2021届高考物理粤教版一轮学案：第八章实验九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

一、基本原理与操作

二、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。

(3)将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小电珠的伏安特性曲线。

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

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位于图中的a端。加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压。

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。

　教材原型实验

命题角度　仪器选择及电路设计

【例1】 有一个小灯泡上标有“4 V　2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个小灯泡的I－U图线。有下列器材供选用：

A.电压表(0～5 V，内阻约10 kΩ)

B.电压表(0～10 V，内阻约20 kΩ)

C.电流表(0～3 A，内阻约1 Ω)

D.电流表(0～0.6 A，内阻约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________。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)。

(2)请在方框内画出满足实验要求的电路图，并把图1中所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图。

　　　　　　　　　　　　　　图1

解析　(1)因小灯泡的额定电压为4 V，所以电压表应选用A，小灯泡的额定电流I＝＝0.5 A，所以电流表应选用D；小灯泡正常工作时的电阻为R＝＝8 Ω，

因为＞Rx，Rx为小电阻，电流表应采用外接法，要求电压从零开始变化，故滑动变阻器采用分压接法，为便于调节，滑动变阻器应选用E。

(2)电路图和实物图如图所示。

答案　(1)A　D　E　(2)见解析

拓展训练1 (2019·凉山市一诊)某同学在实验室把滑动变阻器与一只“3 V　0.9 W”的小灯泡L及开关S按图2接在电动势为3 V的电源上。

图2

(1)当S闭合时，灯泡发光。若将滑片P向右滑动，灯泡将________。

A.变暗   B.变亮

C.亮度不变   D.可能烧坏

(2)继续探究该小灯泡在不同电压下的电阻值及功率变化，有下列器材供选用：

电流表G：满偏电流10 mA，内阻r1＝30 Ω；

电压表V：量程3 V，内阻约2 kΩ；

标准电阻R1：阻值4 Ω；

标准电阻R2：阻值1 Ω；

滑动变阻器R3：阻值范围为0～10 Ω；

学生电源：电动势4 V；

开关S及导线若干。

为了准确地测出小灯泡从0开始在不同电压下的阻值，标准电阻应选________(填器材符号)。

(3)在图中虚线框中画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号。

解析　(1)当S闭合时，灯泡发光。若将滑片P向右滑动，阻值变小，故灯变亮，选项B正确。

(2)小灯泡参数，“3 V　0.9 W” 可知其电阻约为10 Ω，额定电流约为0.3 A。电流表G的满偏电流10 mA，量程太小，故把电流表G，改装为大量程电流表。选标准电阻R2时，量程为10 mA＋ mA＝310 mA＝0.31 A。改装后的量程扩大了31倍，较为合适，故选择标准电阻R2。

(3) 继续探究该小灯泡在不同电压下的电阻值及功率变化，要求电压、电流从0开始调节，故滑动变阻器采用分压式。由于改装后的电流表内阻已知，故用内接法。电路如图所示。

答案　(1)B　(2)R2　(3)见解析

命题角度　数据处理及实验结果的应用

【例2】 (2017·全国Ⅰ卷，23)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3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4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)

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，故滑动变阻器用分压式接法，小灯泡正常工作的电阻RL＝＝ Ω＝11.875 Ω，所以＜，故电流表用外接法，如图所示。

(2)由I－U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E＝U＋I(R＋r)得I＝－U＋，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E＝U＋I(R＋r)得，I＝－U＋，即I＝－U＋4，作出图线②如图所示。由交点坐标可得，U2＝3.68 V，I2＝0.318 A，最大的功率为P2＝U2I2＝1.17 W。

答案　(1)见解析　(2)增大　增大　(3)0.39　1.17

拓展训练2 如图5是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图。

图5

图6

(1)根据图5在虚线框内画出实验电路图；

(2)改变滑动变阻器的阻值得到了两组电流表与电压表的示数如图6中的①、②、③、④所示，电流表量程为0.6 A，电压表量程为3 V。所示读数为：①________、②________、③________、④________。两组数据得到的电阻分别为________和________。

