步步高实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线.docx
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步步高实验八描绘小电珠的伏安特性曲线
实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线
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.理解小电珠的伏安特性曲线为什么不是一条直线．
基本实验要求
1．实验原理
（1）测多组小电珠的U、I的值，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
小电珠“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）将小电珠、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，就得到小电珠的伏安特性曲线．
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．
规律方法总结
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：
因为小电珠（3.8V,0.3A）的电阻很小，与量程为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：
目的是使小电珠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电珠分得电压为零的一端，使开关闭合时小电珠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电珠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 实验原理和电路设计
例1
（2013·天津·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．乙选用的器材有：
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较小和额定电流较大的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式接法．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
变式题组
1．[实验原理与电路设计]在“描绘小电珠的伏安特性曲线”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
实验要求小电珠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________（均用序号表示）．
（2）在虚线框内画出实验电路图．
（3）试将图2所示器材连成实验电路．
图2
答案
（1）C E
（2）实验电路图如图所示
（3）实物图连线如图所示
解析
（1）I额＝
A＝250mA，故电流表应选C.因要求小电珠两端的电压从零开始变化，滑动变阻器用分压式接法，应选较小阻值的E.
2．[电路设计]某实验小组的同学在学校实验室中发现一电学元件，该电学元件上标有“最大电流不超过6mA，最大电压不超过7V”，同学们想通过实验描绘出该电学元件的伏安特性曲线，他们设计的一部分电路如图3所示，图中定值电阻R＝1kΩ，用于限流；电流表量程为10mA，内阻约为5Ω；电压表（未画出）量程为10V，内阻约为10kΩ；电源电动势E为12V，内阻不计．
图3
（1）实验时有两个滑动变阻器可供选择：
A．阻值0～200Ω，额定电流0.3A
B．阻值0～20Ω，额定电流0.5A
应选择的滑动变阻器是________（填“A”或“B”）．
正确接线后，测得数据如下表：
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
U/V
0.00
3.00
6.00
6.16
6.28
6.32
6.36
6.38
6.39
6.40
I/mA
0.00
0.00
0.00
0.06
0.50
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
（2）由以上数据分析可知，电压表并联在M与________之间（填“O”或“P”）
（3）将电路图在虚线框中补充完整．
（4）从表中数据可知，该电学元件的电阻特点是：
______________________________
________________________________________________________________________.
答案
（1）B
（2）P
（3）如图所示
（4）当元件两端的电压小于6V时，元件的电阻非常大，不导电；当元件两端的电压大于6V时，随着电压的升高元件的电阻变小
解析
（1）利用分压式接法时，应选择最大阻值较小的滑动变阻器，这样便于调节．
（2）从表中数据看，由于被测元件的电阻大约为1kΩ以上，对照电压表、电流表的内阻，应用电流表内接法，电压表应并联在M与P之间．（4）从表中数据可以看出：
当元件两端的电压小于6V时，元件的电阻非常大，不导电；当元件两端的电压大于6V时，随着电压的升高元件的电阻变小．
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法，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，则设计为电流表内接法；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）采用限流式接法时不能控制电流（或电压）满足实验要求，即滑动变阻器阻值调到最大，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（或额定电压），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，应改用分压式接法．
（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．
考点二 实验数据处理与分析
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小灯泡的电阻约为2Ω，然后根据公式计算出该小灯泡的额定电压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，测量通过小灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘制小灯泡的U－I图线，进而分析小灯泡的额定电压．
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．待测小灯泡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，该同学将小灯泡两端的电压由零缓慢地增加，当电压达到1.23V时，发现小灯泡亮度很暗，当达到2.70V时，发现小灯泡已过亮，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4中作出灯泡的U－I图线．
图4
（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，因此滑动变阻器应采用分压式接法，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；小灯泡的额定电压大于1.23V的原因是小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） 小灯泡的冷态电阻小于正常工作时的电阻（或小灯泡的电阻随温度的升高而变大）
变式题组
3．[电路连接和实验数据处理]为了测量一个标有“12V 5W”的小灯泡在不同电压下的功率，给定了以下器材：
电源：
12V，电阻不计；
电流表：
0～0.6A,0～3A，内阻可忽略；
电压表：
0～3V,0～15V，内阻很大；
滑动变阻器：
阻值范围0～20Ω，允许通过的最大电流为1A；
开关一个，导线若干．
实验时要求加在小灯泡两端的电压可从0调到12V.
