电学实验重点难点易错点高频必刷高分考点经典题——描绘小灯泡的伏安特性曲线

描绘小灯泡的伏安特性曲线

基础

实验原理

1．用________测出流过小灯泡的电流，用________测出小灯泡两端的电压，测出多组(U，I)值，在U－I坐标系中描出各对应点，用________的曲线将这些点连接起来．

2．电路的选择：本实验用伏安法测量在不同电压下灯丝的电流和电压，描绘出伏安特性曲线．由于使用的小灯泡是“3.8 V，0.3 A”的，正常发光时灯丝电阻约为13 Ω，阻值较小，因此应该用电流表________电路；由于要测小灯泡在不同电压下的电流、电压，电压取值范围要尽量大，因此滑动变阻器应该用________接法电路．电路图如图1所示．

实验器材

学生电源(4～6 V直流)、小灯泡“4 V，0.7 A”或“3.8 V，0.3 A”、电流表(内阻较小)、电压表(内阻很大)、开关和导线、____________、坐标纸、铅笔．

实验步骤

1．确定电流表、电压表的量程，照图1连好电路．(注意开关应__________，滑动变阻器与灯泡并联部分电阻为_________)

2．闭合开关S，调节滑动变阻器，使电流表、电压表有较小的明显示数，记录一组电压U和电流I的值．

3．用同样的方法测量并记录约12组U值和I值．

4．断开开关S，整理好器材．

5．在坐标纸上，以U为横坐标、I为纵坐标建立直角坐标系，并根据表中数据描点，连接各点得到I－U图线．(注意：连接各点时，不要出现折线)

数据处理

根据测量的数据把电压表和电流表的各组数据填入下表中，然后作出I－U图线.

实验结论

描绘出的图线是一条______________．它的斜率随电压的增大而______________，这表明小灯泡的电阻随电压(温度)升高而______________．灯丝的电阻率随温度的升高而增大．灯丝不发光时温度是室温，正常发光时温度很高，其电阻率的变化是很显著的，所以灯丝的阻值随小灯泡两端电压的升高而明显增大，其I－U图线不再是过原点的直线．

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．滑动变阻器应采用分压式接法：目的是为了使小灯泡两端的电压能从0开始连续变化．

3．I－U图线在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，以防出现较大误差．

4．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．

误差分析

1．测量电路存在系统误差，未考虑电压表的分流，造成测得的I值比真实值大．

2．描绘I－U图线时作图不准确造成的偶然误差．

3．测量时读数不准确和在坐标纸上描点不准确引起的误差．

题型

题型一　实验仪器及电路的选择

【例1】在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的实验仪器如下：

 (1)在上述器材中，滑动变阻器应选____________，电流表应选____________．

(2)在图2中用笔画线代替导线，把实验仪器连接成完整的实验电路．

(3)利用实验中得到的实验数据在I－U坐标系中，描绘出了如图3所示的小灯泡的伏安特性曲线．根据此图给出的信息，可以判断出下图中正确的是(图中P为小灯泡功率)(　　)

题型二　伏安特性曲线的描绘及实验结果的应用

【例2】 影响物质材料电阻率的因素很多，一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大，而半导体材料的电阻率则与之相反，随温度的升高而减小．某课题研究组需要研究某种导电材料的导电规律，他们用该种导电材料制作成电阻较小的元件Z做实验，测量元件Z中的电流随两端电压从零逐渐增大过程中的变化规律．

(1)他们应选用下图中所示的哪个电路进行实验．(　　)

(2)①由(1)实验测得元件Z的电压与电流的关系如下表所示．根据表中数据请在图4中作出元件Z的I－U图线.

②根据Z的I－U图线可判断元件Z是金属材料

还是半导体材料？

③把元件Z和电阻R接入如图5所示的电路中，由实验测得电阻R的I－U图线如图4所示．已知电源的电动势E＝1.5 V，内阻不计．闭合电键S，电路稳定时，元件Z消耗的电功率为________W.

[针对训练]在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，所用器材有：小电珠(2.5 V，0.6 W)，滑动变阻器，多用电表，电流表，学生电源，开关，导线若干．

①粗测小电珠的电阻，应选择多用电表________倍率的电阻挡(请填写“×1”、“×10”或“×100”)；调零后，将表笔分别与小电珠的两极连接，示数如图6，结果为________Ω.

②实验中使用多用电表测量电压，请根据实验原理图7完成实物图8中的连线．

③开关闭合前，应将滑动变阻器的滑片P置于________端，为使小电珠亮度增加，P应由中点向______________端滑动．

④下表为电压等间隔变化测得的数据，为了获得更准确的实验图象，必须在相邻数据点________间多测几组数据(请填写“ab”、“bc”、“cd”、“de”或“ef”).

