部编版高考物理一轮复习 第八章 恒定电流 第4讲 实验描绘小灯泡的伏安特性曲线学案.docx

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部编版高考物理一轮复习第八章恒定电流第4讲实验描绘小灯泡的伏安特性曲线学案

第4讲　实验：

描绘小灯泡的伏安特性曲线

微知识1实验目的

1．描绘小灯泡的伏安特性曲线。

2．分析曲线的变化规律。

微知识2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（I，U）值，在U－I坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连接起来。

2．电流表采用外接法（填“内接”或“外接”），因为小灯泡电阻很小，如果内接电流表，分压明显。

滑动变阻器采用分压式，使电压能从0开始连续变化。

微知识3实验器材

小灯泡，4～6V学生电源，滑动变阻器，电压表，电流表，开关，导线若干。

微知识4实验步骤

1．连接电路

将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、电源、开关用导线连接成如图所示电路。

2．测出小灯泡在不同电压下的电流

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，并将测量数据填入表格。

3．画出伏安特性曲线

（1）在坐标纸上以I为纵轴，以U为横轴，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）将描出的点用平滑曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线。

（4）拆除电路、整理仪器。

微知识5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，与量程为0～0.6A的电流表串联后，电流表的分压影响很大。

（2）滑动变阻器应采用分压式连接，目的是使小灯泡两端的电压能从0开始连续变化。

2．闭合开关S前，滑动变阻器触头应移到使小灯泡分得电压为0的一端，可以使开关闭合时小灯泡电压能从0开始变化，同时，也为了防止开关刚闭合时小灯泡两端因电压过大而烧坏灯丝。

3．U－I图线在U0＝1.0V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0V左右描点要密，以防止出现较大误差。

4．电流表选择0.6A量程，电压表量程的选择视小灯泡的额定电压而定，即使用的若是“3.8V　0.3A”的小灯泡，选用电压表的15V量程，若使用“2.5V　0.6A”的小灯泡，则选用电压表的3V量程。

5．保持小灯泡电压接近额定值时要缓慢增加，到额定值时，记录I后马上断开开关。

6．误差较大的点要舍去，U－I图象应是平滑曲线而非折线。

微知识6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。

2．测量时读数带来误差。

3．在坐标纸上描点、作图带来误差。

一、思维辨析（判断正误，正确的画“√”，错误的画“×”。

）

1．灯泡的电阻较小，用伏安法测电阻时应采用电流表外接法。

（√）

2．为了多测几组数据，滑动变阻器应用分压式接法。

（√）

3．用电流表外接法测电阻时，由于电压表的分流作用，致使电阻测量值偏大。

（×）

二、对点微练

1．（伏安法测电阻）在伏安法测电阻的实验中，待测电阻Rx约为200Ω，电压表V的内阻约为2kΩ，电流表A的内阻约为10Ω，测量电路中电流表的连接方式如图甲或乙所示，结果由公式Rx＝

计算得出，式中U与I分别为电压表和电流表的读数；若将图甲和图乙中电路测得的电阻值分别记为Rx1和Rx2，则________（填“Rx1”或“Rx2”）更接近待测电阻的真实值，且测量值Rx1______（填“大于”“等于”或“小于”）真实值，测量值Rx2________（填“大于”“等于”或“小于”）真实值。

解析　因为Rx≈200Ω，而RV≈2kΩ，RA≈10Ω，有Rx>

，所以选用电流表内接法误差较小，即Rx1更接近于真实值。

根据“大内小外”可知Rx1大于真实值，Rx2小于真实值。

答案　Rx1　大于　小于

2．（图象法处理数据）在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，某同学测得电流—电压的数据如下表所示：

