实验九　测绘小电珠的伏安特性曲线（解析版）2021年高考物理必考实验专题突破

1 实验九　测绘小电珠的伏安特性曲线（解析版） 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)图线的斜率反映电流与电压和温度的关系。 2.实验器材 　　学生电源(4 V~6 V 直流)或电池组、小电珠(3.8 V　0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐 标纸、导线若干。 3.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,按实验原理图连接好 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)移动滑动变阻器的滑片,测出 14 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中,断开 开关 S。 U/V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 I/A U/V 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0 I/A 　　(4)拆除电路,整理仪器。 4.数据处理 　　(1)在坐标纸上以 U 为横轴,以 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)。2 (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。 5.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、作图带来的误差。 6.注意事项 　　(1)电路的连接方式 ①电流表应采用外接法:小电珠(3.8 V　0.3 A)的电阻很小,与 0~0.6 A 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,滑动变阻器的滑片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 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=1.0 V 左右将发生明显弯曲,故在 U=1.0 V 左右绘点要密,以防出现较大误差。 (4)当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加,到额定值记录 I 后马上断开开关。 (5)误差较大的点舍去,I-U 图线应是平滑曲线而非折线。 【最新高考真题解析】 1.（2020 年全国 II 卷）某同学要研究一小灯泡 L（3.6 V，0.30 A） 伏安特性。所用器材有：电流表 A1 （量程 200 mA，内阻 Rg1=10.0 Ω），电流表 A2（量程 500 mA，内阻 Rg2=1.0 Ω）、定值电阻 R0（阻值 R0=10.0 Ω）、滑动变阻器 R1（最大阻值 10 Ω）、电源 E（电动势 4.5 V，内阻很小）、开关 S 和若干导线。该 同学设计的电路如图（a）所示。 （1）根据图（a），在图（b）的实物图中画出连线______。 （2）若 I1、I2 分别为流过电流表 A1 和 A2 的电流，利用 I1、I2、Rg1 和 R0 写出：小灯泡两端的电压 U=_______，流过小灯泡的电流 I=_______。为保证小灯泡的安全，I1 不能超过_______mA。 （3）实验时，调节滑动变阻器，使开关闭合后两电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片位置并读取 的3 相应的 I1 和 I2。所得实验数据在下表中给出。 I1/mA 32 55 85 125 144 173 I2/mA 171 229 299 379 424 470 根据实验数据可算得，当 I1=173 mA 时，灯丝电阻 R=_______Ω（保留 1 位小数）。 （4）如果用另一个电阻替代定值电阻 R0，其他不变，为了能够测量完整的伏安特性曲线，所用电阻的阻值 不能小于_______Ω（保留 1 位小数）。 【答案】 (1). (2). (3). (4). 180 (5). 11.6 (6). 8.0 【解析】 【详解】（1）根据电路图连接实物图如图所示 （2）①根据电路图可知灯泡两端的电压为电流表 A1 和 R0 的总电压，故根据欧姆定律有 ②根据并联电路特点可知流过小灯泡的电流为 ③因为小灯泡的额定电压为 3.6V，故根据题目中已知数据带入①中可知 I1 不能超过 180mA； （3）根据表中数据可知当 I1=173mA 时，I2=470mA；根据前面的分析代入数据可知此时灯泡两端的电压为 U=3.46V；流过小灯泡的电流为 I=297mA=0.297A；故根据欧姆定律可知此时小灯泡的电阻为 ( )1 1 0gI R R+ 2 1I I− ( )1 1 0gU I R R= + 2 1I I I= −4 （4）要测量完整的伏安特性曲线则灯泡两端的电压至少要达到 3.6V，而电流表 A1 不能超过其量程 200mA，此时结合①有 解得 ，即要完整的测量小灯泡伏安特性曲线所用电阻的阻值不能小于 。 