江苏高三物理总复习教案实验六描绘小灯泡的伏安特性曲线.docx
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江苏高三物理总复习教案实验六描绘小灯泡的伏安特性曲线
实验六 描绘小灯泡的伏安特性曲线
考纲解读
1.掌握滑动变阻器的使用方法及连接方式.2.掌握伏安特性曲线的描绘方法.3.理解小灯泡的伏安特性曲线为什么不是一条直线．
基本实验要求
规律方法总结
1．实验原理
（1）测多组小灯泡的U、I，并绘出I－U图象；
（2）由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系．
2．实验器材
小灯泡“3.8V,0.3A”、电压表“0～3V～15V”、电流表“0～0.6A～3A”、滑动变阻器、学生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔．
3．实验步骤
（1）画出电路图（如实验原理图甲）．
（2）将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如实验原理图乙所示的电路．
（3）测量与记录
移动滑动变阻器触头位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入自己设计的表格中．
（4）数据处理
①在坐标纸上以U为横轴，I为纵轴，建立直角坐标系．
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，就得到小灯泡的伏安特性曲线．
4．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0.6A.
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电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的
以上．
⑤从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器．
1．滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比较
两种接法的电路图
负载R上电压的调节范围
≤U≤E
0≤U≤E
负载R上电流的调节范围
≤I≤
0≤I≤
2.两种接法的适用条件
（1）限流式接法适合测量阻值较小的电阻（跟滑动变阻器的最大电阻相比相差不多或比滑动变阻器的最大电阻还小）．
（2）分压式接法适合测量阻值较大的电阻（一般比滑动变阻器的最大电阻要大）．
3．注意事项
（1）电路的连接方式：
①电流表应采用外接法：
因为小灯泡（3.8V,0.3A）的电阻很小，与0～0.6A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式接法：
目的是使小灯泡两端的电压能从零开始连续变化．
（2）闭合开关S前，滑动变阻器的触头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的电压能从零开始变化，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）I－U图线在U0＝1.0V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0V左右绘点要密，以防出现较大误差．
4．误差分析
（1）由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，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.
考点一 对实验原理和电路设计的考查
例1
（2013·天津理综·9（3））要测绘一个标有“3V 0.6W”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3V，并便于操作．已选用的器材有：
电池组（电动势为4.5V，内阻约1Ω）；
电流表（量程为0～250mA，内阻约5Ω）；
电压表（量程为0～3V，内阻约3kΩ）；
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20Ω，额定电流1A）
B．滑动变阻器（最大阻值1750Ω，额定电流0.3A）
②实验的电路图应选用下列的图________（填字母代号）．
③实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图1所示．如果将这个小灯泡接到电动势为1.5V、内阻为5Ω的电源两端，小灯泡消耗的功率是________W.
图1
解析 ①测绘小灯泡的伏安特性曲线，要求能较大范围地测量数据，所以控制电路部分应用分压式接法，滑动变阻器应用最大阻值小额定电流大的A.
②因为小灯泡两端的电压由零逐渐增加到3V，故滑动变阻器应采用分压接法．灯泡的电阻R＝
＝15Ω，额定电流I＝
＝0.2A，由R＝15Ω＜
＝
Ω，依据公式法“大内小外”的原则，可知电流表应采用外接法，故选B.
③在灯泡的I－U图上作出电源的I－U图线，交点坐标即为这个电源给这个灯泡供电时的电压和电流，此时P灯＝IU＝0.1×1W＝0.1W.
答案 ①A ②B ③0.1
考点二 对实验数据处理与分析的考查
例2
物理兴趣小组的同学们从实验室中找到一只小灯泡，其标称功率值为0.75W，额定电压值已模糊不清．他们想测定其额定电压值，于是先用欧姆表直接测出该灯泡的电阻约为2Ω，然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U＝
＝
V＝1.22V．他们怀疑所得电压值不准确，于是，再利用下面可供选择的实验器材设计一个电路，测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘制灯泡的U－I图线，进而分析灯泡的额定电压．
A．电压表V（量程3V，内阻约3kΩ）
B．电流表A1（量程150mA，内阻约2Ω）
C．电流表A2（量程500mA，内阻约0.6Ω）
D．滑动变阻器R1（0～20Ω）
E．滑动变阻器R2（0～100Ω）
F．电源E（电动势4.0V，内阻不计）
G．开关S和导线若干
H．待测灯泡L（额定功率0.75W，额定电压未知）
（1）在下面所给的虚线框中画出他们进行实验的电路原理图，指出上述器材中，电流表选择________（填“A1”或“A2”）；滑动变阻器选择________（填“R1”或“R2”）．
（2）在实验过程中，该同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加，当电压达到1.23V时，发现灯泡亮度很暗，当达到2.70V时，发现灯泡已过亮，便立即断开开关，并将所测数据记录在下边表格中.