（1）用上表数据描绘电压随电流的变化曲线。

（2）为了探究灯丝电阻与温度的关系，已作出电阻随电流的变化曲线如图所示；请指出图线的特征，并解释形成的原因。

答案　

（1）如图所示

（2）电阻随电流增大存在三个区间，电阻随电流的变化快慢不同。

第一区间电流很小时，电阻变化不大；第二区间灯丝温度升高快，电阻增大快；第三区间部分电能转化为光能，灯丝温度升高变慢，电阻增大也变慢。

见学生用书P130

微考点　1　实物图连接和数据处理

核|心|微|讲

1．各导线都应连接在接线柱上。

2．不应在导线中间出现交叉，导线不能跨过仪器。

3．连接电表应注意量程选用正确，正、负接线柱不要接错。

4．开关要控制整个电路。

典|例|微|探

【例1】　某学习小组欲探究小灯泡（“3V、1.5W”）的伏安特性，可提供的实验器材如下：

A．电池组：

电动势约4.5V，内阻可不计；

B．双量程的电压表：

V1：

量程为0～3V、内阻约为3kΩ；V2：

量程为0～15V、内阻约为15kΩ

C．双量程的电流表：

A1：

量程为0～0.6A、内阻约为1Ω；A2：

量程为0～3A、内阻约为0.1Ω

D．滑动变阻器R：

阻值范围为0～10Ω、允许通过的最大电流为2A；

E．开关S，导线若干。

在尽量提高测量精度的情况下，请回答下列问题：

（1）根据以上器材，用笔画线代替导线将图甲中的实物图连接成完整电路。

（2）闭合开关前，滑动变阻器的滑片应移到________（填“A”或“B”）端。

（3）调节滑动变阻器得到电压、电流数据如下表，请在如图乙所示的坐标纸上画出小灯泡的U－I图线。

（4）根据图线可估得小灯泡在常温下的电阻约为________Ω。

（结果保留两位有效数字）

【解题导思】

（1）本实验中电流表采用内接法还是外接法误差更小？

为了便于调节滑动变阻器，应采用限流式接法还是分压式接法？

答：

电流表采用外接法误差小，滑动变阻器采用分压式接法。

（2）如何利用U－I图象求电阻的阻值？

答：

过原点的U－I图象的斜率表示电阻的阻值。

解析　

（1）因待测灯泡的阻值较小，故采用电流表外接；滑动变阻器用分压电路；连接如图所示。

（2）闭合开关前，滑动变阻器的滑动片应移到A端；

（3）小灯泡的U－I图线如图。

（4）作出过O点的切线，如图所示；常温下的电阻图线是过原点的切线的斜率，故R＝

Ω＝2.8Ω。

答案　

（1）见解析图　

（2）A　（3）见解析图

（4）2.8（2.7～3.0均正确）

题|组|微|练

1．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，除有一标有“6V,1.5W”的小灯泡、导线和开关外，还有：

