高考物理特训实验九　描绘小电珠的伏安特性曲线

第八单元实验九描绘小电珠的伏安特性曲线2023届1《高考特训营》·物理目标要求学科素养1.描绘小电珠的伏安特性曲线.2.分析小电珠伏安特性曲线的变化规律.3.应用小电珠的伏安特性曲线解决实际问题1.通过实验原理和操作，进一步提高实验电路的设计和应用能力.2.通过数据处理，提高用图象法分析实验数据，探寻物理规律的能力0102知识特训能力特训01知识特训知识必记基础必验一、实验原理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I－U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，就得到小电珠的伏安特性曲线．二、实验器材小电珠(3.8V，0.3A)或(2.5V，0.6A)一个、电压表(0～3V，0～15V)与电流表(0～0.6A，0～3A)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．三、实验步骤1．确定电流表、电压表的量程，电流表采用外接法，滑动变阻器采用分压接法，按图中的原理图连接好实验电路．2．把滑动变阻器的滑片移到图中a端，接线经检查无误后，闭合开关S.3．移动滑动变阻器滑片，测出多组不同的电压值U和对应的电流值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．[思维延伸]因为小电珠的电阻很小，所以电流表应采用外接法；为了使小电珠两端的电压能从零开始逐渐增加，滑动变阻器应采用分压接法．四、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．3．将描出的点用平滑的曲线连接起来，得到小电珠的伏安特性曲线．五、误差分析1．由于电压表不是理想电表，所以对电流的测量会带来系统误差．2．电流表、电压表的读数会带来偶然误差．3．在坐标纸上描点、作图时也存在误差．1．思考判断(1)因为小电珠的电阻较小，比较接近电流表的内阻，所以本实验电流表应采用外接法．(

)(2)若选择阻值较大的滑动变阻器，则采用限流接法也可以描绘小电珠的I－U曲线．(

)(3)实验时，小电珠两端的电压要缓慢增加，且每次通电时间不宜过长．(

)(4)在小电珠的I－U特性曲线上，某点切线的斜率表示该电压下小电珠的电阻的倒数．(

)√×√×2．(教材改编)有一个小电珠上标有“4V

2W”的字样，现在要用伏安法描绘这个电珠的伏安特性曲线．有下列器材供选用：A．电压表(0～5V，内阻10kΩ)B．电压表(0～10V，内阻20kΩ)C．电流表(0～0.3A，内阻1Ω)D．电流表(0～0.6A，内阻0.4Ω)E．滑动变阻器(5Ω，1A)F．滑动变阻器(500Ω，0.2A)(1)实验中电压表应选用________，电流表应选用________．(用序号字母表示)(2)为使实验误差尽量减小，要求小电珠电压从零开始变化且多测几组数据，滑动变阻器应选用________．(用序号字母表示)(3)请在虚线框内画出满足实验要求的电路图，并把下图所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图．答案：(1)A

D

(2)E

(3)见解析图(2)要求小电珠电压从零开始变化且多测几组数据，所以控制电路应采用滑动变阻器的分压接法，而分压接法中应选总阻值较小的滑动变阻器，故选用E.

02能力特训能力点1能力点2“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验的原理和设计与“伏安法测电阻”类似，只是把测定的电压U和电流I数据用来描点作图，描绘电学元件的伏安特性曲线．本实验的命题仍侧重对实验原理、电路连接、数据处理和实验操作注意事项等的考查，有时会结合电源的U－I图象确定电学元件的工作点，计算电功率等．能力点1教材原型实验的方法与技能典例1

(2017·全国卷Ⅰ)某同学研究小灯泡的伏安特性，所使用的器材有：小灯泡L(额定电压3.8V，额定电流0.32A)；电压表V(量程3V，内阻3kΩ)；电流表A(量程0.5A，内阻0.5Ω)；固定电阻R0(阻值1000Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0Ω)；电源E(电动势5V，内阻不计)；开关S；导线若干．

(1)实验要求能够实现在0～3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量，画出实验电路原理图．(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示．由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻________(选填“增大”、“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率________(选填“增大”、“不变”或“减小”)．(3)用另一电源E0(电动势4V，内阻1.00Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路图，调节滑动变阻器R的阻值，可以改变小灯泡的实际功率．闭合开关S，在R的变化范围内，小灯泡的最小功率为________W，最大功率为________W．(结果均保留2位小数)[解法指导](1)实验要求小灯泡的电压能在0～3.8V的范围内调节，所以需考虑滑动变阻器的的连接方式，电压表需扩大量程．(2)根据确定工作点的思路：答案：(1)见解析(2)增大增大(3)0.39