次数
1
2
3
4
5
6
7
U/V
0.20
0.60
1.00
1.40
1.80
2.20
2.70
I/mA
80
155
195
227
255
279
310
请你根据表中实验数据在图2中作出灯泡的U－I图线．
图2
（3）由图象得出该灯泡的额定电压应为________V；这一结果大于1.23V，其原因是________________________________________________________________________．
解析
（1）根据P＝I2R，估算出灯泡的电流大约是600mA，因此电流表应选A2；本实验要描绘出灯泡的U－I图线，需要测量多组数据，因此滑动变阻器应接成分压式，所以应选阻值较小的R1；小灯泡电阻较小，电流表应外接；
（2）如图所示
（3）由P＝UI＝0.75W，再结合图象可知U额＝2.5V；大于1.23V的原因是灯泡的冷态电阻小于正常工作时的电阻．
答案
（1）电路原理图如图所示 A2 R1
（2）见解析图
（3）2.5（2.4～2.6均可） 灯泡的冷态电阻小于正常工作时的电阻（或灯泡电阻随温度升高而变大）
创新实验设计
描绘小电珠伏安特性曲线实验原理的迁移应用
例3
二极管是一种半导体元件，电路符号为
，其特点是具有单向导电性．某实验小组要对一只二极管正向接入电路时的伏安特性曲线进行测绘探究．据了解，该二极管允许通过的最大电流为50mA.
（1）该二极管外壳的标识模糊了，同学们首先用多用电表的电阻挡来判断它的正负极：
当将红表笔接触二极管的左端、黑表笔接触二极管的右端时，发现指针的偏角比较小，当交换表笔再次测量时，发现指针有很大偏转，由此可判断____（填“左”或“右”）端为二极管的正极．
（2）实验探究中他们可选器材如下：
A．直流电源（电动势3V，内阻不计）
B．滑动变阻器（0～20Ω）
C．电压表（量程15V、内阻约80kΩ）
D．电压表（量程3V、内阻约30kΩ）
E．电流表（量程0.6A、内阻约1Ω）
F．电流表（量程50mA、内阻约50Ω）
G．待测二极管
H．导线、开关
为了提高测量精度，电压表应选用________，电流表应选用________．（填序号字母）
（3）实验中测得的数据如下表，请在图3坐标纸上画出该二极管的伏安特性曲线.
电流
I/mA
0
0
0.2
1.8
3.9
8.6
14.0
21.8
33.5
50.0
电压
U/V
0
0.50
0.75
1.00
1.25
1.50
1.75
2.00
2.25
2.50
图3
（4）同学们将该二极管与阻值为100Ω的定值电阻串联后接到输出电压恒为3V的电源两端，则二极管导通时定值电阻的功率为________W.
解析
（1）调到欧姆挡时，在多用电表的内部，电源的正极是接在黑表笔上，负极是接在红表笔上；
（2）电源电压只有3V，所以电压表选D；二极管允许通过的最大电流为50mA，所以电流表选F.
（4）在图中画出阻值为100Ω的定值电阻的伏安特性图象，从图中找出两图象电流相同且电压之和等于3V时的电流值大约是13mA，则R的功率P＝I2R≈0.017W.
