2021高三物理人教版一轮学案：第八章实验十　描绘小电珠的伏安特性曲线

实验十　描绘小电珠的伏安特性曲线

ZHI SHI SHU LI ZI CE GONG GU　,知识梳理·自测巩固

一、实验目的

1．掌握滑动变阻器的使用方法及连接方法。

2．掌握伏安特性曲线的描绘方法。

3．理解小电珠的伏安特性曲线为什么不是一条直线。

二、实验原理

根据

欧姆定律，在纯电阻电路中，当电阻的阻值恒定时，电阻两端的电压和通过电阻的电流成线性关系，U－I图象是一条直线；如果电阻的阻值是变化的，U－I图象不再是一条直线。本实验用伏安法测出小灯泡两端电压及电流，描绘出小灯泡的U－I图象。实验电路如图所示。对一只灯泡来说，不正常发光和正常发光时灯丝的电阻值可以相差几倍到几十倍，所以，它的伏安特性曲线是一条曲线。

三、实验步骤

1．按如图所示的电路原理图连接电路，在闭合开关前变阻器的滑片靠近图中所示的A端。

2．闭合开关，移动滑片P，读出十几组U、I值，并记录在表格中。

3．建立U－I坐标系，将所得几组U、I值在坐标上描出所对应的点。

4．用平滑的曲线将各点连接起来，即为U－I图象。

四、数据处理

实验中，在调节滑动变阻器的滑片位置改变灯泡两端电压时，尽量使灯泡的电压变换有规律，再对应地读电流值，然后再根据所取的电压、电流的最大值，选取适当的横、纵坐标分度，描点画图，这样可以使所取的点在坐标平面内分布的尽量大而且分布疏密程度均匀一些。

五、实验器材选取

1．原则：①安全；②精确；③操作方便。

2．具体要求

(1)电源允许的最大电流不小于电路中的实际最大电流。干电池中电流一般不允许超过0.6 A。

(2)用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流。

(3)电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值。

(4)滑动变阻器，分压式接法要选用小阻值滑动变阻器。

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带来误差。

2．电流表、电压表的读数带来误差。

3．在坐标纸上描点、作图带来操作误差。

七、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U－I图线，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．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．I－U图象在U0＝1.0 V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0V左右绘点要密，以防出现很大误差。

5．电流表选择0.6 A量程，电压表量程选择视小灯泡的额定电压而定。

6．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。

7．误差较大的点要舍去，I－U图象应是平滑曲线而非折线。

8．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。

HE XIN KAO DIAN ZHONG DIAN TU PO　,核心考点·重点突破

　　　　考点一 教材原型实验

例1 (2019·福建龙岩期末)为了描绘一个“12 V　6 W”的小灯泡的伏安特性曲线，现提供以下器材进行实验。

直流电源E：电动势15 V，内阻不计；

电流表A：量程分别为0～0.6 A和0～3 A，内阻分别约为0.50 Ω和0.1 Ω；

电压表V：量程0～3 V，内阻为3 kΩ；

定值电阻R0：阻值为12 kΩ；

滑动变阻器R：最大阻值20 Ω，允许通过的最大电流1 A；

开关一个；导线若干。

(1)由于电压表的量程偏小，要用所给电压表V和定值电阻R0改装成一个较大量程的电压表V′，改装后的电压表量程为 0～15_V；

(2)在方框里画出符合本实验要求的电路图；

[答案]　

(3)根据测得的电压表V的示数和电流表A的示数，描出I－U曲线如图甲所示。某次测量时，电流表指针位置如图乙所示，则电流表读数为 0.40 A，此时小灯泡的电阻为 18.75  Ω。

