高考物理实验特训8描绘小灯泡的伏安特性曲线

实验八：描绘小灯泡的伏安特性曲线一、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。二、实验器材小灯泡、电压表、电流表、滑动变阻器、学生低压直流电源(或电池组)、开关、导线若干、坐标纸、铅笔。三、实验步骤(1)按图1连接电路，在闭合开关前变阻器的滑片靠近图中所示的A端．(2)闭合开关，移动滑片P，读出十几组U、I值，并记录在表格中。(3)建立U一I坐标系，将所得几组U、I值在坐标上描出所对应的点．(4)用平滑的曲线将各点连接起来，即为U一I图线．四、数据处理实验中，在调节滑动变阻器的滑片位置改变灯泡两端电压时，尽量使灯泡的电压变换有规律，然后再对应地读电流值．然后在根据所取的电压、电流的最大值，选取适当的横纵坐标分度，描点画图，这样可以使所取的点在坐标平面内分布的尽量大而且点子分布疏密程度均匀一些．五、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U一I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，电键闭合前变阻器滑片应位于图中的A端．(4)加在灯泡两端的电压不要超过灯泡的额定电压．(5)连图线时曲线要平滑，不在图线上的数据点应均匀分布在图线两侧，绝对不要画成折线。六、误差分析本实验所描绘的小灯泡的U一I特性曲线本身就包含了一定的定性特征，所以误差分析不是本实验的主要实验目的。本实验的误差主要来源于测量电路存在系统误差，即未考虑电压表的分流，测得的电流值比真实值大；其次还在着读数误差和作图时的描点误差．14\n考点一　实验原理与操作[典例1]　(2022·江苏高考)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实81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)图实81(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，如图实82所示。请指出图像中不恰当的地方。图实82[答案]　(1)连线如图所示。(2)10　(3)电池　(4)图线不应画为直线；横坐标的标度不合适14\n[考点总结·要点谨记]1．滑动变阻器的分压式与限流式的接法[对应第(1)题](1)两种接法的适用情形①限流式接法适合测量阻值小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小)。②分压式接法适合测量阻值较大的电阻。(2)两种接法的选择①若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程，或超过待测电阻的额定电流(或电压)，则必须选用分压式接法。②若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时，待测电阻上的电流或电压变化范围不够大，此时，应改用分压电路。③若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式电路。④两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法电路简单、耗能低。2.保护电阻的计算问题[对应第(2)题],电阻R1接在供电电路中，对电路起到保护作用，当滑动变阻器阻值最大时，保护测量电路中用电器及电表不被烧坏。,小灯泡与滑动变阻器的并联电阻值约为3.3Ω，则12V－3V＝4.描点作图时应注意的问题[对应第(4)题](1)根据数据描出的点，若不是在一条直线上，则应用平滑的曲线进行连接，不能用直线或折线连接。(2)画出的图线分布范围尽量不要太靠近坐标轴一侧，通过修改两坐标的标度值即可。考点二　数据处理与误差分析[典例2]　物理兴趣小组的同学们从实验室中找到一只小灯泡，其标称功率值为0.75W，额定电压值已模糊不清。他们想测定其额定电压值，于是先用欧姆表直接测出该灯泡的电阻约为2Ω，然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U＝＝V＝1.22V。他们怀疑所得电压值不准确，于是，再利用下面可供选择的实验器材设计一个电路，测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘制灯泡的UI图线，进而分析灯泡的额定电压。A．电压表V(量程3V，内阻约3kΩ)　　　　B．电流表A1(量程150mA，内阻约2Ω)14\nC．电流表A2(量程500mA，内阻约0.6Ω)D．滑动变阻器R1(0～20Ω)E．滑动变阻器R2(0～100Ω)F．电源E(电动势4.0V，内阻不计)G．开关S和导线若干H．待测灯泡L(额定功率0.75W，额定电压未知)(1)在下面所给的虚线框中画出他们进行实验的电路原理图，指出上述器材中，电流表选择________(填“A1”或“A2”)；滑动变阻器选择________(填“R1”或“R2”)。(2)在实验过程中，该同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加，当电压达到1.23V时，发现灯泡亮度很暗，当达到2.70V时，发现灯泡已过亮，便立即断开开关，并将所测数据记录在下边表格中。次数1234567U/V0.200.601.001.401.802.202.70I/mA80155195227255279310请你根据表中实验数据在图实86中作出灯泡的UI图线。