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实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线
1
实验目的
1.描绘小电珠的伏安特性曲线。
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电珠的电流，用电压表测出小电珠两端的电压，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：
因为小电珠的电阻很小，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
小电珠（3.8V,0.3A）或（2.5V,0.6A）一个、电压表（0～3V～15V）与电流表（0～0.6A～3A）各一个、滑动变阻器（最大阻值20Ω）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12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。
U/V
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.6
I/A
U/V
2.0
2.4
2.8
3.2
3.6
3.8
I/A
4.拆除电路，整理仪器。
2
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，就得到小电珠的伏安特性曲线。
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0.6A。
（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）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．本实验中被测小电珠灯丝的电阻值较小，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＝1.0V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0V左右绘点要密，以防出现很大误差。
5．电流表选择0.6A量程，电压表量程选择视小电珠的额定电压而定。
（1）若使用“3.8V 0.3A”的小电珠，选用电压表的15V量程。
（2）若使用“2.5V 0.6A”的小电珠，则选用电压表的3V量程。
6．当小电珠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。
考点
实验原理与器材的选取
例1 [2015·葫芦岛高三调研]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）请将设计的实验电路图画入下面的表格中。
（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1.5V，内阻为5Ω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＝
＝15Ω，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＝1.0V、I＝0.1A，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＝1.0V×0.1A＝0.1W。
[2015·新疆适应性检测]描绘额定电压为4V、额定功率为1.6W的小灯泡的伏安特性曲线。
现有器材：
多用电表
直流电源E（电动势4.5V，内阻不计）
电压表
（量程4.5V，内阻约为4×104Ω）
电流表
（量程250mA，内阻约为2Ω）
电流表
（量程500mA，内阻约为1Ω）
滑动变阻器R（最大值约为30Ω），电键S，导线若干
（1）粗测小灯泡的电阻，应选择多用电表________倍率的电阻挡（请填写“×1”、“×10”或“×100”）；调零后，测量示数如图
（1），结果为________Ω。
（2）要满足测量要求，应该选用的电流表是________。
（填
或
）
（3）图
（2）是此实验的电路实验图，其中已正确连接了部分电路，请完成余下电路的连接。
答案
（1）×1 7.5
（2）
（3）实物连接如图所示
解析
（1）由已知数据知道小灯泡的电阻约为R＝
＝
Ω＝10Ω，因此粗测小灯泡的电阻，应该选择多用电表的×1倍率的挡位，由图知测量结果为7.5Ω。
（2）因小灯泡的额定电流Ie＝
＝
A＝0.4A，故要满足测量要求，应选电流表
。
（3）此实验应采用分压、电流表外接法。
考点
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（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。
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
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1.40V，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≈0.23mA；