[解析]　本题考查描绘小灯泡伏安特性曲线的电路图画法、小灯泡电阻的计算。

(1)电压表内阻为3 kΩ，定值电阻阻值为12 kΩ，可知改装后电压表最大测量值为U＝(RV＋R0)＝15 V，即改装后的电压表量程为0～15 V。

(2)描绘小灯泡的伏安特性曲线，需要电压从零开始测量，滑动变阻器应采用分压式接法；由于小灯泡的电阻与电流表内阻相差较小，电流表采用外接法，如图所示。

(3)小灯泡的额定电流I＝，故电流表选用0～0.6 A量程，由题图乙知，电流表的示数为0.40 A；由题图甲知，当电流I＝0.40 A时，电压表的示数为UV＝1.50 V，由串联电路电压与电阻成正比知，灯泡两端的电压U＝UV＝7.50 V，由欧姆定律得，R＝＝ Ω＝18.75 Ω。

〔类题演练1〕

　(2019·江苏苏北三市期末)某同学用图甲所示电路来测绘小灯泡的伏安特性曲线，器材如下：

A．小灯泡(额定电压2.5 V，额定电流0.25 A)

B．电流表(0～0.6 A)

C．电压表(0～3 V)

D．滑动变阻器R1(0～10 Ω)

E．滑动变阻器R2(0～1 000 Ω)

F．干电池(电动势为1.5 V)两节

G．开关，导线若干

(1)滑动变阻器应选D(填器材前的字母代号)。

(2)实验中得到的数据如下表所示，根据表中数据在图乙中作出小灯泡的U－I图象，由图象可知小灯泡的电阻随温度的升高而增大(填“增大”“减小”或“不变”)。

[答案]　

(3)某同学用一节干电池与阻值为5 Ω的电阻R、小灯泡及电压表连接成图丙所示电路，测得电压表读数为0.8 V，结合乙图中图象求得小灯泡实际消耗的功率为 0.10 W，干电池内阻为 0.38 Ω。(结果均保留两位有效数字)

[解析]　本题考查测绘小灯泡伏安特性曲线实验的仪器选择、实验结论和小灯泡实际消耗的电功率。

(1)滑动变阻器采用分压式接法，为方便调节，应选最大阻值较小的，故选D。

(2)根据表格中的数据，在图乙中描点连线，用平滑的曲线将各点连接起来，如图所示，由图知，小灯泡的电阻随温度的升高而增大。

(3)由(2)问知，小灯泡两端电压为0.8 V时，通过小灯泡的电流为0.13 A，小灯泡实际消耗的功率P＝UI＝0.8×0.13 W≈0.10 W；由闭合电路欧姆定律得，干电池的内阻r＝－R＝－5 Ω≈0.38 Ω。

　　　　考点二 实验拓展创新

在本实验电路的基础上，进行改进与拓展，常见的命题角度有：

(1)改变实验电路：如在电表内阻已知的情况下，利用定值电阻改装电表量程。

(2)改变实验目的：如可以研究电阻的电功率。

(3)改变被测元件：可以探究其他元件的伏安特性。

例2 (2019·山东潍坊期末)一探究小组要描绘一个标有“5 V　2.5 W”小马达(电动机，线圈电阻恒定)的伏安特性曲线，马达两端的电压需要从零逐渐增加到5 V。现有下列器材：

A．电源(电动势6 V)

B．电压表(量程0～6 V)

C．电流表A1(量程0～3 A)

D．电流表A2(量程0～0.6 A)

E．滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω)

F．滑动变阻器R2(最大阻值200 Ω)

G．开关和导线若干

(1)实验中电流表应选D(填“C”或“D”)，滑动变阻器应选E(填“E”或“F”)。

(2)请在图甲方框中画出完整的实验电路图。

[答案]　

(3)闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，当电压表示数大于0.5 V时马达才开始转动，该小组用所测数据描绘的伏安特性曲线如图乙所示，由图象可得马达线圈的电阻为 1.25 Ω，马达正常工作时的机械功率为 2.19 W。(结果保留三位有效数字)

[解析]　本题考查探究小马达的伏安特性曲线。

(1)小马达的额定电流I＝＝A＝0.5 A，故电流表应选用D；实验要求小马达的电压从零逐渐增大到5 V，故滑动变阻器应采用分压式接法，为方便调节，滑动变阻器应选最大阻值小的，故选E。