1.20解析：(1)要实现在0～3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量，则滑动变阻器需要设计成分压接法；电压表V与固定电阻R0串联后可将电压表的量程扩大为4V．由于小灯泡正常发光时的电阻约为12Ω，所以需将电流表外接，电路如图所示．(2)由小灯泡的伏安特性曲线可知，随着电流的增加，小灯泡的电阻增大．根据电阻定律可知，灯丝的电阻率增大．(3)当滑动变阻器接入电路中的阻值最大为9.0Ω时，流过小灯泡的电流最小，小灯泡的实际功率最小．根据闭合电路的知识可知，小灯泡两端的电压U、电流I满足U＝E－I(r＋R)，即U＝－10I＋4，在题图(a)中画出相应的I－U图线如图中Ⅰ所示，故小灯泡的最小功率Pmin＝U1I1＝1.75×0.225W≈

0.39W．当滑动变阻器接入电路中的阻值最小为零时，流过小灯泡的电流最大,小灯泡的实际功率最大，同理，此时小灯泡两端的电压U、电流I满足U＝4－I,图线如图中Ⅱ所示，故小灯泡的最大功率Pmax＝U2I2＝3.68×0.325W≈1.20W.

(2021·全国甲卷)某同学用图(a)所示电路探究小灯泡的伏安特性，所用器材有：小灯泡(额定电压2.5V，额定电流0.3A)；电压表(量程300mV，内阻300Ω)；电流表(量程300mA，内阻0.27Ω)；定值电阻R0；滑动变阻器R1(阻值范围0～20Ω)；电阻箱R2(最大阻值9999.9Ω)；电源E(电动势6V，内阻不计)；开关S、导线若干．完成下列填空：(1)有3个阻值分别为10Ω、20Ω、30Ω的定值电阻可供选择，为了描绘小灯泡电流在0～300mA的U－I曲线，R0应选取阻值为________Ω的定值电阻．(2)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于变阻器的________(选填“a”或“b”)端．(3)在流过电流表的电流较小时，将电阻箱R2的阻值置零，改变滑动变阻器滑片的位置，读取电压表和电流表的示数U、I，结果如图(b)所示．当流过电流表的电流为10mA时，小灯泡的电阻为________Ω(结果保留1位有效数字)．

(4)为使得电压表满量程时对应于小灯泡两端的电压为3V，该同学经计算知，应将R2的阻值调整为________Ω.然后调节滑动变阻器R1，测得数据如下表所示：U/mV24.046.076.0110.0128.0I/mA140.0160.0180.0200.0220.0U/mV152.0184.0216.0250.0

I/mA240.0260.0280.0300.0

(5)由图(b)和上表可知，随流过小灯泡电流的增加，其灯丝的电阻________(选填“增大”、“减小”或“不变”)．答案：(1)10

(2)a

(3)0.7

(4)2700

(5)增大(6)0.074

10(2)为了保护电路，闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于变阻器的a端．

与“伏安法测电阻”类似，在描绘电学元件的伏安特性曲线时，为减小或消除系统误差，仍需考虑电流表的内接法和外接法，为得到合理的数据分布，仍需考虑滑动变阻器的分压接法和限流接法．当电压表或电流表的量程不满足要求时，可通过串联或并联电阻来扩大量程．“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验的拓展与创新点主要有以下几点：1．实验器材的改装．例如，当电压表或电流表的量程不够时，若内阻已知，可结合定值电阻进行改装，以扩大量程．2．实验目的的变化．例如，探究小灯泡的电功率P和电压U的关系，其本质仍是测量在不同电压下的电流I，由P＝UI得到相应的电功率．3．研究对象的变化．利用“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验方法可探究一些非线性电学元件的伏安特性曲线，如发光二极管、电动机等．能力点2实验的拓展与创新典例2

(2020·江苏卷)某同学描绘一种电子元件的I－U关系图象，采用的实验电路图如图1所示，V为电压表，mA为电流表，E为电源(电动势约6V)，R为滑动变阻器(最大阻值20Ω)，R0为定值电阻，S为开关．(1)请用笔画线代替导线，将图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U/V0.0000.2500.5000.6500.7000.7250.750电流I/mA0.000.100.250.601.704.307.50请根据表中的数据，在下面的方格纸上作出该元件的I－U图线．(3)根据作出的I－U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R0，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[解法指导]本实验的电流表采用外接法，滑动变阻器采用分压接法，连接实物时应按照“两个回路”的电流流向依次连接；描绘I－U图线时，要用平滑的曲线将各数据点连接起来；定值电阻R0对待测元件起保护作用，同时也增加了滑动变阻器的调节范围．答案：(1)(2)见解析图(3)非线性(4)BC解析：(1)根据电路图连接实物图如图所示．(2)根据表格中各数据描点，并用平滑的曲线连接各点，得到对应的I－U图线如图所示．(3)根据以上得到的I－U图象可知，该元件是非线性元件．(4)根据该元件的伏安特性曲线可知，当所加电压超过一定数值时，通过该元件的电流会急剧增大，即电阻会急剧减小，若用导线代替定值电阻R0，可能会烧坏待测元件．定值电阻R0对电流表和电压表的测量误差无影响，故A错误，B正确；根据实验数据可知，给待测元件所加的电压最大不超过1V，而电源的电动势为6V，如果用导线代替R0，会导致滑动变阻器的调节范围变得非常小，从而给实验操作带来困难