《步步高》高考物理一轮复习讲义第七章 实验八 描绘小灯泡的伏安特性曲线.docx

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《步步高》高考物理一轮复习讲义第七章实验八描绘小灯泡的伏安特性曲线

实验八　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

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，分压式接法要选用小阻值滑动变阻器．

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（跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小）．

（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总电阻要大）．

3．注意事项

（1）电流表外接法：

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：

本实验要作出U－I图象，要求测出多组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压式接法．

（3）保护元件安全：

为保护元件不被烧毁，开关闭合前滑动变阻器的滑片应位于最大电阻处，加在小灯泡两端的电压不要超过其额定电压．

4．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，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

　（2012·四川理综·22

（2））某学习小组的同学拟探究小灯泡L的伏安特性曲线，可供选用的器材如下：

小灯泡L，规格“4.0V　0.7A”；

电流表A1，量程3A，内阻约为0.1Ω；

电流表A2，量程0.6A，内阻r2＝0.2Ω；

电压表V，量程3V，内阻rV＝9kΩ；

标准电阻R1，阻值1Ω；

标准电阻R2，阻值3kΩ；

滑动变阻器R，阻值范围0～10Ω；

学生电源E，电动势6V，内阻不计；

开关S及导线若干．

①甲同学设计了如图1甲所示的电路来进行测量，当通过L的电流为0.46A时，电压表的示数如图乙所示，此时L的电阻为________Ω.

甲　　　　　　　　乙

图1

②乙同学又设计了如图2所示的电路来进行测量，电压表指针指在最大刻度时，加在L上的电压值是________V.

图2　　　　　　　图3

③学习小组认为要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线，需要重新设计电路．请你在乙同学的基础上利用所供器材，在图3所示的虚线框内补画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号．

答案　①5　②4　③见解析图

解析　①电压表的示数U＝2.30V，所以灯泡L的电阻RL＝

＝

Ω＝5Ω.

②由题图知电压表V与R2串联，根据串联分压，当电压表V的示数为3V时，R2两端的电压U2＝

R2＝

×3000V＝1V，所以灯泡两端的电压U′＝UV＋U2＝（3＋1）V＝4V.

③要想更准确地描绘出L完整的伏安特性曲线，则电压表的量程应变为4.0V，电流表的量程应变为0.7A，因此将电压表V与标准电阻R2串联改装成量程为4.0V的电压表，将电流表A2与标准电阻R1并联改装成量程为0.6A＋

A＝0.72A的电流表．故虚线框内实验电路如图所示．

考点二　对仪器选取、图象描绘及数据处理的考查

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；小灯泡电阻不大，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的原因是由于灯泡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）　灯泡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）

39．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Rx

3．在控制电路中，滑动变阻器有分压式、限流式两种接法，若变阻器阻值较小，一般设计

为分压式；若变阻器阻值较大，一般设计为限流式，在二者都可行时，应先考虑限流方式，但下面三种情形必须设计为分压式接法：

（1）数据要求从0开始变化；

（2）变阻器阻值

太小，限流限不住；（3）调节变阻器时，不能获取有区分度的多组数据.

答案　

（1）A2　V1　R1

（2）如图所示

（3）减小　0.12

1．（2012·安徽理综·21Ⅱ）图6为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为2.5V.

图6

（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灯丝的伏安特性曲线．

（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，记录电流表和电压表的多组读数，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，故闭合开关前，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，记录电流表和电压表的多组读数，直至电压达到额定电压．

（2）与实物电路相应的电路图如图所示．

2．（2011·福建理综·19

（2））某同学在探究规格为“6V，3W”的小电珠伏安特性曲线实验中：

（1）在小电珠接入电路前，使用多用电表直接测量小电珠的电阻，则应将选择开关旋至________挡进行测量．（填选项前的字母）

A．直流电压10VB．直流电流5mA

C．欧姆×100D．欧姆×1

（2）该同学采用图7所示的电路进行测量．图中R为滑动变阻器

（阻值范围0～20Ω，额定电流1.0A），L为待测小电珠，

为

电压表（量程6V，电阻20kΩ），

为电流表（量程0.6A，内阻图7

1Ω），E为电源（电动势8V，内阻不计），S为开关．

Ⅰ.在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于最______端；（填“左”或“右”）

Ⅱ.在实验过程中，已知各元件均无故障，但闭合开关S后，无论如何调节滑片P，电压表和电流表的示数总是调不到零，其原因是________点至________点的导线没有连接好；（图中的黑色小圆点表示接线点，并用数字标记，空格中请填写图7中的数字）

Ⅲ.该同学描绘出小电珠的伏安特性曲线示意图如图8所示，则小电珠

的电阻值随工作电压的增大而________．（填“不变”、“增大”或

“减小”）

答案　

（1）D　

（2）Ⅰ.左　Ⅱ.1　5（或5　1）　Ⅲ.增大

解析　

（1）因小电珠正常发光时的电阻R＝

＝

Ω＝12Ω，小电珠未接入电路的电阻要比正常发光时小得多（因温度的影响），故用多用电表测未接入电路的小电珠的电阻，应选D.