（1）将图5甲中的实物图连接完整．
图5
（2）某位同学测得小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示，某次测量时，通过小灯泡的电流大小为0.40A，则此时加在它两端的电压为________V，此时小灯泡的实际功率为________W.
答案
（1）见解析
（2）6 2.4
解析
（1）由于要求小灯泡两端的电压可从0调到12V，故滑动变阻器应采用分压式接法．又因电流表内阻可忽略，则电流表采用内接法、外接法均可以，实物连接如图．
（2）由I－U图线得，当I＝0.40A时，U＝6V，故小灯泡的实际功率为P＝IU＝2.4W.
4．[实验数据的处理与分析]在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，要测量一个标有“3V 1.5W”的小灯泡两端的电压和通过它的电流，现有如下器材：
A．直流电源3V（内阻可不计）
B．直流电流表0～600mA（内阻约为0.5Ω）
C．直流电压表0～3V（内阻约3kΩ）
D．滑动变阻器（10Ω，1A）
E．滑动变阻器（1kΩ，300mA）
F．开关、导线若干
（1）本实验中滑动变阻器选用________（填“D”或“E”）
（2）下表中的各组数据是该同学在实验中测得的，根据表格中的数据在如图6所示的坐标纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线．
U/V
I/A
0
0
0.5
0.17
1.0
0.30
1.5
0.39
2.0
0.45
2.5
0.49
图6
（3）如图7所示，将两个这样的小灯泡并联后再与阻值为5Ω的定值电阻R0串联，接在电压恒定为4V的电路上，每个小灯泡的实际功率为________W.
图7
答案
（1）D
（2）见解析图 （3）0.3
解析
（1）实验中需测量多组数据，滑动变阻器用分压式接法，为了调节方便，滑动变阻器用阻值较小的，故选D；
（2）描点画图，如图所示
（3）设小灯泡两端的电压为U，电流为I，根据闭合电路欧姆定律得：
U0＝U＋2IR0，所以U＝－2R0I＋U0，代入数据得U＝－10I＋4，在小灯泡的伏安特性曲线同一坐标系上画出该直线，其交点（U，I）即为小灯泡的实际电压、电流值，可得小灯泡消耗的实际功率P＝UI＝0.3W.
考点三 实验拓展与创新
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欧姆挡来判断它的正、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________．（填字母序号）
（3）实验中测得的数据如下表，请在图8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8
（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，则定值电阻的功率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）
拓展题组
5．[实验创新]2013年12月14日晚上9点14分左右嫦娥三号月球探测器平稳降落在月球虹湾，并在4分钟后展开太阳能电池帆板．这是中国航天器第一次在地外天体成功软着陆，中国成为继美国、前苏联之后第三个实现月面软着陆的国家．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．某实验小组用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I－U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，应选用图9中的哪个电路图：
________（填“甲”或“乙”）．
图9
图10
（2）该实验小组根据实验得到的数据，描点绘出了如图10所示的I－U图象．由图可知，当电压小于2.0V时，太阳能电池的电阻________（填“很大”或“很小”）；当电压为2.8V时，太阳能电池的电阻约为________Ω.（保留两位有效数字）
答案
（1）甲
（2）很大 1.0×103
6．[实验拓展]（2013·江苏单科·10）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.
图11
（1）准备使用的实物电路如图11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11所示，请指出图象中不恰当的地方．
图12
答案
（1）如图所示
（2）10 （3）电池 （4）图线不应画为直线；横坐标的标度选择不合适．
解析
（1）由于电压调节范围大，因此滑动变阻器用分压式接法；由于小灯泡的额定电流I＝
＝0.6A，因此电流表选用0.6A的量程．
（2）电路中定值电阻起保护作用，电池的电动势为12V，小灯泡的内阻为R＝
＝
Ω＝5Ω，因此小灯泡和滑动变阻器并联后的最大电阻为
Ω＝
Ω，要使小灯泡两端的电压能达到3V，由
＝
可知，R1不能超过10Ω，所以R1选10Ω.
（3）测量结束后，应先断开开关，拆除电池两端的导线，防止电池出现短路以致被烧毁．
（4）由P＝
U2知，图象的斜率是变化的，因此图线应是一条曲线．画图线取标度时，应使点尽可能分布在整个坐标纸上，显然该同学的横坐标的标度选择不合适．
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