答案
（1）左
（2）D F （3）伏安特性曲线如图所示
（4）0.017（在0.015～0.019范围内均可）
35．电学实验电路设计的思路与方法
1．首先应明确题目的要求，看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或要求设计达到何种标准的电路等．其设计原则是：
安全、方便、经济．
2．在测量电路中，一般有电流表内接和外接两种方式，对于给定电表内阻的情况，应先比较R0与待测电阻Rx的关系，其中R0＝
，若Rx>R0，则设计为内接；若Rx3．控制电路分滑动变阻器的分压式和限流式两种接法，两种接法的选择方法如下：
（1）若采用限流式接法不能控制电流（或电压）满足实验要求，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流（或电压）仍超过电流表（或电压表）的量程，或超过待测电阻的额定电流（或电压），则必须选用分压式接法．
（2）若待测电阻的阻值比滑动变阻器的最大电阻大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时，待测电阻上的电流或电压变化范围不够大，此时，应改用分压电路．
（3）若实验中要求测量电路中电压从零开始变化，则必须采用分压式接法．
（4）两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法电路简单、耗能低．
例4
二极管是电子线路中常用的电子元件．它的电路符号如图4甲所示，正常使用时，“＋”极一端接高电势，“－”极一端接低电势．要描绘某二极管在0～8V间的伏安特性曲线，另提供有下列的实验器材：
电源E（电动势为8V，内阻不计）：
多用电表电压挡有五个量程，分别为2.5V、10V、50V、250V、500V，可视为理想电压表；开关一个；滑动变阻器一个；
表一块；导线若干．
图4
图5 图6
（1）在图4的方框内画出测定二极管伏安特性曲线的电路原理图，多用电表在电路图中用
表示，并注明多用电表电压挡所选量程．
（2）利用多用电表电压挡测量正常使用中的二极管两端的电压时，电流从________（选填“红”或“黑”）表笔流入电表．
（3）某同学通过实验得出了图5所示的伏安特性曲线图．接着，他又用该二极管、电源E和另一只固定电阻R等组成图6所示的电路，当闭合开关后，用多用电表的电压挡测得R两端的电压为0.8V，由此可以判断固定电阻R的阻值大约为________Ω.
审题与关联
解析
（1）由题意可知电流正向通过二极管时，二极管的电阻较小，故
表应外接，由于要描绘二极管在0～8V间的伏安特性曲线，故滑动变阻器应采用分压式接法，电源电动势为8V，故多用电表的电压挡选10V的．电路图如图所示．
（2）利用多用电表电压挡测量正常使用中的二极管两端的电压时，电流从红表笔流入多用电表．
（3）由闭合电路欧姆定律可知二极管两端的电压为7.2V，据伏安特性曲线图可知二极管两端的电压为7.2V时对应的电流是10mA，故电阻R的阻值大约为80Ω.
答案
（1）见解析图
（2）红 （3）80
1．图7为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡的额定电压为2.5V.
图7
（1）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，……根据实验数据作出小灯泡的伏安特性曲线．
（2）在虚线框中画出与实物电路相应的电路图．
答案
（1）①使它靠近滑动变阻器左端的接线柱 ②增加小灯泡两端的电压，记录多组电流表和电压表的读数，直至电压达到其额定电压
（2）见解析图
解析
（1）滑动变阻器为分压式接法，闭合开关前，应使小灯泡两端的电压为零，调节滑动变阻器的滑片，使它靠近滑动变阻器左端的接线柱．闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，增加小灯泡两端的电压，记录多组电流表和电压表的读数，直至电压达到小灯泡的额定电压．
（2）与实物电路相应的电路图如图所示．
2．如图8甲所示是某实验小组测绘电阻约为10Ω的小电珠的伏安特性曲线的电路图，图乙是他们按照图甲所示的电路图在实物上连线的示意图，教师检查发现有一根导线的一端接错了地方，请你在图乙中的这根连线上画上“×”，并直接在图上画出这根导线的正确连线．
图8
答案 见解析图
解析 由题图甲可看出，测量小电珠的伏安特性曲线的控制电路是滑动变阻器的分压式接法，测量电路是电流表外接法．正确连线如图所示．
3．有一个小电珠上标有“4V,2W”的字样，现在要用伏安法描绘这个小电珠的U－I图线，有下列器材供选用：
A．电压表（0～5V，内阻10kΩ）
B．电压表（0～10V，内阻20kΩ）
C．电流表（0～0.3A，内阻1Ω）
D．电流表（0～0.6A，内阻0.4Ω）
E．滑动变阻器（5Ω，10A）
F．滑动变阻器（500Ω，0.2A）
（1）实验中电压表应选用________，电流表应选用________．（用字母表示）
（2）为使实验误差尽量减小，要求小电珠两端的电压从零开始变化且多取几组数据，滑动变阻器应选用________（用字母表示）．
（3）请在方框内画出满足实验要求的电路图，并把图9所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图．
图9
答案
（1）A D
（2）E （3）见解析
解析
（1）因小电珠的额定电压为4V，为了保证安全，选用的电压表量程应稍大于4V，但不能大太多，量程太大则示数不准确，故只能选用0～5V的电压表，故选A.由P＝UI得，小电珠的额定电流I＝
＝0.5A，故应选择0～0.6A量程的电流表，故选D.
