高考物理特訓(xùn)實驗九　描繪小電珠的伏安特性曲線

第八單元實驗九描繪小電珠的伏安特性曲線2023屆1《高考特訓(xùn)營》·物理目標要求學(xué)科素養(yǎng)1.描繪小電珠的伏安特性曲線.2.分析小電珠伏安特性曲線的變化規(guī)律.3.應(yīng)用小電珠的伏安特性曲線解決實際問題1.通過實驗原理和操作，進一步提高實驗電路的設(shè)計和應(yīng)用能力.2.通過數(shù)據(jù)處理，提高用圖象法分析實驗數(shù)據(jù)，探尋物理規(guī)律的能力0102知識特訓(xùn)能力特訓(xùn)01知識特訓(xùn)知識必記基礎(chǔ)必驗一、實驗原理用電流表測出流過小電珠的電流，用電壓表測出小電珠兩端的電壓，測出多組(U，I)值，在I－U坐標系中描出各對應(yīng)點，用一條平滑的曲線將這些點連起來，就得到小電珠的伏安特性曲線．二、實驗器材小電珠(3.8V，0.3A)或(2.5V，0.6A)一個、電壓表(0～3V，0～15V)與電流表(0～0.6A，0～3A)各一個、滑動變阻器(最大阻值20Ω)一個、學(xué)生低壓直流電源(或電池組)、開關(guān)一個、導(dǎo)線若干、坐標紙、鉛筆．三、實驗步驟1．確定電流表、電壓表的量程，電流表采用外接法，滑動變阻器采用分壓接法，按圖中的原理圖連接好實驗電路．2．把滑動變阻器的滑片移到圖中a端，接線經(jīng)檢查無誤后，閉合開關(guān)S.3．移動滑動變阻器滑片，測出多組不同的電壓值U和對應(yīng)的電流值I，并將測量數(shù)據(jù)填入表格中，斷開開關(guān)S.4．拆除電路，整理儀器．[思維延伸]因為小電珠的電阻很小，所以電流表應(yīng)采用外接法；為了使小電珠兩端的電壓能從零開始逐漸增加，滑動變阻器應(yīng)采用分壓接法．四、數(shù)據(jù)處理1．在坐標紙上以U為橫軸，以I為縱軸，建立坐標系．2．在坐標紙上描出各組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的點．坐標系縱軸和橫軸的標度要適中，以使所描圖線充分占據(jù)整個坐標紙為宜．3．將描出的點用平滑的曲線連接起來，得到小電珠的伏安特性曲線．五、誤差分析1．由于電壓表不是理想電表，所以對電流的測量會帶來系統(tǒng)誤差．2．電流表、電壓表的讀數(shù)會帶來偶然誤差．3．在坐標紙上描點、作圖時也存在誤差．1．思考判斷(1)因為小電珠的電阻較小，比較接近電流表的內(nèi)阻，所以本實驗電流表應(yīng)采用外接法．(

)(2)若選擇阻值較大的滑動變阻器，則采用限流接法也可以描繪小電珠的I－U曲線．(

)(3)實驗時，小電珠兩端的電壓要緩慢增加，且每次通電時間不宜過長．(

)(4)在小電珠的I－U特性曲線上，某點切線的斜率表示該電壓下小電珠的電阻的倒數(shù)．(

)√×√×2．(教材改編)有一個小電珠上標有“4V

2W”的字樣，現(xiàn)在要用伏安法描繪這個電珠的伏安特性曲線．有下列器材供選用：A．電壓表(0～5V，內(nèi)阻10kΩ)B．電壓表(0～10V，內(nèi)阻20kΩ)C．電流表(0～0.3A，內(nèi)阻1Ω)D．電流表(0～0.6A，內(nèi)阻0.4Ω)E．滑動變阻器(5Ω，1A)F．滑動變阻器(500Ω，0.2A)(1)實驗中電壓表應(yīng)選用________，電流表應(yīng)選用________．(用序號字母表示)(2)為使實驗誤差盡量減小，要求小電珠電壓從零開始變化且多測幾組數(shù)據(jù)，滑動變阻器應(yīng)選用________．(用序號字母表示)(3)請在虛線框內(nèi)畫出滿足實驗要求的電路圖，并把下圖所示的實驗器材用實線連接成相應(yīng)的實物電路圖．答案：(1)A

D

(2)E

(3)見解析圖(2)要求小電珠電壓從零開始變化且多測幾組數(shù)據(jù)，所以控制電路應(yīng)采用滑動變阻器的分壓接法，而分壓接法中應(yīng)選總阻值較小的滑動變阻器，故選用E.