解析　(1)由实物连接图可知电路图如图所示。

(2)电流表量程为0.6 A时，最小刻度为0.02 A，读到小数点后两位，所以①表示数为0.10 A，②表示数为0.24 A；电压表量程为3 V，最小刻度为0.1 V，应估读到0.01 V，所以③表示数为2.00 V，④表示数为0.27 V，根据欧姆定律R1＝＝＝8.3 Ω，R2＝＝ Ω＝2.7 Ω。

答案　(1)见解析图　(2)①0.10 A　②0.24 A　③2.00 V

④0.27 V(0.27±0.01均可)；8.3 Ω(8.3±0.1均可)  2.7 Ω(2.7±0.1均可)

　实验拓展创新

命题角度　测小灯泡的额定功率

【例3】 (2019·4月浙江选考，18)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7甲所示的电路。

图7

(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，电流表的指针如图乙所示，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

解析　(1)根据题意可知，1点至4点的导线没有连接好，使得滑动变阻器的分压接法变为限流接法。

(2)根据读数规则，电流表的读数为0.30 A，此时小灯泡的功率P＝UI＝0.75 W。

(3)电压较小时，灯丝温度不高，故阻值比电压较大时的阻值要小，根据I＝可知，C可能正确。

答案　(1)1点至4点　(2)0.30　0.75　(3)C

命题角度　描绘其他物理量变化的曲线

【例4】 (2019·全国Ⅱ卷，23)某小组利用图8(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U－t关系曲线。回答下列问题：

图8

(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2位有效数字)。

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U－t图象知：控温炉内温度升高，硅二极管两端电压U2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，即滑片向B端移动。

(2)由U－t图象的斜率可知

＝ V/℃＝2.8×10－3 V/℃。

答案　(1)5.00　变小　增大　B　(2)2.8

拓展训练3 (2018·全国Ⅰ卷，23)某实验小组利用如图9(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R2－t数据见下表。

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，并做出R2－t曲线；

图9

(3)由图(b)可得到RT在25 ℃～80 ℃范围内的温度特性曲线。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)题图(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阻值最大，使电路中电流最小，即题图(a)中R1的滑片应移到b端。

(2)将t＝60 ℃和t＝70 ℃对应的两组数据画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出R2－t曲线。

(3)根据题述实验过程可知，测量的R2的数据等于对应的热敏电阻RT的阻值。由画出的R2－t曲线可知，当t＝44.0 ℃ 时，对应的RT＝450 Ω。

(4)由图(b)知R2＝620.0 Ω，由画出的R2－t曲线可知，当R2＝620.0 Ω时，手心温度t＝33.0 ℃。

答案　(1)b　(2)如图　(3)450　(4)620.0　33.0

拓展训练4 (2019·嘉兴期末)小洪同学要探究一废旧日光灯灯丝(如图10所示)的伏安特性曲线。

图10

(1)小洪同学要完成该实验，为了得到较大范围的数据，滑动变阻器的接法应选择图11中的________(选填“甲”或“乙”)。

图11

经过正确操作并描点作图，最终得到灯丝的伏安特性曲线如图12所示。

图12

(2)如图13所示，把灯丝与电流表(量程为0.6 A)串联在合适的电源上，此时电流表读数为________A。

(3)若在图13操作过程中用打火机(图中未画出)的火焰煅烧灯丝，则可结合图12判断电流表指针所处位置可能是图14中的________(选填“甲”或“乙”)。

解析　(1)为了得到较大范围的数据，滑动变阻器应采用分压式接法，即应选择甲图。

(2)电流表量程为0.6 A，则读数为0.24 A。

(3)若在操作过程中用打火机的火焰煅烧灯丝，则灯丝温度升高，电阻变大，电流减小，故电流表指针所处位置可能是乙图。

答案　(1)甲　(2)0.24　(3)乙