届高考物理一轮复习讲义第八章 恒定电流实验九 描绘小灯泡的伏安特性曲线 含答案.docx

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届高考物理一轮复习讲义第八章恒定电流实验九描绘小灯泡的伏安特性曲线含答案

实验九　描绘小灯泡的伏安特性曲线

板块一　主干梳理·夯实基础

　实验原理与操作

◆　实验目的

1.描绘小灯泡的伏安特性曲线.

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灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，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：

因为小灯泡的电阻很小，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

小灯泡（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，测出多组不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S.

4.拆除电路，整理仪器.

　数据处理与分析

◆　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，就得到小灯泡的伏安特性曲线.

◆　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）该用电器的实际最大电流不能大于用电器的额定电流.

（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.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，以防出现较大误差.

5.电流表选择0.6A量程，电压表量程选择视小灯泡的额定电压而定.

（1）若使用“3.8V　0.3A”的小灯泡，选用电压表的15V量程.

（2）若使用“2.5V　0.6A”的小灯泡，则选用电压表的3V量程.

6.当小灯泡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.

板块二　考点细研·悟法培优

考点1实验原理与器材的选取

例1　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方框中.

（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.

　[2017·茂名一模]现要用伏安法描绘一只标值为“2.5V,0.6W”小灯泡的IU图线，有下列器材供选用：

A.电压表（0～3V，内阻3kΩ；0～15V，内阻10kΩ）

B.电流表（0～0.6A，内阻0.5Ω；0～3A，内阻0.1Ω）

C.滑动变阻器（10Ω，2A）

D.滑动变阻器（100Ω，1.0A）

E.蓄电池（电动势6V，内阻不计）

（1）为了减小测量误差，图甲中的S1应接________（填“M”或“N”），滑动变阻器应选用________（用序号字母表示）.

（2）根据你选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需电路图.

答案　

（1）M　C　

（2）图见解析

解析　

（1）由电路图可知，电路采用了滑动变阻器分压接法；因灯泡内阻较小，故电流表采用外接法；故S1应接在M点；因采用分压接法，故滑动变阻器采用小电阻，应选用C.

（2）根据实验原理图画出实物图如图所示.

考点2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.（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.

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.

　[2017·河南郑州二模]在探究小灯泡的伏安特性曲线时，所用小灯泡上标有“2.5V,0.6W”字样，实验室提供的器材有：

A.电流表A1（内阻约为5Ω、量程为0～25mA）

B.电流表A2（内阻约为1Ω，量程为0～300mA）

C.电压表V1（内阻约为5kΩ、量程为0～3V）

D.电压表V2（内阻约为15kΩ、量程为0～15V）

E.滑动变阻器R1（最大阻值为10Ω、额定电流为0.6A）

F.滑动变阻器R2（最大阻值为1000Ω、额定电流为0.2A）

G.稳压电源E（电动势为9.0V、内阻可忽略）

H.开关一个、定值电阻若干、导线若干

由以上信息回答下列问题：

（1）实验前设计的电路图如图甲所示.为了减小实验误差，该实验所用的电流表、电压表、滑动变阻器应分别为________（选填器材前的字母）.为保护滑动变阻器和灯泡，应在电路中串联的定值电阻R0合适的电阻值应为________（选填“1Ω”“10Ω”“30Ω”或“100Ω”）.

（2）请确定测量电路中电压表右侧导线的正确位置后，在图乙中用笔画线代替导线，将实物完整连接起来.

（3）连接好电路后，通过改变滑动变阻器的滑片位置，并通过计算机描绘了该小灯泡的伏安特性曲线如图丙所示.若将两个这样的小灯泡并联后直接接在电动势E＝3V、内电阻r＝5Ω的电源上，每个小灯泡所消耗的实际功率为________W.（结果保留两位有效数字）

答案　

（1）B、C、E　10Ω　

（2）如图所示

（3）0.22（0.21～0.23）

解析　

（1）小灯泡的额定电压为2.5V，电压表选C；小灯泡的额定电流I＝

＝0.24A＝240mA，电流表选B；滑动变阻器采用分压式，选最大阻值较小的E.为保护滑动变阻器和灯泡，又方便调节小灯泡两端电压在0～2.5V，保护电阻选阻值为10Ω的定值电阻.

（2）由题意可知小灯泡的阻值R≈10.4Ω，有R<

，电流表采用外接法，实物连接图见答案图.

（3）两灯泡并联在电源两端，设路端电压为U，通过每个灯泡的电流为I，则由闭合电路欧姆定律得U＝E－2Ir，在灯泡伏安特性曲线中作出U＝E－2Ir对应的UI图线，如图所示，则由图可知，此时灯泡两端电压约为1.2V，电流约为0.18A，则功率为P＝UI≈1.2×0.18W≈0.22W.

考点3实验创新与改进

例3　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”、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）图见解析　

（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）.