A．直流电源6V（内阻不计）

B．直流电流表0～3A（内阻0.1Ω以下）

C．直流电流表0～300mA（内阻约为5Ω）

D．直流电压表0～10V（内阻约为15kΩ）

E．滑动变阻器10Ω，2A

F．滑动变阻器1kΩ，0.5A

实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。

（1）实验中电流表应选用__________，滑动变阻器应选用__________。

（均用字母表示）

（2）在下列虚框中画出实验电路图。

（3）试将如图所示器材连成实物电路。

解析　由I额＝

A＝250mA，故选C项。

因要求电压从零开始变化，变阻器用分压接法，应选小阻值的E。

答案　

（1）C　E

（2）实验电路如图所示

（3）实验电路如图所示

2．为探究小灯泡的电功率P和电压U的关系，小明测量小灯泡的电压U和电流I，利用P＝UI得到电功率。

实验所使用的小灯泡规格为“3.0V,1.8W”，电源为12V的电池，滑动变阻器的最大阻值为10Ω。

（1）准备使用的实物电路如图所示。

请将滑动变阻器接入电路的正确位置。

（用笔画线代替导线）

（2）现有10Ω、20Ω和50Ω的定值电阻，电路中的电阻R1应选________Ω的定值电阻。

（3）测量结束后，应先断开开关，拆除________两端的导线，再拆除其他导线，最后整理好器材。

（4）小明处理数据后将P、U2描点在坐标纸上，并作出了一条直线，如图所示。

请指出图象中不恰当的地方。

解析　

（1）连线如图所示。

（2）小灯泡电阻大约为5Ω，当滑动变阻器阻值最大时，小灯泡与滑动变阻器的并联电阻值约为3.3Ω，则12V－3V＝

×R1，解得R1＝9.9Ω，所以R1应取10Ω的定值电阻。

（3）实验结束，断开开关，拆除电池两端导线，以防电源短路。

（4）在坐标纸上描出的点并不是在一条直线上，图线应为曲线；横坐标的标度值取得太大，应适当减小。

答案　

（1）见解析图　

（2）10

（3）电池

（4）图线不应画为直线；横坐标的标度不恰当

微考点　2　实验的迁移、拓展和创新

核|心|微|讲

以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器等设置题目，体现开放性、探究性的特点。

1．以实验原理及实验方法为基础，探究小灯泡功率与电压的关系。

2．采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理。

3．与原数据处理方式的比较

（1）原方案

①优点：

由学生读出电压表、电流表的数据，并亲自动手绘出伏安特性曲线，可锻炼学生的读数、动手操作能力。

②缺点：

学生读数、绘图带来较大误差。

（2）改进方案

①优点：

电压、电流由传感器测出，由电脑进行数据分析，再进行绘图，快捷、准确，误差较小。

②缺点：

一切在电脑上运行，学生的动手能力得不到锻炼。

典|例|微|探

【例2】　某同学利用图甲所示电路测量量程为2.5V的电压表V的内阻（内阻为数千欧姆），可供选择的器材有：

电阻箱R（最大阻值99999.9Ω），滑动变阻器R1（最大阻值50Ω），滑动变阻器R2（最大阻值5kΩ），直流电源E（电动势3V），开关1个，导线若干。

实验步骤如下：

①按电路原理图甲连接线路。

②将电阻箱阻值调节为0，将滑动变阻器的滑片移到与图甲中最左端所对应的位置，闭合开关S。

③调节滑动变阻器，使电压表满偏。

④保持滑动变阻器滑片的位置不变，调节电阻箱阻值，使电压表的示数为2.00V，记下电阻箱的阻值。

回答下列问题：

（1）实验中选择滑动变阻器__________（填“R1”或“R2”）。

（2）根据图甲所示电路将图乙中实物图连线。

（3）实验步骤④中记录的电阻箱阻值为630.0Ω，若认为调节电阻箱时滑动变阻器上的分压不变。

计算可得电压表的内阻为__________Ω。

（结果保留到个位）

（4）如果此电压表是由一个表头和电阻串联构成的，可推断该表头的满刻度电流为__________。

（填选项字母）

A．100μAB．250μA

C．500μAD．1mA

【解题导思】

滑动变阻器滑片的位置不变，当电压表的示数为2.00V时，电阻箱两端电压为多少？

答：

电阻箱两端电压为2.50V－2.00V＝0.50V。

解析　

（1）为了使电阻箱调节时，滑动变阻器分得的电压变化很小，分压电路中滑动变阻器的最大阻值越小越好，因此应选用R1。

（3）如果认为滑动变阻器分得的电压不变，则调节电阻箱后，电压表两端的电压为2.00V，电阻箱两端的电压为0.5V，根据串联电路的分压原理，

＝

，求得电压表的内阻RV＝4×630.0Ω＝2520Ω。

（4）如果此电压表由一个表头与一个电阻串联组成，可知此表头的满偏电流为Ig＝

≈1mA，D项正确。

答案　

（1）R1　

（2）连线如图所示

（3）2520　（4）D

题|组|微|练

3．如图甲所示为某同学实验得到的小灯泡灯丝电阻的U－I关系曲线图。

（1）在图乙中画出实验电路图（根据该电路图可得到U－I关系的完整曲线），可用的器材有：

电压传感器、电流传感器、滑动变阻器（变化范围0～50Ω）、电动势为6V的电源（不计内阻）、小灯泡、开关、导线若干。

（2）如果将该小灯泡分别接入图丙、丁两个不同电路，其中丙电路的电源为一节干电池，丁电路的电源为三节干电池，每节干电池的电动势为1.5V，内电阻为1.5Ω，定值电阻R＝18Ω。

则接入________（填“丙”或“丁”）电路时，小灯泡较亮些。

（3）在电路丁中，小灯泡消耗的电功率为________W。

（4）若将电路丁中的电阻R替换为另一个完全相同的小灯泡，其他条件不变，则此时电源内部的发热功率为______W。

解析　由于要画出U－I关系的完整曲线，必须用滑动变阻器分压式接法画出实验电路图。

分别在小灯泡灯丝电阻的U－I关系曲线图上画出电源的伏安特性曲线，与小灯泡灯丝电阻的U－I关系的曲线交点即为工作点。

显然接入丙电路时，灯泡中电流较大，小灯泡较亮些。

在电路丁中，小灯泡消耗的电功率为P＝UI＝1×0.15W＝0.15W。

若将电路丁中的电阻R替换为另一个完全相同的小灯泡，其他条件不变，可等效为电动势为2.25V、内阻为2.25Ω的电池连接一个灯泡，在小灯泡灯丝电阻的U－I关系曲线图上画出电源（电动势2.25V，内阻2.25Ω）的伏安特性曲线，与小灯泡灯丝电阻的U－I关系曲线交点对应的横坐标值为电源输出电流I＝0.26A，此时电源内部的发热功率为P＝I2r＝0.262×4.5W≈0.30W。