检测

1．为探究小灯泡L的伏安特性，连好如图9所示的电路后闭合开关，通过移动变阻器的滑片，使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大，直到小灯泡正常发光，由电流表和电压表得到的多组读数描绘出的U－I图象应是(　　)

2．如图10所示，在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，同组同学已经完成部分导线的连接，请你在实物接线图中完成余下导线的连接．

3．表格中所列数据是测量小灯泡U－I关系的实验数据：

 (1)分析表格内实验数据可知，应选用的实验电路图是图11中的___________(选填“甲”或“乙”)；

(2)在如图12所示的方格纸内画出小灯泡的U－I曲线．分析曲线可知小灯泡的电阻值随I变大而___________(选填“变大”、“变小”或“不变”)；

 (3)如图13所示，用一个定值电阻R和两个上述小灯泡组成串并联电路，连接到内阻不计、电动势为3 V的电源上．已知流过电阻R的电流是流过灯泡L2电流的两倍，则流过灯泡L1的电流约为________A.

4．某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件．图14为该电器元件的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，现需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：

 (1)为提高实验结果的准确程度，电流表应选用______；电压表应选用________；滑动变阻器应选用__________．(以上均填器材代号)

(2)为达到上述目的，请在虚线框图15中画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号．

 (3)若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点？

相同点：_____________________________________________________________.

不同点：_____________________________________________________________.

5．小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大．某同学为研究这一现象，用实验描绘小灯泡的伏安特性曲线．实验可供选择的器材有：

A．小灯泡(规格为“2.5 V，1.2 W”)

B．电流表A(量程为0～0.6 A，内阻为1 Ω)

C．电压表V(量程为0～3 V，内阻未知)

D．滑动变阻器(0～10 Ω，额定电流为1 A)

E．滑动变阻器(0～5 Ω，额定电流为0.5 A)

F．电源(E＝3 V，内阻不计)

G．定值电阻R0(阻值R0＝6 Ω)

H．开关一个和导线若干

(1)要求小灯泡两端的电压从零开始变化，且能尽量消除系统误差，在方框内画出实验电路图．

(2)实验中，应该选用的滑动变阻器是_________(填写器材前字母代号)．

(3)按照正确的电路图，该同学测得实验数据如下：(I是电流表A的示数，U是电压表V的示数，U灯是小灯泡两端的实际电压)．请通过计算补全表格中的空格，然后在图16中画出小灯泡的伏安特性曲线．

(4)该同学将与本实验中一样的两个小灯泡以及给定的定值电阻R0三者一起串联接在本实验中提供的电源两端，则每个灯泡的实际功率是________W.

6．某学习小组通过实验来研究电器元件Z的伏安特性曲线．他们在实验中测得电器元件Z两端的电压与通过它的电流的数据如下表：

现备有下列器材：

A．低压直流电源：电压6 V，内阻不计

B．电流表：量程为0～0.6 A～3 A，0.6 A内阻约为10 Ω，3 A内阻约为2 Ω

C．电压表：量程为0～3 V～15 V，3 V内阻约为7.2 kΩ，15 V内阻约为36 kΩ

D．滑动变阻器：阻值为0～10 Ω，额定电流为3 A

E．电键K，导线若干

(1)按提供的器材，在实物图17(a)上连接正确的实验电路，要求测量误差尽可能小．

 (2)利用这些数据绘出的电器元件Z的伏安特性曲线如图17(b)所示，分析曲线说明通过电器元件Z的电流随电压变化的特点．

(3)若把电器元件Z接入如图17(c)所示的电路中时，通过Z的电流为0.10 A，已知A、B两端电压恒为1.5 V，则此时灯泡L的功率为________W.

  实验 描绘小灯泡的伏安特性曲线

【基础】

实验原理1．电流表　电压表　一条平滑  2．外接法　分压式

实验器材:滑动变阻器  实验步骤:1．断开　零  实验结论:曲线　减小　增大

【题型】例1 (1)R1　A2　(2)见解析图　(3)BD

解析　(1)为方便电路调节，滑动变阻器应选择R1；小灯泡正常工作时I额＝0.3 A＝300 mA>100 mA，故电流表应选A2.

(2)因为要求小灯泡上的电压从0开始增大，滑动变阻器应选用分压式接法；而小灯泡正常工作时R灯＝＝ Ω≈13 ΩRV＝5 kΩ，故电流表应选择外接法，其实验电路如图所示．

(3)在I－U图象中，图线斜率逐渐减小，小灯泡的R逐渐增大；由P＝知在P－U2图象中，图线的斜率应逐渐减小，故B正确；由P＝I2R在P－I2图象中图线的斜率R应逐渐增大，故D正确．[规范思维]　(1)电路选择要根据具体的情况来进行确定．(2)实验原理是确定电路的首要条件．(3)各个用电器的作用要明确，选择电路要根据需要来进行选择．

例2 (1)A　(2)①见解析图　②半导体材料 ③0.64(0.60～0.68)[来源解析:(1)由测量的数据及题目要求可知，滑动变阻器应采取分压式接法．因为元件Z的电阻较小，所以电流表应外接，因此实验电路应选A图．(2)①描点画出元件Z的I－U图线如下图曲线所示．②由I－U图线可知，Z是半导体材料．③当电流强度为0.80 A时，元件Z两端的电压为0.80 V，定值电阻R上的电压为0.70 V，此时元件Z上消耗的电功率为0.64 W.