02能力特訓(xùn)能力點1能力點2“描繪小電珠的伏安特性曲線”實驗的原理和設(shè)計與“伏安法測電阻”類似，只是把測定的電壓U和電流I數(shù)據(jù)用來描點作圖，描繪電學(xué)元件的伏安特性曲線．本實驗的命題仍側(cè)重對實驗原理、電路連接、數(shù)據(jù)處理和實驗操作注意事項等的考查，有時會結(jié)合電源的U－I圖象確定電學(xué)元件的工作點，計算電功率等．能力點1教材原型實驗的方法與技能典例1

(2017·全國卷Ⅰ)某同學(xué)研究小燈泡的伏安特性，所使用的器材有：小燈泡L(額定電壓3.8V，額定電流0.32A)；電壓表V(量程3V，內(nèi)阻3kΩ)；電流表A(量程0.5A，內(nèi)阻0.5Ω)；固定電阻R0(阻值1000Ω)；滑動變阻器R(阻值0～9.0Ω)；電源E(電動勢5V，內(nèi)阻不計)；開關(guān)S；導(dǎo)線若干．

(1)實驗要求能夠?qū)崿F(xiàn)在0～3.8V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進行測量，畫出實驗電路原理圖．(2)實驗測得該小燈泡伏安特性曲線如圖(a)所示．由實驗曲線可知，隨著電流的增加小燈泡的電阻________(選填“增大”、“不變”或“減小”)，燈絲的電阻率________(選填“增大”、“不變”或“減小”)．(3)用另一電源E0(電動勢4V，內(nèi)阻1.00Ω)和題給器材連接成圖(b)所示的電路圖，調(diào)節(jié)滑動變阻器R的阻值，可以改變小燈泡的實際功率．閉合開關(guān)S，在R的變化范圍內(nèi)，小燈泡的最小功率為________W，最大功率為________W．(結(jié)果均保留2位小數(shù))[解法指導(dǎo)](1)實驗要求小燈泡的電壓能在0～3.8V的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，所以需考慮滑動變阻器的的連接方式，電壓表需擴大量程．(2)根據(jù)確定工作點的思路：答案：(1)見解析(2)增大增大(3)0.39

1.20解析：(1)要實現(xiàn)在0～3.8V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進行測量，則滑動變阻器需要設(shè)計成分壓接法；電壓表V與固定電阻R0串聯(lián)后可將電壓表的量程擴大為4V．由于小燈泡正常發(fā)光時的電阻約為12Ω，所以需將電流表外接，電路如圖所示．(2)由小燈泡的伏安特性曲線可知，隨著電流的增加，小燈泡的電阻增大．根據(jù)電阻定律可知，燈絲的電阻率增大．(3)當(dāng)滑動變阻器接入電路中的阻值最大為9.0Ω時，流過小燈泡的電流最小，小燈泡的實際功率最?。鶕?jù)閉合電路的知識可知，小燈泡兩端的電壓U、電流I滿足U＝E－I(r＋R)，即U＝－10I＋4，在題圖(a)中畫出相應(yīng)的I－U圖線如圖中Ⅰ所示，故小燈泡的最小功率Pmin＝U1I1＝1.75×0.225W≈

0.39W．當(dāng)滑動變阻器接入電路中的阻值最小為零時，流過小燈泡的電流最大,小燈泡的實際功率最大，同理，此時小燈泡兩端的電壓U、電流I滿足U＝4－I,圖線如圖中Ⅱ所示，故小燈泡的最大功率Pmax＝U2I2＝3.68×0.325W≈1.20W.

(2021·全國甲卷)某同學(xué)用圖(a)所示電路探究小燈泡的伏安特性，所用器材有：小燈泡(額定電壓2.5V，額定電流0.3A)；電壓表(量程300mV，內(nèi)阻300Ω)；電流表(量程300mA，內(nèi)阻0.27Ω)；定值電阻R0；滑動變阻器R1(阻值范圍0～20Ω)；電阻箱R2(最大阻值9999.9Ω)；電源E(電動勢6V，內(nèi)阻不計)；開關(guān)S、導(dǎo)線若干．完成下列填空：(1)有3個阻值分別為10Ω、20Ω、30Ω的定值電阻可供選擇，為了描繪小燈泡電流在0～300mA的U－I曲線，R0應(yīng)選取阻值為________Ω的定值電阻．(2)閉合開關(guān)前，滑動變阻器的滑片應(yīng)置于變阻器的________(選填“a”或“b”)端．(3)在流過電流表的電流較小時，將電阻箱R2的阻值置零，改變滑動變阻器滑片的位置，讀取電壓表和電流表的示數(shù)U、I，結(jié)果如圖(b)所示．當(dāng)流過電流表的電流為10mA時，小燈泡的電阻為________Ω(結(jié)果保留1位有效數(shù)字)．