图实86(3)由图像得出该灯泡的额定电压应为______V；这一结果大于1.22V，其原因是________________________________________________________________________________________________________________________________________________。[答案]　(1)电路原理图如图甲所示　A2　R1(2)如图乙所示(3)2.5(2.4～2.6均可)灯泡的冷态电阻小于正常工作时的电阻(或灯泡电阻随温度升高而变大)　　14\n甲　　　　　　　　　　　乙　　　　　　[考点总结·要点谨记]2．处理数据的方法和能力[对应第(2)题](1)观察和分析表格中的数据；(2)利用表格中的数据在坐标图纸上描点；(3)用平滑的曲线连结描出的点；(4)根据描绘的图线分析小灯泡的工作状态。3．利用图像处理数据和分析实验结果[对应第(3)题](1)图像纵横坐标的乘积表示功率；(2)结合小灯泡的实际工作过程分析实验结果。考点三　实验的改进与创新[典例3]　(2022·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实810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的量程选用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。图实810(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(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IxUx14\n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。123456789U1/V0.000.000.060.120.240.420.721.141.74U2/V0.01.02.13.14.25.46.78.19.7Ux/V0.0－1.0－2.0－3.0－4.0－5.0－6.0－7.0－8.0Ix/mA0.000.00－0.01－0.02－0.04－0.07－0.12－0.19－0.29图实811③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。[答案]　(1)连接电路如图所示(2)①1.40　0.23　②描点绘出IxUx图线如图所示　③非线性14\n[考点总结·要点谨记]1．实验原理的创新[对应题干部分](1)本实验描绘的不是小灯泡的伏安特性曲线，而是硅光电池不产生电能时，作为一个电子元件的伏安特性曲线。(2)本实验描绘的是给硅光电池加反向电压时的反向伏安特性。3.数据处理的创新[对应第(2)题①问],(1)电压表的读数方法。,(2)由于电压表V1的内阻已知，可通过I＝4．描点、连线作图能力[对应第(2)题②问]5.读图、用图的能力[对应第(2)题③问]根据图像分析：若图线是直线，则Ix与Ux成线性关系；若图线是曲线，则Ix与Ux成非线性关系。,本实验还可以从以下三个方面改进和创新：(1)描绘二极管的伏安特性曲线；(2)描绘太阳能电池在没有光照时的伏安特性曲线；(3)测定小灯泡在不同电压下的电功率；描绘小灯泡电功率P与两端电压的平方U2的曲线。1．描绘小电珠伏安特性曲线的实验电路如图5所示，所用小电珠的额定电压是3.8V．关于该实验的系统误差，下列说法中正确的是(　　)14\n图5A．主要是由电压表的分流引起的B．主要是由电流表的分压引起的C．主要是由于忽略电源内阻引起的D．主要是由读数时的估读引起的【答案】A【解析】由于小电珠的电阻比较小，所以采用电流表外接的方法．此时电压表的测量值是准确的，但是电流表的测量值和真实值相比要大，原因是电压表分流．2．为探究小电珠L的伏安特性，连好如图6所示的电路后闭合开关S，通过移动变阻器的滑片，使小电珠中的电流由零开始逐渐增大，直到小电珠正常发光，由电流表和电压表得到的多组读数描绘出的U－I图象应是图中的(　　)图6　【答案】C【解析】小电珠中的电流逐渐增大时其温度升高，导致电阻R增大，所以UI图线的斜率增大，故C项正确．3．(2022·武汉联考)在做“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验时，所用器材有：电动势为6V的电源、额定电压为2.5V的小电珠，以及符合实验要求的滑动变阻器、电表、开关和导线．要求能测出尽可能多组数据．图7是没有连接完整的实物电路(已连接好的导线有a、b、c、d、e、f六根)．14\n图7(1)请你用笔画线代替导线，将实物电路连接完整；(2)连好电路，闭合开关，移动变阻器滑片P，发现小电珠始终不亮，但电压表有示数，电流表几乎不偏转，则故障的原因可能是______________________________________；(3)排除故障后闭合开关，移动滑片P到某处，电压表的示数为2.2V，要测量小电珠的额定功率，应将滑片P向____(填“左”或“右”)端滑动；(4)通过移动滑片P，分别记下了多组对应的电压表和电流表的读数，并绘制成了如图8所示的U－I图象．根据U－I图象提供的信息，可计算出小电珠的额定功率是________W；图8(5)图线是曲线而不是过原点的直线，原因是_________________________________.【答案】(1)连线如图所示(2)c段导线断路或小电珠损坏(3)右　(4)0.5　(5)小电珠的电阻会随温度的升高而增大4．在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，除标有“6V　1.5W”字样的小电珠、导线和开关外，还有下列器材：A．直流电源(6V，内阻不计)B．直流电流表(量程为3A，内阻0.1Ω以下)C．直流电流表(量程为300mA，内阻约为5Ω)D．