2.（2020 年江苏卷）某同学描绘一种电子元件的 关系图象，采用的实验电路图如题图 1 所示，V 为 电压表， mA 为电流表，E 为电源（电动势约 ），R 为滑动变阻器（最大阻值 ）， 为定值电阻，S 为开关。 (1)请用笔画线代替导线，将题图 2 所示的实物电路连接完整____________。 (2)调节滑动变阻器，记录电压表和电流表的示数如下表： 电压 0.000 0.250 0.500 0.650 0.700 0.725 0.750 电流 0.00 0.10 0.25 0.60 1.70 4.30 7.50 请根据表中的数据，在方格纸上作出该元件的 图线____________。 (3)根据作出的 图线可知，该元件是_________（选填“线性”或“非线性”）元件。 (4)在上述测量中，如果用导线代替电路中的定值电阻 ，会导致的两个后果是_________。 A．电压和电流的测量误差增大 B．可能因电流过大烧坏待测元件 3.46 Ω 11.6Ω0.297 UR I= = = ( )03.6 0.2 10 R= ´ + 0 8ΩR = 8Ω I U− 6V 20Ω 0R / VU / mAI I U− I U− 0R5 C．滑动变阻器允许的调节范围变小 D．待测元件两端电压的可调节范围变小 【答案】 (1). (2). (3). 非线性元件 (4). BC 【解析】 【详解】(1)[1]根据题意连接电路如图 (2)[2]根据表格中数据描点，并用平滑的曲线连接各点如图 (3)[3]根据图像可知该元件是非线性元件。 (4)[4]AB． 图线上某点与原点连线的斜率为 ，根据元件的特性可知，当电压超过一定数值时，电流 会急剧增大，所以电阻会急剧减小，若用导线代替 ，电流急剧增大，可能会烧坏待测元件，对电流表和 电压表的测量误差无影响，A 错误，B 正确； CD．根据图像可知待测元件 电压范围小于 ，而电源电动势为 ，因为待测元件两端电压非常小， 如果用导线代替 ，会导致滑动变阻器的调节范围变得非常小，难以调节，C 正确，D 错误。 故选 BC。 【典例 1】要测绘一个标有“3 V　0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线,小灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到 3 的 I U− 1 R 0R 1V 6V 0R6 V,并便于操作。已选用的器材有: 电池组(电动势为 4.5 V,内阻约为 1 Ω); 电流表(量程为 0~250 mA,内阻约为 5 Ω); 电压表(量程为 0~3 V,内阻约为 3 kΩ); 开关一个、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(最大阻值为 20 Ω,额定电流为 1 A) B.滑动变阻器(最大阻值为 1750 Ω,额定电流为 0.3 A) (2)实验的电路图应选用下列四个电路图中的　　　　(填字母代号)。 (3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图甲所示。如果将这个小灯泡接到电动势为 1.5 V,内阻为 5 Ω的电源 两端,小灯泡消耗的功率是　　　　W。 【解析】(1)测绘小电珠的伏安特性曲线,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小、额定电流大的,故选 A。 (2)电珠的电阻 R=푈2 푃 =15 Ω,额定电流I=푃 푈=0.2 A,由 R=15 Ω< 푅A푅V= 15000 Ω,依据“大内小外”的原 则,可知电流表应采用外接法,B 项正确。 (3)在小电珠的 I-U 图象上作出电源的 I-U 图线,如图乙所示,交点坐标为这个电源给这个小电珠供电时 的电压和电流,此时 P 电珠=IU=0.10×1.0 W=0.1 W。7 乙 【答案】(1)A　(2)B　(3)0.1 【针对训练 1】在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,除小灯泡 L“3.8 V　0.3 A”外,可供选择的实 验仪器如下: A.电压表 :量程 0~3 V,内阻约为 6 kΩ B.电流表 :量程 0~4 mA,内阻为 100 Ω C.电流表 :量程 0~300 mA,内阻约为 5 Ω D.滑动变阻器 R1:最大阻值为 10 Ω,额定电流为 1.0 A E.