答案　

（1）实验电路图如图所示。

（2）丙　（3）0.15　（4）0.30

4．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。

（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。

③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。

解析　V1选用的是3V量程，则刻度盘的最小分度为0.1V，根据电表的读数原则知U1＝14.0×0.1V＝1.40V，I1＝

＝0.23mA。

描点与绘图如图所示。

由于绘出的Ix－Ux图象不是直线，即Ix与Ux成非线性关系。

甲乙

答案　

（1）连线见解析图甲

（2）①1.40　0.23　②描点绘出Ix－Ux，图线见解析图乙　③非线性

见学生用书P132

1．某同学想要描绘标有“3.8V,0.3A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。

可供该同学选用的器材除开关、导线外，还有：

电压表V1（量程0～3V，内阻等于3kΩ）

电压表V2（量程0～15V，内阻等于15kΩ）

电流表A1（量程0～200mA，内阻等于10Ω）

电流表A2（量程0～3A，内阻等于0.1Ω）

滑动变阻器R1（0～10Ω，额定电流2A）

滑动变阻器R2（0～1kΩ，额定电流0.5A）

定值电阻R3（阻值等于1Ω）

定值电阻R4（阻值等于10Ω）

定值电阻R5（阻值等于1kΩ）

电源E（E＝6V，内阻不计）

（1）请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。

（2）该同学描绘出的I－U图象应是下图中的__________。

（填选项字母）

解析　

（1）描绘小灯泡的伏安特性曲线实验时，需要设计成滑动变阻器的分压接法，滑动变阻器应选择与小灯泡阻值相接近的R1。

给出的器材电压表V1量程小于小灯泡的额定电压，电压表V2量程又太大，因此需要将电压表V1串联一个1kΩ的定值电阻R5，改装成最大量程为4V的电压表。

给出的器材电流表A1量程小于小灯泡的额定电流，电流表A2量程又太大，因此需要将电流表A1并联一个10Ω的定值电阻R4，改装成最大量程为400mA的电流表。

（2）由于小灯泡灯丝的电阻随温度的升高而增大，所以该同学绘出的小灯泡的I－U图象应是B项。

答案　

（1）如图所示　

（2）B

2．（2017·全国卷Ⅱ）某同学利用如图甲所示的电路测量一微安表（量程为100μA，内阻大约为2500Ω）的内阻。

可使用的器材有：

两个滑动变阻器R1、R2（其中一个阻值为20Ω，另一个阻值为2000Ω）；电阻箱Rz（最大阻值为99999.9Ω）；电源E（电动势约为1.5V）；单刀开关S1和S2。

C、D分别为两个滑动变阻器的滑片。

（1）按原理图甲将图乙中的实物连接起来。

（2）完成下列填空：

①R1的阻值为________（填“20”或“2000”）Ω。

②为了保护微安表，开始时将R1的滑片C滑到接近图甲中的滑动变阻器的________（填“左”或“右”）端对应的位置；将R2的滑片D置于中间位置附近。

③将电阻箱Rz的阻值置于2500.0Ω，接通S1。

将R1的滑片置于适当位置，再反复调节R2的滑片D的位置。

最终使得接通S2前后，微安表的示数保持不变，这说明S2接通前B与D所在位置的电势________（填“相等”或“不相等”）。

④将电阻箱Rz和微安表位置对调，其他条件保持不变，发现将Rz的阻值置于2601.0Ω时，在接通S2前后，微安表的示数也保持不变。

待测微安表的内阻为________Ω。

（结果保留到个位）

（3）写出一条提高测量微安表内阻精度的建议：

_______________。

解析　

（1）实物连线如图：

（2）①滑动变阻器R1要接成分压电路，则要选择阻值较小的20Ω的滑动变阻器；②为了保护微安表，开始时将R2的滑片C滑到接近图甲中滑动变阻器的左端对应的位置；③将电阻箱RZ的阻值置于2500.0Ω，接通S1；将R1的滑片置于适当位置，再反复调节R2的滑片D的位置；最终使得接通S2前后，微安表的示数保持不变，这说明S2接通前后在BD中无电流流过，可知B与D所在位置的电势相等；④设滑片P两侧电阻分别为R21和R22，因B与D所在位置的电势相等，可知；