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。
[2013·江苏高考]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。
答案
（1）图见解析
（2）10
（3）电池
（4）图线不应画为直线；横坐标的标度不恰当。
解析
（1）探究P和U的关系应较大范围测量U，滑动变阻器需要应用分压式接法。
所以连接如图。
（2）R1为电路保护电阻，10Ω阻值能保证安全，正常完成实验，20Ω和50Ω的阻值太大，不能保证在较大范围内调节灯泡两端的电压，所以选10Ω电阻。
（3）根据实验的安全性原则，应先拆除电源再进行其他拆除操作。
（4）应用平滑曲线连接所描绘的点，不应画为直线。
根据作出的图应尽量占满坐标的原则，横轴坐标的标度不恰当。
考点
实验创新与改进
例3 [2015·江西南昌一模]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“1.4～4V”、最大正向直流电流是“5～20mA”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0～50mA，内阻约为50Ω
电流表A2：
量程0～200mA，内阻约为10Ω
电压表V：
量程0～5V，内阻约为10kΩ
滑动变阻器R1：
阻值范围0～15Ω，允许最大电流1A
滑动变阻器R2：
阻值范围0～1kΩ，允许最大电流100mA
直流电源E：
输出电压6V，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最大正向直流电流是5～20mA，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6mA，由题图2可知其对应的电压为1.6V，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）
＝106.7Ω；根据题意可知60%＝
×100%，则辐射的光功率Φ＝0.00576W。
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2.00V时，太阳能电池的电阻________（填“很大”或“很小”）；当电压为2.80V时，太阳能电池的电阻约为________Ω。
答案
（1）见解析图
（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＝1.0×103Ω（965～1040Ω均正确）
1.[2015·福建高考]某学习小组探究一小电珠在不同电压下的电功率大小，实验器材如图甲所示，现已完成部分导线的连接。
（1）实验要求滑动变阻器的滑片从左到右移动过程中，电流表的示数从零开始逐渐增大，请按此要求用笔画线代替导线在图甲实物接线图中完成余下导线的连接；
（2）某次测量，电流表指针偏转如图乙所示，则电流表的示数为________A；
（3）该小组描绘出的伏安特性曲线如图丙所示，根据图线判断，将________只相同的小电珠并联后，直接与电动势为3V、内阻为1Ω的电源组成闭合回路，可使小电珠的总功率最大，其总功率的值约为________W（保留两位小数）。
答案
（1）如图所示
（2）0.44 （3）4
2.25（2.22～2.28均对）
解析
（1）根据题意，实验电路为分压电路，电流表外接，按照电流流向即可完成连线，在连线时要注意电表的极性，并注意接线要连到接线柱上。
（2）因为电流表的精度是0.02A，所以读数为22×0.02A＝0.44A。
（3）当电源的内阻与外阻相同时，小电珠的总功率最大，即当总电流I＝
＝1.5A，路端电压为U＝1.5V时，小电珠的总功率最大，从题图中可知U＝1.5V时，通过每个小电珠的电流为I0＝0.38A，所以有n＝
＝4，总功率约为P＝IU＝1.5×1.5W＝2.25W。
2.[2015·浙江高考]图1是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图。
（1）根据图1画出实验电路图；
（2）调节滑动变阻器得到了两组电流表与电压表的示数如图2中的①、②、③、④所示，电流表量程为0.6A，电压表量程为3V。
所示读数为：
①________、②________、③________、④________。
两组数据得到的电阻分别为________和________。
答案
（1）如图所示
（2）①0.10A ②0.24A
③2.00V ④0.25V
8.3Ω（8.2～8.4Ω均可）
2.5Ω（2.4～2.6Ω均可）（最后两空答案互换位置也正确）
解析
（1）根据实物图，滑动变阻器起分压作用，电压表测量小灯泡两端的电压，电流表外接，故画出的电路图如图所示。
（2）电流表量程为0.6A，电压表量程为3V，因此①的读数为0.10A，②的读数为0.24A，③的读数为2.00V，④的读数为0.25V。
两组数据得到的电阻R1＝
＝
Ω＝8.3Ω，R2＝
＝
Ω＝2.5Ω。