直流电压表(量程为10V，内阻约为15kΩ)E．滑动变阻器(10Ω　2A)F．滑动变阻器(1kΩ　0.5A)实验要求小电珠两端的电压从零开始变化并能进行多次测量．(1)实验中电流表应选用______，滑动变阻器应选用______．(均用序号表示)(2)在虚线框内画出实验电路图．14\n(3)试将如图9所示的器材连成实物电路．图9【答案】(1)C　E　(2)、(3)见解析图【解析】(1)由于I额＝＝250mA，故电流表应选C；因要求小电珠两端的电压从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法，应选小阻值的E.(2)实验电路图如图所示(3)实物连接图如图所示．5．(2022·云浮模拟)一个标有“3.8V　0.3A”字样的小电珠，其灯丝的电阻会随温度的升高而变化．一探究性学习小组在实验室研究这一问题，现实验室备有以下实验器材：器材名称代号参数14\n电池组电压表电压表电流表电流表滑动变阻器滑动变阻器固定电阻开关导线EV1V2A1A2R1R2R0SM电动势9V，内阻0.5Ω量程0～5V，内阻2.0kΩ量程0～15V，内阻3.0kΩ量程0～0.3A，内阻2.0Ω量程0～6A，内阻0.4Ω0～10Ω，额定电流2A0～100Ω，额定电流0.5A5Ω，额定电流5A一个若干实验时要求测量范围尽可能大，且要求电珠两端的电压从0开始调节，测量结果尽可能准确．(1)现在有图10所示的a，b，c，d四个电路，其中可选用的电路图为________．图10图11(2)在实验中，应当选用的实验器材有电压表________，电流表________，滑动变阻器________．(填器材名称代号)(3)该小组某同学通过实验描绘出小电珠的U－I图线，如图11所示，试根据图线中给出的数据，求出小电珠在工作点A和B的电阻值分别为________、________.【答案】(1)d　(2)V1　A1　R1　(3)6.3Ω　10Ω【解析】(1)要求电珠上的电压从0开始调节，因此滑动变阻器要用分压式接法，a、b图错误，c图中滑动变阻器上串联保护电阻，因此，电珠上的电压也不能从0开始连续调节，所以应选图d.(2)选取电表时，电表的量程要稍大于被测元件的最大值，因为电珠标有“3.8V,0.3A”，因此，电压表选择V1；电流表选择A1；滑动变阻器为分压式接法，应选总阻值较小的滑动变阻器R1.14\n(3)根据R＝U/I得A点电阻为6.3Ω(结果为5.9～6.5Ω都对)，B点电阻为10Ω.6．发光晶体二极管是用电器上做指示灯用的一种电子元件．它的电路符号如图12所示，图12正常使用时，带“＋”的一端接高电势，带“－”的一端接低电势．某同学用实验方法探究二极管的伏安特性，现测得它两端的电压U和通过它的电流I的数据如下表所示.U/V00.40.81.21.62.02.42.62.83.0I/mA00.92.34.36.813.019.024.030.037.0(1)在虚线框内画出实验电路图．(除电源、开关、滑动变阻器外，实验用电压表V：内阻RV约为10kΩ，电流表mA：内阻RA约为100Ω)(2)在图13中的小方格纸上用描点法画出二极管的伏安特性曲线．图13(3)根据(2)中画出的二极管的伏安特性曲线，简要说明发光二极管的电阻与其两端电压的关系：________________________________________________________________________________________________________________________________________________.【答案】(1)实验电路图如图所示(2)伏安特性曲线如图所示14\n(3)发光二极管的电阻随其两端电压的增大而呈现非线性减小【解析】(1)同时测定二极管上的电流和电压时，由欧姆定律分析表格中的每一组数据，可以看出发光二极管的电阻是变化的，变化的范围大约在100～500Ω之间．故电流表的内阻对测量影响较大，利用电流表外接法误差小．而测量数据从0开始，滑动变阻器采用分压式接法，才能得到足够多的数据．(2)将表格提供的数据在方格纸上描点，平滑连接各点可画出UI图线．(3)发光二极管的电阻随其两端电压的增大而呈现非线性减小．7．(2022·丹东调研)小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大，因而引起功率变化．一研究性学习小组在实验室通过实验研究这一问题，实验室备有的器材是：电压表(0～3V，约3kΩ)，电流表(0～0.6A，约0.1Ω)，电池，开关，滑动变阻器，待测小灯泡，导线若干．实验时，要求小灯泡两端电压从0逐渐增大到额定电压．(1)在虚线框内画出实验电路图．(2)根据实验测得数据描绘出如图所示的U－I图象，小灯泡电压随电流变化曲线，由此可知，小灯泡电阻R随温度的升高而________．(填“变大”“不变”或“变小”)图14(3)如果一电池的电动势为2V，内阻为2.5Ω.请你根据上述实验的结果，确定小灯泡接在该电池的两端，小灯泡的实际功率是________W.【答案】(1)实验电路图如图所示．(2)变大　(3)0.44　(0.39～0.48都得分)【解析】14\n根据题目要求，小灯泡两端电压从0逐渐增大到额定电压，应该设计成分压电路；由于小灯泡电阻不大，电流表内接．由小灯泡电压随电流变化曲线可知，图线上点的纵横坐标比值随电流的增大而增大，说明小灯泡的电阻R随电流的增大而增大．而电流增大则导致灯丝温度升高，所以小灯泡的电阻R随温度T升高而增大．在题给的小灯泡电压随电流变化曲线上作出电池的伏安特性曲线，该曲线与小灯泡电压随电流变化曲线的交点对应的纵横坐标值(0.40,1.10)即为小灯泡的电压和电流，小灯泡的实际功率是P＝UI＝1.10×0.40W＝0.44W.14