，由图像可得温度约为33.0 ℃。[答案]　(1)b　(2)见解析图　(3)450　(4)620.0　33.0[例2]　某实验小组要探究一小灯泡的电压与电流的关系，并研究小灯泡在不同电压下的实际功率，实验电路如图甲所示。(1)闭合开关前，滑动变阻器的滑片P应在________(选填“a”或“b”)端。(2)闭合开关，把滑片P向一端移动过程中，发现电流表与电压表均有明显读数且读数几乎不变，则电路中出现故障的元件可能是________(选填“A”或“B”)。A．小灯泡　　 B．滑动变阻器(3)该小组根据实验数据描绘出小灯泡的UI图线如图乙所示，可判定在图丙中小灯泡的功率P与加在小灯泡两端电压的平方U2的图线正确的是________(选填“1”“2”或“3”)。(4)某同学将两个完全相同的这种小灯泡并联接在电源两端，已知电源的电动势E＝3 V、内阻r＝2 Ω，则此时每个小灯泡的实际功率为________W(结果保留两位有效数字)。[三步化“新”为“熟”]1．本题实验目的是研究小灯泡的UI图线及实际功率，和探究小灯泡的伏安特性曲线的实验基本相同。2．根据P＝，由于小灯泡电阻随温度的升高而增大，PU2 图线的斜率应逐渐变小。3．根据电源的UI图线和小灯泡UI图线的交点坐标，可确定小灯泡接在电源上的实际功率。[解析]　(1)闭合开关前，滑片P应置于a端，使测量电路电流、电压均为零。(2)电流表与电压表均有明显读数且读数几乎不变，说明测量电路导通，控制电路中的滑动变阻器没有起作用，故电路中出现故障的元件可能是滑动变阻器。(3)由题图乙可得，随着小灯泡两端电压的增大，小灯泡的电阻增大，由P＝得＝，则P随U2的变化变缓，题图丙中正确的图线为3。(4)设小灯泡两端的电压为U，流过每个小灯泡的电流为I，则E＝U＋2Ir，得U＝3－4I，在题图乙中画出电源的UI图线如图所示，交点坐标U＝2.20 V，I＝0.200 A，所以每个小灯泡消耗的电功率为P＝UI＝0.44 W。[答案]　(1)a　(2)B　(3)3　(4)0.44(0.43～0.45均可)[创新角度归纳]实验情境的创新除研究小灯泡伏安特性曲线，还可研究日常生活中的材料或元件的伏安特性曲线器材的改进或替换在没有合适的电压表、电流表的情况下可以先改装，再使用，如：(1)扩大电压表量程：(2)扩大电流表量程：实验原理的创新根据画出的图像，不仅可以分析元件的伏安特性，还可分析电阻、电阻率的变化、计算小灯泡实际功率等