3.[2015·广东高考]某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括电压表（内阻约为3kΩ）、电流表（内阻约为1Ω）、定值电阻等。
（1）使用多用电表粗测元件X的电阻。
选择“×1”欧姆挡测量，示数如图（a）所示，读数为________Ω。
据此应选择图（b）、（c）中的________（填“（b）”或“（c）”）电路进行实验。
（2）连接所选电路，闭合S；滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，电流表的示数逐渐________（填“增大”或“减小”）；依次记录电流及相应的电压；将元件X换成元件Y，重复实验。
（3）图（d）是根据实验数据作出的UI图线，由图可判断元件________（填“X”或“Y”）是非线性元件。
（4）该小组还借助X和Y中的线性元件和阻值R＝21Ω的定值电阻，测量待测电池的电动势E和内阻r，电路如图（e）所示。
闭合S1和S2，电压表读数为3.00V；断开S2，读数为1.00V。
利用图（d）可算得E＝________V，r＝________Ω（结果均保留两位有效数字，视电压表为理想电压表）。
答案
（1）10 （b）
（2）增大 （3）Y （4）3.2 0.50
解析
（1）由题图（a）可知，多用电表的读数为10Ω，由于元件的电阻较小，电路应选用电流表外接法，即选择（b）电路。
（2）当滑动变阻器的滑片向右移时，滑动变阻器输出的电压增大，电流表的示数增大。
（3）由于元件Y的UI图线是曲线，因此Y是非线性元件。
（4）设线性元件的电阻为R，由UI图线可知，R＝
＝10Ω，则S1、S2均闭合时，E＝0.3A×（10Ω＋r），S1闭合、S2断开时，E＝0.1A×（10Ω＋21Ω＋r），解得E≈3.2V，r＝0.50Ω。
4.[2015·厦门质监]某物理学习小组的同学在研究性学习过程中，用伏安法研究某种小灯泡L1（6V 2.5W）的伏安特性曲线，设计了如图甲所示的电路，要求多次测量，尽可能减小实验误差，备有下列器材：
A．直流电源
B.电压表V
C.电流表A
D.滑动变阻器R1（0～20Ω，5A）
E.滑动变阻器R2（0～200Ω，1A）
F.开关与导线若干
请回答以下问题：
（1）滑动变阻器应选择________（填选项前的字母）。
（2）根据实验原理，用笔画线代替导线，将图乙中的实验电路实物图连接完整。
（3）开关S闭合之前，图中滑动变阻器的滑片应该置于________。
（选填“A端”、“B端”或“AB中间”）
（4）如图丙所示为该种小灯泡的UI图象，现将两个这种小灯泡L1、L2与一个阻值为5Ω的定值电阻R连成如图丁所示的电路，电源的内阻为r＝2.5Ω，开关S闭合后，小灯泡L1与定值电阻R的电功率恰好均为P，则P＝________W，电源的电动势E＝________V。
答案
（1）D
（2）如图所示 （3）A端 （4）0.2 6
解析
（1）绘制伏安特性曲线，要求小灯泡两端电压由零开始连续调节，故滑动变阻器采用分压式电路，因此选择阻值较小的滑动变阻器，选D。
（2）小灯泡电阻较小，测量电路采用电流表外接。
（3）为确保闭合开关时，小灯泡两端电压最小，滑动变阻器滑片应置于A端。
（4）L1与电阻R并联，电压相等、功率相等，故此时小灯泡L1的电阻为5Ω，由伏安特性曲线可知，此时小灯泡L1两端电压为1V，通过的电流为0.2A，所以功率P＝UI＝0.2W；由并联电路知识可知，通过L2的电流为0.4A，由伏安特性曲线可知，L2两端电压为4V；故电路的路端电压为5V；由闭合电路欧姆定律U＝E－Ir可知，E＝U＋Ir＝5V＋0.4×2.5V＝6V。
5.[2015·海淀区期末试题]在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，所用小灯泡标有“3.8V,0.3A”字样，并提供有以下器材：
A.电压表V（0～5V，内阻约5kΩ）
B.电流表A1（0～50mA，内阻约2Ω）
C.电流表A2（0～500mA，内阻约1Ω）
D.滑动变阻器R1（0～10Ω）
E.滑动变阻器R2（0～2kΩ）
F.直流电源E（电动势4.5V，内阻不计）
G.开关S及导线若干
（1）为了提高测量的准确度和调节方便：
①实验中应选用电流表________，滑动变阻器________。
（填写器材代号）
②请在下面的虚线框内画出实验电路图。
（2）由正确实验操作得到的数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图甲所示。
在另一实验中将此小灯泡接入如图乙所示的电路中，电路中电源电压U（U≤3.8V）恒定，在t＝t0时刻闭合开关S。
由电流传感器记录的电流随时间变化的图象（It）可能是下图中的________（填“A”、“B”或“C”）图。
答案
（1）①A2 R1 ②如图所示
（2）C
解析
（1）①小灯泡的额定电流是0.3A，所以电流表应该选择A2；本实验滑动变阻器采用分压接法，所以滑动变阻器应该选择总阻值较小的，选R1。
②滑动变阻器用分压接法，小灯泡电阻很小，电流表应该用外接法。
实验电路图见答案图。
（2）闭合开关之后才有电流，小灯泡灯丝的电阻随着温度的升高而增大，所以电流会变小，选项C正确。
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