(4)為使得電壓表滿量程時對應(yīng)于小燈泡兩端的電壓為3V，該同學(xué)經(jīng)計算知，應(yīng)將R2的阻值調(diào)整為________Ω.然后調(diào)節(jié)滑動變阻器R1，測得數(shù)據(jù)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)由圖(b)和上表可知，隨流過小燈泡電流的增加，其燈絲的電阻________(選填“增大”、“減小”或“不變”)．答案：(1)10

(2)a

(3)0.7

(4)2700

(5)增大(6)0.074

10(2)為了保護電路，閉合開關(guān)前，滑動變阻器的滑片應(yīng)置于變阻器的a端．

與“伏安法測電阻”類似，在描繪電學(xué)元件的伏安特性曲線時，為減小或消除系統(tǒng)誤差，仍需考慮電流表的內(nèi)接法和外接法，為得到合理的數(shù)據(jù)分布，仍需考慮滑動變阻器的分壓接法和限流接法．當(dāng)電壓表或電流表的量程不滿足要求時，可通過串聯(lián)或并聯(lián)電阻來擴大量程．“描繪小電珠的伏安特性曲線”實驗的拓展與創(chuàng)新點主要有以下幾點：1．實驗器材的改裝．例如，當(dāng)電壓表或電流表的量程不夠時，若內(nèi)阻已知，可結(jié)合定值電阻進行改裝，以擴大量程．2．實驗?zāi)康牡淖兓?，探究小燈泡的電功率P和電壓U的關(guān)系，其本質(zhì)仍是測量在不同電壓下的電流I，由P＝UI得到相應(yīng)的電功率．3．研究對象的變化．利用“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗方法可探究一些非線性電學(xué)元件的伏安特性曲線，如發(fā)光二極管、電動機等．能力點2實驗的拓展與創(chuàng)新典例2

(2020·江蘇卷)某同學(xué)描繪一種電子元件的I－U關(guān)系圖象，采用的實驗電路圖如圖1所示，V為電壓表，mA為電流表，E為電源(電動勢約6V)，R為滑動變阻器(最大阻值20Ω)，R0為定值電阻，S為開關(guān)．(1)請用筆畫線代替導(dǎo)線，將圖2所示的實物電路連接完整．(2)調(diào)節(jié)滑動變阻器，記錄電壓表和電流表的示數(shù)如下表：電壓U/V0.0000.2500.5000.6500.7000.7250.750電流I/mA0.000.100.250.601.704.307.50請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在下面的方格紙上作出該元件的I－U圖線．(3)根據(jù)作出的I－U圖線可知，該元件是________(選填“線性”或“非線性”)元件．(4)在上述測量中，如果用導(dǎo)線代替電路中的定值電阻R0，會導(dǎo)致的兩個后果是________．A．電壓和電流的測量誤差增大B．可能因電流過大燒壞待測元件C．滑動變阻器允許的調(diào)節(jié)范圍變小D．待測元件兩端電壓的可調(diào)節(jié)范圍變小[解法指導(dǎo)]本實驗的電流表采用外接法，滑動變阻器采用分壓接法，連接實物時應(yīng)按照“兩個回路”的電流流向依次連接；描繪I－U圖線時，要用平滑的曲線將各數(shù)據(jù)點連接起來；定值電阻R0對待測元件起保護作用，同時也增加了滑動變阻器的調(diào)節(jié)范圍．答案：(1)(2)見解析圖(3)非線性(4)BC解析：(1)根據(jù)電路圖連接實物圖如圖所示．(2)根據(jù)表格中各數(shù)據(jù)描點，并用平滑的曲線連接各點，得到對應(yīng)的I－U圖線如圖所示．(3)根據(jù)以上得到的I－U圖象可知，該元件是非線性元件．(4)根據(jù)該元件的伏安特性曲線可知，當(dāng)所加電壓超過一定數(shù)值時，通過該元件的電流會急劇增大，即電阻會急劇減小，若用導(dǎo)線代替定值電阻R0，可能會燒壞待測元件．定值電阻R0對電流表和電壓表的測量誤差無影響，故A錯誤，B正確；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知，給待測元件所加的電壓最大不超過1V，而電源的電動勢為6V，如果用導(dǎo)線代替R0，會導(dǎo)致滑動變阻器的調(diào)節(jié)范圍變得非常小，從而給實驗操作帶來困難