（2）Ⅰ.在实验时，闭合开关前，应使用电器的电压、电流为最小值，故应使滑片P置于最左端．

Ⅱ.若1点到5点未接好，则电路成为滑动变阻器的限流式电路．

Ⅲ.在I－U图象中的每一点与O点连线的斜率逐渐减小，即电阻的倒数减小，所以电阻增大．

3．（2011·山东理综·23

（2））某同学利用图9所示电路，探究了电源在不同负载下的输出功率．

图9

①所得实验数据如下表，请在图10上画出U－I图象.

U/V

1.96

1.86

1.80

1.84

1.64

1.56

I/A

0.05

0.15

0.25

0.35

0.45

0.55

图10

②根据所画的U－I图象，可求得电流I＝0.20A时电源的输出功率为__________W．（保留两位有效数字）

③实验完成后，该同学对实验方案进行了反思，认为按图9电路进行实验操作的过程中存在安全隐患，并对电路重新设计．在图11所示的电路中，你认为既能测出电源在不同负载下的输出功率，又能消除安全隐患的是________________．（Rx阻值未知）

图11

答案　①如图所示

②0.37　③bc

解析　①选择合适标度后描点，连接成图象时，应舍弃第四组数据点．

②在所画的U－I图象上读出与I＝0.2A对应的电压U值，根据P＝IU求解．

③题中“存在安全隐患”，意为缺乏保护措施．a电路中Rx起不到保护作用，d中Rx起保护作用，但不能测出电源的输出功率，b、c能满足题目要求，选b、c.

4．小亮同学为研究某电学元件（最大电压不超过2.5V，最大电流不超过0.55A）的伏安特性曲线，在实验室找到了下列实验器材：

A．电压表（量程是3V，内阻是6kΩ）

B．电压表（量程是15V，内阻是30kΩ）

C．电流表（量程是0.6A，内阻是0.5Ω）

D．电流表（量程是3A，内阻是0.1Ω）

F．滑动变阻器（阻值范围0～5Ω），额定电流为0.6A

G．滑动变阻器（阻值范围0～100Ω），额定电流为0.6A

H．直流电源（电动势E＝3V，内阻不计）

I．开关、导线若干

该同学设计电路并进行实验，通过实验得到如下数据（I和U分别表示电学元件上的电流和电压）.

I/A

0

0.12

0.21

0.29

0.34

0.38

0.42

0.45

0.47

0.49

0.50

U/V

0

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

（1）为了提高实验结果的准确程度，电流表选______；电压表选________；滑动变阻器选______．（以上均填写器材代号）

（2）请在下面的虚线框中画出实验电路图；

（3）在图12中描出该电学元件的伏安特性曲线；

图12

（4）据图中描出的伏安特性曲线可知，该电学元件的电阻随温度而变化的情况为：

________________________________________________________________________.

答案　

（1）C　A　F　

（2）见解析图　（3）见解析图　（4）元件电阻随温度升高而增大

解析　

（1）从表格中的实验数据可知，电流测量值I的范围为0～0.50A，电压测量值U的范围为0～2.00V，因此电流表应选C，电压表应选A.因为本实验要测量多组（U，I）值，需使电压U连续变化，因此，变阻器应接成分压式，且选阻值较小的滑动变阻器F.

（2）由表格中的数据，根据R＝

，估算电学元件的电阻值大约为几欧，因此电流表外接．电路图如图所示：

（3）如图所示

（4）由图象知，图线的斜率逐渐变小，因此随着温度的变化，电学元件的电阻逐渐增大．

5．在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验时，所用器材有：

电动势为6V的电源、额定电压为2.5V的小灯泡、以及符合实验要求的滑动变阻器、电表、开关和导线．要求能测出尽可能多组数据．图13是没有连接完整的实物电路．（已连接好的导线有a、b、c、d、e、f六根）

图13

（1）请你用笔画线代替导线，在原图中将实物电路连接完整；

（2）连好电路，闭合开关，移动变阻器滑片P，发现小灯泡始终不亮，但电压表有示数，电流表几乎不偏转，则故障的原因可能是____________________________________

________________________________________________________________________；

（3）排除故障后闭合开关，移动滑片P到某处，电压表的示数为2.2V，要测量小灯泡的额定功率，应将滑片P向____端滑动（选填“左”或“右”）；

（4）通过移动滑片P，分别记下了多组对应的电压表和电流表的读数，并绘制成了如图14所示的U－I图象．根据U－I图象提供的信息，可计算出小灯泡的额定功率是________W；

图14

（5）图线是曲线而不是过原点的直线，原因是____________________________________

________________________________________________________________________.

答案　

（1）连线如图所示

（2）c段导线断路或灯泡损坏

（3）右　（4）0.5　（5）小灯泡的电阻随温度的升高而增大