高考物理创新（基础课能力课实验课）版第八章恒定电流实验八

实验八描绘小灯泡的伏安特性曲线注意事项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连接本实验要作出U－I图象，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.保护元件安全：为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于图中的a端。加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压。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。

热点一实验原理与实验操作【例1】(2017·镇江一模)有一个额定电压为3.8V，额定功率约为1W的小灯泡，现要用伏安法描绘这只灯泡的I－U图线，有下列器材可供选用：A.电压表V1(0～6V、内阻约为5kΩ)B.电压表V2(0～15V、内阻约为30kΩ)C.电流表A1(0～3A、内阻约为0.1Ω)D.电流表A2(0～0.6A、内阻约为0.5Ω)E.滑动变阻器R1(10Ω、5A)F.滑动变阻器R2(200Ω、0.5A)G.蓄电池(电动势6V、内阻不计)H.开关、导线(1)请在方框内画出该实验的原理电路图。(2)实验中，电压表选________，电流表选________，滑动变阻器选________。(用序号字母表示)(3)测得该灯泡的伏安特性曲线如图所示。由图线可求得此灯泡在正常工作时的电阻为________Ω；若将此灯泡与电动势12V、内阻为1Ω的电源相连，要使灯泡正常发光，需串联一个阻值为________Ω的电阻。(结果保留2位有效数字)解析(1)描绘伏安特性曲线，电压、电流从零开始变化，所以滑动变阻器选用分压式；根据R<eq\r(RARV)说明小灯泡是小电阻，采用电流表外接法。(2)根据小灯泡的额定电压和额定电流，电压表选A，电流表选D，滑动变阻器分压式应选用阻值小的E。(3)正常工作的电阻即为图中电压为3.8V时的电阻，为R＝eq\f(3.8,0.24)Ω＝15.83Ω≈16Ω，根据闭合电路欧姆定律计算出串联电阻阻值Rx＝eq\f(E,I)－r－R＝eq\f(12,0.24)Ω－1Ω－15.83Ω≈33Ω。答案(1)见解析图(2)ADE(3)1633热点二数据处理与分析【例2】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1甲所示，现已完成部分导线的连接。图1(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)。解析(1)电流表示数要从零开始逐渐增大，滑动变阻器要用分压接法，如图甲所示。甲(2)电流表示数为0.44A。(3)当外电路的总电阻与电源内阻相等时，电源有最大的输出功率，即小电珠的总功率最大，此时R外＝r＝1Ω，I＝eq\f(E,R外＋r)＝eq\f(3,2)A＝1.5A，U外＝eq\f(E,2)＝1.5V，即每只小电珠两端的电压为1.5V，通过图象可知每只小电珠的电流为I0＝0.38A，n＝eq\f(I,I0)≈4(只)；通过每只小电珠的电流为I0，两端电压为U，根据闭合电路欧姆定律得：U＋nI0r＝E，而U＋4I0＝3V，U＝－4I0＋3V，如图乙所示，图线的交点纵、横坐标分别为U≈1.5V，I0≈0.38A，P＝UI0＝0.57W，P总＝nP＝4×0.57W＝2.28W。乙答案(1)见解析图甲(2)0.44(3)42.28热点三实验的改进与创新以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放性、探究性等特点。1.以实验原理及实验方法为基础，探究小灯泡功率与电压的关系。2.实验对象的变迁3.数据处理方式的改进采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理。【例3】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。图2(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2(a)所示，读数为________Ω。据此应选择图2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。图3(3)图3(a)是根据实验数据作出的U－I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3(b)所示。闭合S1和S2，电压表读数为3.00V；断开S2，读数为1.00V，结合图3(a)的数据可算得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)。解析(1)欧姆表的读数R＝示数×倍率，得R＝10Ω；根据实验电路产生误差的原因知应选用电流表外接，故选择“b”电路进行实验。(2)滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，R左增大，待测电阻两端的电压增大，所以电流表的示数增大。