＝

；同理当Rz和微安表对调后，仍有

＝

；联立两式解得RA＝

＝

Ω＝2550Ω。

（3）为了提高测量精度，调节R1上的分压，尽可能使微安表接近满量程。

答案　

（1）连线见解析

（2）①20　②左　③相等　④2550

（3）调节R1上的分压，尽可能使微安表接近满量程

3．小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值R随温度t的变化关系。

已知该金属电阻在常温下的阻值约10Ω，R随t的升高而增大。

实验电路如图所示，控温箱用以调节金属电阻的温度。

实验时闭合S，先将开关K与1端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度t1、t2、…和电流表的相应示数I1、I2、…。

然后将开关K与2端闭合，调节电阻箱使电流表的示数再次为I1、I2、…，分别记下电阻箱相应的示数R1、R2、…。

（1）有以下两种电流表，实验电路中应选用__________。

（填选项字母）

A．量程0～100mA，内阻约2Ω

B．量程0～0.6A，内阻可忽略

（2）实验过程中，要将电阻箱的阻值由9.9Ω调节至10.0Ω，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”，正确的操作顺序是__________。

（填序号）

①将旋钮a由“0”旋转至“1”　②将旋钮b由“9”旋转至“0”

③将旋钮c由“9”旋转至“0”

（3）实验记录的t和R的数据见下表：

温度t（℃）

20.0

40.0

60.0

80.0

100.0

阻值R（Ω）

9.6

10.4

11.1

12.1

12.8

请根据表中数据，在方格纸上作出R－t图线。

由图线求得R随t的变化关系为R＝________Ω。

解析　

（1）电路中的最大电流可能为I＝

A＝150mA，因此选用A。

（2）要将电阻箱的电阻值由9.9Ω调为10.0Ω，应先将a旋钮由“0”旋转至“1”，再将c由“9”旋转至“0”，再将b由“9”旋转至“0”，因此顺序为①③②（或①②③）。

（3）由作出的图线可知，电阻R与温度t的关系为R＝8.8＋

t（Ω）＝8.8＋0.04t（Ω）

答案　

（1）A

（2）①③②（或①②③）

（3）如图所示　0.04t＋8.8（0.04t＋8.6～0.04t＋9.0都算对）

4．霍尔效应是电磁基本现象之一，近期我国科学家在该领域的实验研究上取得了突破性发展。

如图所示，在一矩形半导体薄片的P、Q间通入电流I，同时外加与薄片垂直的磁场B，在M、N间出现电压UH，这个现象称为霍尔效应，UH为霍尔电压，且满足UH＝k

，式中d为薄片的厚度，k为霍尔系数。

某同学通过实验来测定该半导体薄片的霍尔系数。

（1）若该半导体材料是空穴（可视为带正电粒子）导电，电流与磁场方向如图所示，该同学用电压表测量UH时，应将电压表的“＋”接线柱与________（填“M”或“N”）端通过导线连接。

（2）已知薄片厚度d＝0.40mm，该同学保持磁感应强度B＝0.10T不变，改变电流I的大小，测量相应的UH值，记录数据如下表所示。

I/（10－3A）

3.0

6.0

9.0

12.0

15.0

18.0

UH/（10－3V）

1.1

1.9

3.4

4.5

6.2

6.8

根据表中数据在如图所示的坐标纸上画出UH－I图线，利用图线求出该材料的霍尔系数为______×10－3V·m·A－1·T－1。

（保留两位有效数字）

（3）该同学查阅资料发现，使半导体薄片中的电流反向再次测量，取两个方向测量的平均值，可以减小霍尔系数的测量误差，为此该同学设计了如图所示的测量电路。

S1、S2均为单刀双掷开关，虚线框内为半导体薄片（未画出）。

为使电流自Q端流入，P端流出，应将S1掷向________（填“a”或“b”），S2掷向________（填“c”或“d”）。

为了保证测量安全，该同学改进了测量电路，将一合适的定值电阻串接在电路中，在保持其他连接不变的情况下，该定值电阻应串接在相邻器件________和________之间。

（填器件代号）

解析　

（1）根据左手定则得正电荷在洛伦兹力作用下向M端移动，因此M端带正电，电压表的正接线柱与M端相连。

（2）根据数据作出的UH－I图线如图所示，由图象可确定图线的斜率K≈0.38，而K＝

，将d、B的数值代入解得k＝1.5×10－3V·m·A－1·T－1。

（3）由题意知，Q应接电源的正极，P应接电源的负极，所以开关S1应掷向b，S2应掷向c。

该题的电路设计在操作时极易使电源短路，为了测量安全，可将一合适的定值电阻串接在S1和电源E之间（或S2和电源E之间）。

答案　

（1）M　

（2）如图所示

1．5（1.4～1.6）

（3）b　c　S1　E（或S2　E）