滑动变阻器 R2:最大阻值为 5 Ω,额定电流为 0.5 A F.定值电阻 R3:阻值为 2 kΩ G.定值电阻 R4:阻值为 900 Ω H.直流电源 E:电动势约为 6 V,内阻约为 0. 5 Ω I.开关 S 一个,导线若干 (1)先将　　　　(选填元件前的序号字母)与　　　　(选填元件前的序号字母)电阻　　　　(选填“串联” 或“并联”),将其改为量程为 4 V 的电压表。 (2)在虚线框内画出实验电路图(改装后的电压表直接用电压表的符号表示)。 (3)其中,滑动变阻器应选　　　　;电流表应选　　　。(均填元件前的序号字母) (4)某实验小组完成实验后,利用实验得到的数据描绘出如图甲所示的小灯泡的伏安特性曲线。根据此图给 出的信息,可以判断:图乙所示的该小灯泡的P-U2或P-I2图线中(P为小灯泡的功率),可能正确的是　　　　。 8 【解析】(1)直流电源电动势约为 6 V,题干所述电压表最大量程为 3 V,所以需要改装出一个量程较大的 电压表。改装成电压表需要给 串联一个电阻,其电阻 R=푈 퐼g -Rg= 4 0.004 Ω-100 Ω=900 Ω。 (2)测绘小灯泡的伏安特性曲线要求电压从零开始连续变化,所以滑动变阻器要采用分压式接法。小灯 泡 L“3.8 V　0.3 A”的电阻Rx=푈 퐼 =3.8 0.3 Ω≈13 Ω,远小于电压表的内阻,所以用电流表外接法,电路图如图丙 所示。 丙 　　(3)若选用滑动变阻器 R2,则通过滑动变阻器的 最小电流 I= 퐸 푟 + 푅2 = 3.8 0.5 + 5 A≈0.7 A,大于滑动变阻器R2 的额定电流,所以滑动变阻器应选 R1,即 D。小灯泡的额 定电流为 0.3 A,所以电流表应选 C。 (4)由图甲可知,小灯泡电阻逐渐增大,根据 P=푈2 푅 可知,P-U2 图象的斜率应逐渐减小,B 项正确;根据 P=I2R 可知,P-I2 图象的斜率应逐渐增大,D 项正确。 【答案】(1)B　G　串联　(2)电路图如图丙所示　(3)D　C　(4)BD 【典例 2】某物理学习小组要描绘一只小灯泡(2.5 V　1.2 W)的伏安特性曲线,有下列器材供选用: A.电压表(0~3 V,内阻为 6 kΩ) B.电压表(0~15 V,内阻为 30 kΩ) C.电流表(0~3 A,内阻为 0.1 Ω) D.电流表(0~0.6 A,内阻为 0.5 Ω) E.滑动变阻器(0~10 Ω,允许通过的最大电流为 5 A) F.滑动变阻器(0~1 kΩ,允许通过的最大电流为 0.1 A)9 G.电源(3 V,内阻不计) H.开关一个,导线若干 (1)电压表应选用　　　　,电流表应选用　　　　,滑动变阻器应选用　　　　。(用序号字母表示) (2)如图甲所示,图中有几根导线已经接好,为完成本实验,请用笔画线代替导线,将电路补画完整,要求实验 误差尽可能小。 (3)下表中的数据是该小组在实验中测得的,请在图乙坐标纸上补齐未画出的数据点,用“×”表示,并绘出 I-U 图线。根据 I-U 图象可知,该小灯泡灯丝温度升高时,电阻　　　　(选填“变大”或“变小”)。 U/V 0.00 0.40 0.80 1.00 1.20 I/A 0.00 0.17 0.27 0.30 0.35 U/V 1.50 1.80 2.00 2.20 2.50 I/A 0.39 0.43 0.45 0.47 0.48 【解析】(1)灯泡额定电压是 2.5 V,电压表应选 A;灯泡额定电流 I=1.2 2.5 A=0.48 A,电流表选 D;为方便实 验操作,滑动变阻器应选总阻值较小的 E。 (2)测绘小灯泡伏安特性曲线时,电压与电流应从零开始变化,滑动变阻器应采用分压接法;灯泡正常发 光时的电阻较小,故电流表应采用外接法,连接实物图如图丙所示。10 丙 (3)根据描点法得出对应的图象如图丁所示。 丁 由图可知,电阻随温度的升高而增大。 【答案】(1)A　D　E　(2)如图丙所示　(3)如图丁所示　变大 【针对训练 2】某同学使用如下器材:电源 E(电动势为 12 V);电压表 (量程为 15 V,内阻约为 15 kΩ);电流 表 (量程为 100 mA,内阻约为 10 Ω);滑动变阻器(最大阻值为 50 Ω);单刀单掷开关;导线若干。测出了一 个小灯泡的伏安特性曲线如图甲所示,已知小灯泡的额定电压为 12 V。 甲 (1)在实验中要尽可能提高实验精度,所用的实验电路图应选图乙中的(　　)。11 乙 (2)请根据所选的实验电路图在图丙的实物图上连线。 丙 (3)由小灯泡的伏安特性曲线可求得小灯泡的额定功率 P=　　　　W。 (4)由小灯泡的伏安特性曲线可知小灯泡的电阻在较低电压(0~2 V)区域几乎不变,在较高电压(7 V~10 V)区 域内小灯泡的电阻会随电压的增大而　　　　(选填“增大”“不变”或“减小”)。小灯泡在低电压(0~2 V) 区域和高电压(7 V~10 V)区域伏安特性曲线表现出不同规律的原因是　　　　　　　　　　　　　。 