2019届高考物理一轮复习讲义：第8章 恒定电流实验九　描绘小灯泡的伏安特性曲线(含答案)

实验九　描绘小灯泡的伏安特性曲线

板块一　主干梳理·夯实基础

　实验原理与操作

◆　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。

◆　实验原理

1.用电流表测出流过小灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多组(U，I)值，在U­I坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连起来。

2.电流表外接：因为小灯泡的电阻很小，如果电流表内接，误差明显较大；滑动变阻器采用分压式，使电压能从零开始连续变化。

◆　实验器材

小灯泡(3.8 V,0.3 A)或(2.5 V,0.6 A)一个、电压表(0～3 V～15 V)与电流表(0～0.6 A～3 A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20 Ω)一个、学生低压直流电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔。

◆　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式接法，按如图所示的原理图连接好实验电路。

2.把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S。

3.移动滑动变阻器滑片位置，测出多组不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S。

4.拆除电路，整理仪器。

　数据处理与分析

◆　数据处理(画出伏安特性曲线)

1.在坐标纸上以U为横轴，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结起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线。

◆　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)该用电器的实际最大电流不能大于用电器的额定电流。

(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。

◆　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。

◆　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U­I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.I­U图象在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，以防出现较大误差。

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。(1)若使用“3.8 V　0.3 A”的小灯泡，选用电压表的15 V量程。(2)若使用“2.5 V　0.6 A”的小灯泡，则选用电压表的3 V量程。

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，I­U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。

板块二　考点细研·悟法培优

考点1  实验原理与器材的选取

例1　要测绘一个标有“3 V　0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线，灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3 V，并便于操作。已选用的器材有：

电池组(电动势为4.5 V，内阻约1 Ω)；

电流表(量程为0～250 mA，内阻约5 Ω)；

电压表(量程为0～3 V，内阻约3 kΩ)；

电键一个、导线若干。

(1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的________(填字母代号)。

A．滑动变阻器(最大阻值20 Ω，额定电流1 A)

B．滑动变阻器(最大阻值1750 Ω，额定电流0.3 A)

(2)请将设计的实验电路图画入下面的方框中。

(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图所示。现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，由此得到小灯泡消耗的功率是 ________ W。

尝试解答　(1)A__(2)如图所示__(3)0.1。

(1)要测灯泡的伏安特性曲线，要求灯泡两端的电压需要由零开始，必须用滑动变阻器的分压式接法，而分压式接法，要求滑动变阻器的阻值较小，所以应选A。

(2)由于灯泡的阻值约R灯＝＝15 Ω，属于小电阻，要用电流表的外接，因此要用分压、外接。

(3)将灯泡接到电源上时，作出电源的I­U图象如图所示，读得两图线的交点坐标U＝1.0 V、I＝0.1 A，即为此时灯泡两端的电压及通过灯泡的电流，则小灯泡消耗的功率P＝UI＝1.0 V×0.1 A＝0.1 W。

　[2017·茂名一模]现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V,0.6 W”小灯泡的I­U图线，有下列器材供选用：

A.电压表(0～3 V，内阻3 kΩ；0～15 V，内阻10 kΩ)

B.电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω；0～3 A，内阻0.1 Ω)

C.滑动变阻器(10 Ω，2 A)

D.滑动变阻器(100 Ω，1.0 A)

E.蓄电池(电动势6 V，内阻不计)

(1)为了减小测量误差，图甲中的S1应接________(填“M”或“N”)，滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)。

(2)根据你选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需电路图。

答案　(1)M　C　(2)图见解析

解析　(1)由电路图可知，电路采用了滑动变阻器分压接法；因灯泡内阻较小，故电流表采用外接法；故S1应接在M点；因采用分压接法，故滑动变阻器采用小电阻，应选用C。

(2)根据实验原理图画出实物图如图所示。

考点2  数据处理与注意事项

例2　[2013·福建高考]硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件。某实验小组设计如图甲电路，给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点，正极接低电势点)，探究其在无光照时的反向伏安特性。图中电压表V1量程选用3 V，内阻为6.0 kΩ；电压表V2量程选用15 V，内阻约为30 kΩ；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12 V，内阻不计。

(1)根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙连接成完整电路。

(2)用遮光罩罩住硅光电池，闭合开关S，调节变阻器R，读出电压表V1、V2的示数U1、U2。

①某次测量时，电压表V1示数如图丙，则U1＝________V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为________mA。(结果保留两位小数)

②该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9组U1、U2数据，算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“－”表示反向)，并在坐标纸上建立Ix­Ux坐标系，标出了与表中前5组Ux、Ix数据对应的5个坐标点。请你标出余下的4个坐标点，并绘出Ix­Ux图线。

③由Ix­Ux图线可知，硅光电池无光照下加反向电压时，Ix与Ux成________(填“线性”或“非线性”)关系。

尝试解答　(1)见下图__(2)①1.40__0.23__②见下图__③非线性。

(1)题

(2)题

(1)实物图见尝试解答。

(2)①由题图知，电压表读数为1.40 V，通过硅光电池的反向电流也等于通过电压表V1的电流，故I＝＝ A≈0.23 mA；

②先在坐标纸上描点，然后用平滑的曲线将其连接起来，图见尝试解答；

③因图线为曲线，故Ix与Ux成非线性关系。

　[2017·河南郑州二模]在探究小灯泡的伏安特性曲线时，所用小灯泡上标有“2.5 V,0.6 W”字样，实验室提供的器材有：

A.电流表A1(内阻约为5 Ω、量程为0～25 mA)