（2）由题意可知，小电珠两端的电压要从零开始变化且多取几组数据，故只能采用滑动变阻器的分压式接法，而分压式接法中应选总阻值小的滑动变阻器，故选E.
（3）小电珠内阻R＝
＝8Ω，小于R0＝
，故采用电流表外接法，故电路图和实物电路图如图所示．
4．某同学查阅相关资料得到直流电动机
转动时的U－I特性曲线，如图10甲所示，该同学利用图乙所示的实验电路研究该直流电动机的转动情况，电路中使用恒压电源（输出电压值固定），R1是定值电阻（阻值为15Ω），R2是滑动变阻器，
是理想电流表，实验操作步骤如下：
图10
（1）闭合开关S2前，调节滑动变阻器R2，使其接入电路中的阻值________．（选填“最大”或“最小”）
（2）先闭合开关S1，开关S2保持断开，此时电流表的示数为0.6A，则恒压电源输出电压为________V.
（3）再闭合开关S2，然后缓慢调节滑动变阻器使电动机恰好转动起来，此时电流表的示数为1.8A，直流电动机
实际消耗的电功率为________W，滑动变阻器接入电路中的阻值为________Ω.
答案
（1）最大
（2）9 （3）3.84 4.83
解析
（2）电源输出电压：
U＝IR1＝0.6×15V＝9V.
（3）电动机的输入电流IM＝I－I1＝1.2A．由电动机的U－I特性曲线可知，此时电动机的电压为UM＝3.2V，所以P＝UMIM＝3.84W，R2＝
≈4.83Ω.
5．在研究规格为“6V 3W”的小灯泡的伏安特性曲线的实验中，要求小灯泡两端的电压从0开始逐渐增大．实验提供的电流表量程为0.6A、内阻约1Ω，电压表量程为10V、内阻约20kΩ.
（1）下列实验电路图，最合理的是________；
（2）小灯泡接入电路前，某同学使用如图11所示的多用电表欧姆挡直接测量小灯泡的电阻，应将选择开关旋至________挡（填“×1”或“×10”）．
图11
（3）某同学描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图12所示，则小灯泡的电阻值随温度的升高而________（填“增大”、“减小”或“不变”）．实验过程中，小灯泡消耗的功率为0.6W时，小灯泡两端的电压是________V.
图12
答案
（1）甲
（2）×1 （3）增大 2
解析
（1）实验要求小灯泡两端的电压从0开始逐渐增大，故滑动变阻器应选分压式接法，小灯泡的内阻较小，电流表应采用外接法，选甲图；
（2）小灯泡的电阻较小，欧姆挡选“×1”挡即可；（3）由于图线向上弯曲，图线上的点与原点连线的斜率增大，故小灯泡的电阻值随温度的升高而增大．由图线可得小灯泡消耗的功率为0.6W时，小灯泡两端的电压是2V.
6．（2013·福建·19
（2））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13甲所示电路，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3V，内阻为6.0kΩ；电压表V2量程选用15V，内阻约为30kΩ；R0为保护电阻；直流电源电动势E约为12V，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．
图13
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.
（ⅰ）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（保留两位小数）．
（ⅱ）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），并在图14上建立Ix－Ux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Ix－Ux图线.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
U1/V
0.00
0.00
0.06
0.12
0.24
0.42
0.72
1.14
1.74
U2/V
0.0
1.0
2.1
3.1
4.2
5.4
6.7
8.1
9.7
Ux/V
0.0
－1.0
－2.0
－3.0
－4.0
－5.0
－6.0
－7.0
－8.0
Ix/mA
0.00
0.00
－0.01
－0.02
－0.04
－0.07
－0.12
－0.19
－0.29
图14
（ⅲ）由Ix－Ux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．
答案 ①连线如图所示
②（ⅰ）1.40 0.23
（ⅱ）描点绘出Ix－Ux图线如图所示
（ⅲ）非线性
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