(3)根据伏安特性曲线知，X为线性元件，Y为非线性元件，且RX＝10Ω。(4)由闭合电路欧姆定律：S1、S2均闭合，有U1＝eq\f(E,RX＋r)RXS1闭合，S2断开，有U2＝eq\f(E,RX＋R＋r)RX解以上两式得r＝0.50Ω，E≈3.2V答案(1)10b(2)增大(3)Y(4)3.20.50【例4】为了探究某电阻Rt在不同温度下的阻值，某同学设计了如图4所示的电路，其中A为内阻不计、量程为3mA的电流表，E1为电动势为1.5V、内阻约为1Ω的电源，R1为滑动变阻器，R2为电阻箱，S为单刀双掷开关。图4(1)实验室中提供的滑动变阻器有两个：RA(0～150Ω)，RB(0～500Ω)，本实验中滑动变阻器R1应选用________(选填“RA”或“RB”)。(2)完成下面实验步骤：①调节温度，使Rt的温度达到t1；②将S拨向接点1，调节________，使电流表的指针偏转到适当位置，记下此时电流表的读数I；③将S拨向接点2，调节________，使电流表的读数仍为I，记下此时电阻箱的读数R0，则当温度为t1时，电阻Rt＝________；④改变Rt的温度，重复步骤②③，即可测得电阻Rt的阻值随温度变化的规律。(3)现测得电阻Rt随温度t变化的图象如图5甲所示。把该电阻与电动势为3.0V、内阻不计的电源E2，量程为3.0V的理想电压表V(图中未画出)和电阻箱R2连成如图乙所示的电路，用该电阻作测温探头，将电压表的电压刻度改为相应的温度刻度，就得到了一个简单的“电阻温度计”。若要求电压表的读数必须随温度的升高而增大，则应在原理图乙中________(选填“a、b”或“b、c”)两点接入电压表。如果电阻箱阻值R2＝75Ω，则电压表刻度盘2.0V处对应的温度数值为________℃。图5解析(1)由电源的电动势为1.5V，电流表量程为3mA可知，达到满偏时，电路总电阻约为500Ω，故滑动变阻器选择RB。(2)实验中选用替代法测量电阻，第二步中，先将S拨向接点1，调节滑动变阻器R1，记录电流表读数；然后将S拨向接点2，调节电阻箱R2，使电流表读数仍为I，此时电阻箱的读数即为待测电阻的阻值，即Rt＝R0。(3)由于电阻Rt随温度升高而增大，由闭合电路欧姆定律可知其两端电压也增大，所以电压表与之并联，即电压表接在b、c两点。根据题图甲中图象可得Rt＝(100＋t)Ω，由串联分压规律可得电压表示数为2.0V时，Rt＝150Ω，解得t＝50℃。答案(1)RB(2)②R1③R2R0(3)b、c50如图6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。图6(1)根据图6在虚线框内画出实验电路图；(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7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________。图7解析(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线需要测量电压范围大，变阻器用分压接法，小灯泡电阻比较小，电流表要外接，电路图如图所示。(2)电流表量程为0.6A时，最小刻度为0.02A，读数读到小数点后两位，所以①表示数为0.10A，②表示数为0.24A；电压表量程为3V，最小刻度为0.1V，应估读到0.01V，所以③表示数为2.00V，④表示数为0.27V，由电路可知，U大则I大，U小，I就小，根据欧姆定律R1＝eq\f(U1,I1)＝eq\f(2.00V,0.24A)＝8.3Ω，R2＝eq\f(U2,I2)＝eq\f(0.27,0.1)Ω＝2.7Ω。答案(1)见解析(2)①0.10A②0.24A③2.00V④0.27V(0.27±0.01均可)；8.3Ω(8.3±0.1均可)2.7Ω(2.7±0.1均可)活页作业(时间：30分钟)1.(2017·江苏省南通市、泰州市、扬州市高三第三次模拟考试)为描绘小灯泡的伏安特性曲线，实验室备有下列器材：A.小灯泡(额定电压6V，额定电流600mA)B.电流表A1(量程0～0.6A，内阻约为0.5Ω)C.电流表A2(量程0～3A，内阻约为0.1Ω)D.电压表V(量程0～6V，内阻约为10kΩ)E.滑动变阻器R1(0～10Ω，2A)F.滑动变阻器R2(0～100Ω，1.5A)G.直流电源E(约6V)H.开关、导线若干(1)实验中电流表应选用________，滑动变阻器应选用________。(以上均填器材代号)(2)请用笔画线代替导线，将图1甲电路连接完整。图1(3)实验电路连接正确，闭合开关，从最左端向右端调节滑动变阻器滑片，记录电流表和电压表相应示数，根据实验数据在坐标系中描点如图乙所示，则电路发生的故障是________________。解析(1)小灯泡的额定电流为600mA，则实验中电流表应选用A1，伏安特性曲线的电流、电压应从(0，0)取起，则滑动变阻器应采用分压式，为使分压电路上的电压比较稳定，滑动变阻器应选小阻值的R1。(2)为使伏安特性曲线的电流电压从(0，0)取起，滑动变阻器采用分压式，将小灯泡的电阻Req\o\al(2,x)与电压表、电流表内阻的乘积RARV进行比较，Req\o\al(2,x)<RARV，则电流表外接，如图所示。(3)由图乙可知通过小灯泡的电流及两端的电压未从(0，0)取起，说明电路为限流式，则电路发生的故障是电源负极和滑动变阻器左下接线柱间的电路断路。