(2)由图乙知，小马达的电阻R＝ Ω＝1.25 Ω，由分析知小马达的电阻与电流表的内阻相差较小，电流表采用外接法，电路图如图所示。

(3)马达正常工作时的电流I＝＝＝0.5 A，则机械功率P机＝P－I2R＝2.5－0.52×1.25 W≈2.19 W。

〔类题演练2〕

　(2019·山东济南期末)图甲为某磁敏电阻在室温下的电阻—磁感应强度特性曲线，其中RB表示有磁场时磁敏电阻的阻值，R0表示无磁场时磁敏电阻的阻值。为测量某磁场的磁感应强度B，需先测量磁敏电阻处于磁场中的电阻值。

(1)某同学首先测量待测磁场中磁敏电阻的阻值，利用下面提供的器材，请将图乙中的导线补充完整。

提供的器材如下：

A．磁敏电阻，无磁场时阻值R0＝140 Ω

B．滑动变阻器R，最大电阻值约20 Ω

C．电流表A，量程0～2.5 mA，内阻RA＝100 Ω

D．电压表V，量程0～3 V，内阻约3 kΩ

E．直流电源E，电动势3 V，内阻不计

F．开关S，导线若干

[答案]　

(2)正确接线后。测量数据如下表，请利用表格数据在图丙中描点作图。

[答案]　

(3)根据U－I图象尽可能准确地求出磁敏电阻的阻值RB＝1.5×103 Ω， 结合图甲可知待测磁场的磁感应强度B＝1.2 T。(结果均保留两位有效数字)

[解析]　本题考查探究磁敏电阻在室温下的电阻—磁感应强度特性曲线。

(1)采用伏安法测量电阻，由于待测电阻较大，且电流表内阻已知，则可知采用电流表内接法，滑动变阻器采用分压式接法，连接实物图如图甲所示：

甲

(2)根据数据作出的U－I图象如图乙所示。

乙

(3)由U－I图象可知，磁敏电阻的阻值RB＝－RA＝－100 Ω＝1.4×103 Ω；＝＝10，由题图甲可知待测磁场的磁感应强度B为1.2 T。

2 NIAN GAO KAO MO NI XUN LIAN　,2年高考·模拟训练

1．(2019·全国卷Ⅱ，23)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：

图(a)

图(b)

(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＝5.00 mV；根据图(b)可知，当控温炉内的温度t升高时，硅二极管正向电阻变小(填“变大”或“变小”)，电压表示数增大(填“增大”或“减小”)，此时应将R的滑片向B(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＝2.8×10－3 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U­t图象知：控温炉内温度升高，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U­t图象的斜率可知：＝ V/℃＝2.8×10－3 V/℃。

2．(2020·辽宁沈阳郊联体模拟)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)的伏安特性。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。

(1)为了达到上述目的，实验电路应选用图甲中的图a(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I－U图象。由图可知，当电压小于2.00 V时，太阳能电池板的电阻很大(填“很大”或“很小”)；当电压为2.80 V时，太阳能电池板的电阻为1.00 kΩ。

(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，在有光照射情况下，该电池板的效率是 64.3(±0.2)%。(结果保留三位有效数字)

[解析]　本题考查太阳能电池板的伏安特性曲线。

(1)测绘伏安特性曲线，电压和电流需从零开始测起，滑动变阻器采用分压式接法，应选题图甲中的a所示实验电路。

(2)由I＝，得电阻阻值R＝，由题图乙所示图象可知，在电压小于2.00 V时，电流I很小，所以太阳能电池板的电阻很大，由图乙所示图象可知，当电压为2.80 V时，电流I＝2.80×10－3 A，电阻R＝＝ Ω＝1.0×103 Ω＝1.00 kΩ。

(3)由题图丙可知，图线与纵坐标的交点为电源的电动势，故电动势为2.80 V；若与1 kΩ的电阻连接构成一个闭合电路，在U－I图象中作出对应的电阻的伏安特性曲线，如图所示：

两图线的交点为电源的工作点，则由图可知电源的工作电压为1.8 V，则电源的效率η＝×100%≈64.3%。