B.电流表A2(内阻约为1 Ω，量程为0～300 mA)

C.电压表V1(内阻约为5 kΩ、量程为0～3 V)

D.电压表V2(内阻约为15 kΩ、量程为0～15 V)

E.滑动变阻器R1(最大阻值为10  Ω、额定电流为0.6 A)

F.滑动变阻器R2(最大阻值为1000 Ω、额定电流为0.2 A)

G.稳压电源E(电动势为9.0 V、内阻可忽略)

H.开关一个、定值电阻若干、导线若干

由以上信息回答下列问题：

(1)实验前设计的电路图如图甲所示。为了减小实验误差，该实验所用的电流表、电压表、滑动变阻器应分别为________(选填器材前的字母)。为保护滑动变阻器和灯泡，应在电路中串联的定值电阻R0合适的电阻值应为________(选填“1 Ω”“10 Ω”“30 Ω”或“100 Ω”)。

(2)请确定测量电路中电压表右侧导线的正确位置后，在图乙中用笔画线代替导线，将实物完整连接起来。

(3)连接好电路后，通过改变滑动变阻器的滑片位置，并通过计算机描绘了该小灯泡的伏安特性曲线如图丙所示。若将两个这样的小灯泡并联后直接接在电动势E＝3 V、内电阻r＝5 Ω的电源上，每个小灯泡所消耗的实际功率为________W。(结果保留两位有效数字)

答案　(1)B、C、E　10 Ω　(2)如图所示

(3)0.22(0.21～0.23)

解析　(1)小灯泡的额定电压为2.5 V，电压表选C；小灯泡的额定电流I＝＝0.24 A＝240 mA，电流表选B；滑动变阻器采用分压式，选最大阻值较小的E。为保护滑动变阻器和灯泡，又方便调节小灯泡两端电压在0～2.5 V，保护电阻选阻值为10 Ω的定值电阻。

(2)由题意可知小灯泡的阻值R≈10.4 Ω，有R<，电流表采用外接法，实物连接图见答案图。

(3)两灯泡并联在电源两端，设路端电压为U，通过每个灯泡的电流为I，则由闭合电路欧姆定律得U＝E－2Ir，在灯泡伏安特性曲线中作出U＝E－2Ir对应的U­I图线，如图所示，则由图可知，此时灯泡两端电压约为1.2 V，电流约为0.18 A，则功率为P＝UI≈1.2×0.18 W≈0.22 W。

考点3  实验创新与改进

例3　发光二极管(LED)是一种节能、环保的元器件，被广泛应用到显示器、照明等各领域。某兴趣小组为探究工作电压是“1.4～4 V”、正向直流电流是“5～20 mA”的LED管的I­U曲线，设计了如图1所示的实验电路。实验室备有以下器材：

电流表A1：量程0～50 mA，内阻约为50 Ω

电流表A2：量程0～200 mA，内阻约为10 Ω

电压表V：量程0～5 V，内阻约为10 kΩ

滑动变阻器R1：阻值范围0～15 Ω，允许最大电流1 A

滑动变阻器R2：阻值范围0～1 kΩ，允许最大电流100 mA

直流电源E：输出电压6 V，内阻不计

开关(S)、导线若干

(1)为了提高实验结果的准确性，电流表应选择______；滑动变阻器应选用________。(以上填器材代号)

(2)实验小组根据实验得到的数据描点绘出了如图2所示的I­U图象，而发光二极管(LED)的效率η与通过二极管的电流I的关系曲线如图3所示。其中发光二极管的效率η是指辐射的全部光功率Φ与供给发光二极管的电功率比值。则发光二极管效率达最大时其电阻RL＝________Ω，辐射的光功率Φ＝________W。

尝试解答　(1)A1__R1__(2)106.7__0.00576。

(1)因LED正向直流电流是5～20 mA，所以电流表应选择A1，由题图1可知供电电路采用分压式接法，所以选择的滑动变阻器应是阻值较小的R1。

(2)由题图3可知发光二极管效率达到最大时电流为6 mA，由题图2可知其对应的电压为1.6 V，故此时其电功率为UI，热功率为I2RL，又有I2RL＝(1－η)UI，得出RL＝(1－η)＝106.7 Ω；根据题意可知60%＝×100%，则辐射的光功率Φ＝0.00576 W。

　太阳能是一种清洁、“绿色”能源。在我国上海举办的2010年世博会上，大量利用了太阳能电池。太阳能电池在有光照时，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，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，请将图甲连成一个完整的实验电路图。

(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，太阳能电池的电阻________(填“很大”或“很小”)；当电压为2.80 V时，太阳能电池的电阻约为________Ω。

答案　(1)图见解析　(2)很大　1.0×103(965～1040)

解析　(1)实验电路如图所示。由乙图可知，电压、电流都从零开始变化，因此用分压式接法。

(2)太阳能电池的电阻：R＝＝ Ω＝1.0×103 Ω(965～1040 Ω均正确)。