答案(1)A1R1(2)略(3)电源负极和滑动变阻器左下接线柱间的电路断路2.(2017·江苏溧水高级中学摸底)小张和小明测绘标有“3.8V0.4A”小灯泡的伏安特性曲线，提供的实验器材有：()A.电源E(4V，内阻约0.4Ω)B.电压表V(2V，内阻为2kΩ)C.电流表A(0.6A，内阻约0.3Ω)D.滑动变阻器R(0～10Ω)E.三个定值电阻(R1＝1kΩ，R2＝2kΩ，R3＝5kΩ)F.开关及导线若干(1)小明研究后发现，电压表的量程不能满足实验要求，为了完成测量，他将电压表进行了改装。在给定的定值电阻中选用________(选填“R1”“R2”或“R3”)与电压表________(选填“串联”或“并联”)，完成改装。(2)小张选好器材后，按照该实验要求连接电路，如图2所示(图中电压表已经过改装)。闭合开关前，小明发现电路中存在两处不恰当的地方，分别是：①________________；②__________________。图2(3)正确连接电路后，闭合开关，移动滑动变阻器的滑片P，电压表和电流表的示数改变，但均不能变为零。由此可以推断电路中发生的故障可能是导线________(选填图中表示导线的序号)出现了________(选填“短路”或“断路”)。解析(1)电压表的量程为2V，内阻为2kΩ，故选用阻值是2kΩ的R2与电压表串联后可达到实验的要求。(2)因电压表的内阻远大于灯泡的内阻，故电流表应该外接；因采用分压电路，故滑动变阻器滑动端应该在最左端。故电路中存在两处不恰当的地方，分别是：安培表内接，滑片在最右端。(3)出现此故障可能是导线8断路引起的。答案(1)R2串联(2)安培表内接滑片在最右端(3)8断路3.(2017·江苏省苏锡常镇高三第二次模拟考试)小明同学想研究一段铅芯的伏安特性曲线，他连接了如图3甲所示的实验电路。小亮同学认为小明的电路并不完善，他在该电路上增加了一条导线，得到了小明的认同。(1)请你用笔画线在图甲上加上这条导线。(2)对小亮改正后的电路，在闭合开关前，滑动变阻器的滑片应先置于________(填“最左端”或“最右端”)。(3)闭合开关后，调节滑动变阻器，测得一组电压表和电流表的示数记录如下表：电流I/A00.080.160.240.320.400.48电压U/V00.631.221.681.972.232.44请根据表中的数据，在图乙坐标系中作出铅芯的I－U图线。甲乙图3(4)由图象可知随着温度的升高，铅芯的电阻率________(填“增大”“减小”或“不变”)。解析(1)伏安特性曲线的电流电压应从(0，0)取起，滑动变阻器应采用分压式，将滑动变阻器的左下端与电源的负极或电流表0.6A的接线柱相连，如图所示。图甲中1或2中任一条。甲(2)为使伏安特性曲线的电流电压从(0，0)取起，滑动变阻器与待测电阻并联的部分阻值应从零开始逐渐增大，滑动变阻器的滑片应先置于最左端。(3)描点连线如图乙所示，画好的图象纵横都应该超过方格纸的一半，选取适当的单位长度，连线时应尽量让点落在平滑的曲线上或分布两侧，偏离较大的点舍去。乙(4)根据U＝IR，R＝ρeq\f(L,S)，有I＝eq\f(S,ρL)U，I－U图象的斜率表示eq\f(S,ρL)，随着电压电流的增大，铅芯的温度逐渐升高，图象的斜率随着逐渐变大，铅芯的电阻率逐渐减小。答案(1)见解析(2)最左端(3)见解析(4)减小4.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4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)图4(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5所示。请指出图象中不恰当的地方。图5解析(1)测量小灯泡的电功率与电压的关系时，小灯泡两端电压从零开始变化，所以滑动变阻器应接成分压电路。(2)小灯泡正常工作时两端电压是3V，电流IL＝eq\f(P,UL)＝eq\f(1.8,3)A＝0.6A，电路总电流I>0.6A，电路总电阻R＝eq\f(E,I)<eq\f(12,0.6)Ω＝20Ω，所以定值电阻只能选择10Ω。(3)断开开关后，电路中没有电流，但电池的两根导线相碰可能会引起电池短路，所以应该先拆除电池两端的导线。(4)描点作图应该根据点的分布用平滑的曲线连接；画的图线应该尽量占满坐标纸。答案(1)如解析图所示(2)10(3)电池(4)图线画为直线；横坐标的标度不恰当。5.如图6甲所示的电路中，恒流源可为电路提供恒定电流I0，R为定值电阻，电流表、电压表均可视为理想电表。某同学利用该电路研究滑动变阻器RL消耗的电功率。改变RL的阻值，记录多组电流、电压的数值，得到如图乙所示的U－I关系图线。图6回答下列问题：(1)滑动触头向下移动时，电压表示数________(填“增大”或“减小”)。(2)I0＝________A。(3)RL消耗的最大功率为________W(保留1位有效数字)。解析(1)滑动触头向下移动时，RL阻值减小，则总电阻减小，由于总电流不变，因此总电压变小，则电压表读数变小。(2)由电路图可知：I0＝I＋eq\f(U,R)，即U＝I0R－IR，由U－I图线可知，I0R＝20，R＝k＝eq\f(20,1.0)