[规范思维]　(1)在描绘伏安特性曲线时应连成平滑的曲线，而不能是折线．如果这些点大致在一条直线上，则应描成一条直线，让不在直线上的点均匀分布在直线两侧．(2)从I－U图线判断元件的电阻变化，进而判断材料性质．

[针对训练]①×1　7.5　②如解析图所示  ③a　b　④ab

解析:①小电珠(2.5 V，0.6 W)对应电阻为R＝ Ω＝10.4 Ω，所以选“×1”挡．②电流表的电阻也就几欧，与电压表几千欧相比，小电珠的电阻算小电阻，所以电流表必须外接，伏安特性曲线要求电压从0开始逐渐变大，所以滑动变阻器必须采用分压接法．③从a端开始，电压为零，向b端移动，对小电珠所加电压逐渐变大．④ab之间电流增加了0.122 A，其他各段电流增加了0.03 A左右．所以需要在ab之间将电流分为0.030 A、0.060 A、0.090 A，分别测出相应的电压值．

【检测】1．C　[小灯泡中的电流逐渐增大时灯丝的温度升高，其电阻率增大，导致电阻R增大．只有C选项对．]

2．滑动变阻器应采用分压式接法，如图所示

3．(1)甲　(2)U－I曲线见解析　变大　(3)0.21

解析:(1)从表中数据可看出，小灯泡两端电压可以从零开始调节，这说明滑动变阻器应选用分压式接法，故应选用甲图．(2)在方格纸上根据U－I数据描点、连线，其U－I图象如下图所示．随U和I的增大，图线上各点与坐标原点连线的斜率越来越大，故其电阻变大．(3)因流过电阻R的电流是流过灯泡L2电流的两倍，则流过灯泡L1的电流是流过灯泡L2电流的3倍，而灯泡L1、L2两端的电压之和为3 V，在(2)描出的U－I图象中，找出一个电流I对应的电压U1，再找出3I对应的电压U2，直到U1＋U2＝3 V为止．最后得出结果，流过灯泡L1的电流约为0.21 A.

4．(1)A2　V1　R1　(2)电路图如图所示(3)伏安特性曲线都是非线性的．小电珠的伏安特性曲线表明随电流和电压的增大电阻值增大，而该元件的伏安特性曲线表明随电流和电压的增大电阻值减小 解析:(1)从图中所给的伏安特性曲线看出，最大电流不超过0.14 A，大于电流表A1的量程，小于电流表A2的量程，所以电流表选择A2.图中的最大电压不超过V1的量程，且V1的测量更精确，R1的最大阻值与所给的伏安特性曲线反映的元件的电阻值相当，且I1＝＝ A＝0.4 A<1 A，而R2的阻值太大，所以选择R1.(2)待测元件的电阻满足RA<RxRV，所以选择电流表外接法，伏安特性曲线中要求电压从零开始变化，所以选择滑动变阻器分压式接法．(3)伏安特性曲线的斜率表示电阻的倒数，所测出的伏安特性曲线是斜率逐渐增大的曲线，表明电阻是随电压和电流的增大而减小的，所以是非线性的．而小电珠是金属，其伏安特性曲线也是非线性的，这是两者的相同点，但小电珠的电阻是随电压和电流的增大而增大的，这是两者的不同点．

5．(1)见解析　(2)D　(3)见解析图　(4)0.18

解析　(1)要使小灯泡两端电压从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法，为测量更准确，应采用电流表内接法，实验电路图如下图所示．(2)由于采用分压式接法，若选E，则滑动变阻器的电流I＝＝ A＝0.6 A>0.5 A，故滑动变阻器应选用D.(3)由第(1)问中所画电路图分析可得：U灯＝U－IRA，则可根据表中数据求出U灯，并画出U灯－I图线如下图所示.

(4)在同一坐标系中作出2U灯＋IR0＝E的图线，根据此图线与灯泡的U灯－I图线的交点可得此时灯泡的电压U灯＝0.6 V，电流I＝0.3 A．所以，灯泡的实际功率为P＝U灯I＝0.6 V×0.3 A＝0.18 W.

6．(1)如下图所示　(2)电流随电压的增大非线性增大　(3)0.13