【解析】(1)由 I-U 图象知电压与电流从零开始,故滑动变阻器应用分压式接法,小灯泡电阻 R< 푅A푅V, 故电流表应用外接法,电路图应选图乙中的 C。 (2)连线如图丁所示。 丁 (3)由小灯泡的伏安特性曲线可读出当 U=12 V 时,I=95 mA,由 P=UI 得小灯泡的额定功率 P=12×0.095 W=1.14 W。 (4)I-U图线上某点与原点连线的斜率的倒数表示电阻,在 7 V~10 V 区域内,连线的斜率变小,故小灯泡的12 电阻随电压的增大而增大,其原因是低压区域电阻丝发热与散热几乎相等,电阻率 ρ 不变,在高压区域灯丝 的发热量大于散热量,温度升高,电阻率 ρ 变大,则灯丝电阻变大。 【答案】(1)C　(2)如图丁所示　(3)1.14 (4)增大　低压区域灯丝发热与散热几乎相等,电阻率 ρ 不变,高压区域发热量大于散热量,电阻率 ρ 变大 【典例 3】实验室备有以下器材:电压传感器、电流传感器、滑动变阻器 R1(阻值变化范围为 0~20 Ω)、滑动 变阻器 R2(阻值变化范围为 0~1000 Ω)、电动势适当的电源、小灯泡(4 V　2 W)、开关、导线若干。 (1)要完整地描绘小灯泡的 U-I 曲线,请在图甲中画出实验电路图,并标出所用滑动变阻器的符号。 　　　甲　　　　　　　　　　　　　　乙　　　　　　 (2)实验中描绘出的小灯泡 U-I 曲线如图乙所示,由图乙可知,小灯泡灯丝电阻随温度升高而　　　　。(选 填“增大”“减小”或“不变”) (3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内阻,实验电路如图丙所示,图中 R0 是阻值为 9.0 Ω 的保护电 阻,实验中测得多组数据记录在下表中,试在同一坐标系中画出等效电源的 U-I 图象,由图象可求出电源自身 内阻约为　　　　Ω。 序号 1 2 3 4 5 6 U/V 4.00 3.40 2.80 2.00 1.50 0.80 I/A 0.20 0.25 0.33 0.40 0.46 0.52 丙　　　　　　　丁13 (4) 若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路, 如图丁所示, 此时小灯泡消耗的电功率约为 　　　　 W。(结果保留 2 位有效数字) 【解析】(1)要描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压与电流应从零开始变化,滑动变阻器要采用分压式接法, 为便于操作应用电阻较小的 R1,由于小灯泡的阻值较小,电流传感器应用外接法,电路图如图戊所示。 　　戊　　　　　　　　　　　　　　　己　　　　 (2)由图乙所示的 U-I 图象可知,随电压与电流的增大,灯泡实际功率增大,灯丝温度升高,电压与电流的 比值增大,灯丝电阻增大,由此可知,小灯泡灯丝电阻随温度升高而增大。 (3)根据表中实验数据作出等效电源的 U-I 图象如图己所示,由图示图象可知,电源内阻 r=Δ 푈 Δ 퐼 -R0= ( 6 0.6 - 9.0)Ω=1.0 Ω。 (4)由图示图象可知,两图线交点为灯泡实际工作状态点,灯泡两端电压为 2.1 V,电流为 0.39 A,灯泡的 电功率 P=UI=2.1×0.39 W≈0.82 W。 【答案】(1)电路图如图戊所示　(2)增大　(3)如图己所示　1.0　(4)0.82 【针对训练 3】某同学想要描绘标有“3.8 V　0.3 A”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 (量程 0~3 V,内阻等于 3 kΩ) 电压表 (量程 0~15 V,内阻等于 15 kΩ) 电流表 (量程 0~200 mA,内阻等于 10 Ω) 电流表 (量程 0~3 A,内阻等于 0.1 Ω) 滑动变阻器 R1(0~10 Ω,额定电流 2 A) 滑动变阻器 R2(0~1 kΩ,额定电流 0.5 A) 定值电阻 R3(阻值等于 1 Ω) 定值电阻 R4(阻值等于 10 Ω) 定值电阻 R5(阻值等于 1 kΩ) 电源 E(E=6 V,内阻不计)14 (1)请在虚线框中画出实验电路图,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　　　　。 【解析】(1)题目要求绘制曲线完整应选用分压式接法,又 R 灯=푈 퐼 ≈13 Ω,所以滑动变阻器应选 R1,由于 灯泡额定电压为 3.8 V, 量程为 15 V 太大,不宜选用, 量程略小,串联电阻 R5 改装成 4 V 量程正合适。由 于灯泡额定电流为 0.3 A, 量程太大,不宜选用, 量程略小,并联 R4 改装成 0.4 A 量程正合适。改装后 RA'=5 Ω,RV'=4 kΩ,R 灯< 푅A'푅V',应选用电流表外接法,如图所示。 (2)小灯泡灯丝为金属,温度升高电阻增大,只有 B 项正确。 【答案】(1)如图所示　(2)B