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1、实验九 描绘小电珠的伏安特性曲线实验九 描绘小电珠的伏安特性曲线 1实验原理 (1)测多组小电珠的 U、I 的值，并绘出 IU 图象； (2)由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系 2实验器材 小电珠“3.8 V,0.3 A” 、电压表“03 V15 V” 、电流表“00.6 A3 A” 、滑动变阻器、学 生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔 3实验步骤 (1)画出电路图(如图 1 甲所示) 图 1 (2)将小电珠、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如图乙所示的电 路 (3)测量与记录 移动滑动变阻器触头位置，测出 12 组左右不同的电压值 U 和电流值 I，并将测量数据填
2、入自 己设计的表格中 (4)数据处理 在坐标纸上以 U 为横轴，I 为纵轴，建立直角坐标系 在坐标纸上描出各组数据所对应的点 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 4实验器材选取 (1)原则：安全；精确；操作方便 (2)具体要求 电源允许的最大电流不小于电路中的实际最大电流干电池中电流一般不允许超过 0.6 A. 用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流 电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值 电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的 以上 1 3 从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用总阻值与待测电阻相近的滑动变阻器，分压 式接法要选用总阻值较小的滑动
3、变阻器 1注意事项 (1)电路的连接方式： 电流表应采用外接法：因为小电珠(3.8 V,0.3 A)的电阻很小，与量程为 0.6 A 的电流表串联 时，电流表的分压影响很大 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 0 开始连续变化 (2)闭合开关 S 前，滑动变阻器的触头应移到使小电珠分得电压为 0 的一端，使开关闭合时小电 珠的电压能从 0 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)IU 图线在 U01.0 V 左右将发生明显弯曲，故在 U1.0 V 左右绘点要密，以防出现较 大误差 2误差分析 (1)由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大
4、，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 命题点一 教材原型实验命题点一 教材原型实验 例 1 (2017全国卷23)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 3.8 V， 额定电流 0.32 A)； 电压表(量程 3 V， 内阻 3 k)； 电流表(量程 0.5 A， 内阻 0. 5 )； 固定电阻 R0(阻值 1 000 )； 滑动变阻器 R(阻值 09.0 )； 电源 E(电动势 5 V， 内阻不计) ； 开关 S；导线若干 (1)实验要求能够实现在 03.8 V 的范围
5、内对小灯泡的电压进行测量， 在虚线框中画出实验电 路原理图 (2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图 2(a)所示 图 2 由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻_(填“增大”“不变”或“减小”)， 灯丝的电阻率_(填“增大”“不变”或“减小”) (3)用另一电源 E0(电动势 4 V，内阻 1.00 )和题给器材连接成图(b)所示的电路，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(结果均保留两位小数) 答案 (1)见解析图 (2)增大 增大 (3)0.39 1.17 解析 (1)电压表量程为 3 V
6、，要求能够实现在 03.8 V 的范围内对小灯泡的电压进行测量， 需要给电压表串联一个定值电阻扩大量程，题目中要求小灯泡两端电压从零开始，故滑动变 阻器采用分压式接法，小灯泡的电阻 RL 11.875 ，因，故电流表用外 U I 3.8 0.32 RL RA RV RL 接法，实验电路原理图如图所示 (2)由 IU 图象知，图象中的点与坐标原点连线的斜率在减小，表示灯泡的电阻随电流的增大 而增大，根据电阻定律 R 知，灯丝的电阻率增大 l S (3)当滑动变阻器的阻值最大为 9.0 时， 电路中的电流最小， 灯泡实际功率最小， 由 E0U I(Rr)得 U10I4，作出图线如图所示 由交点坐标
7、可得 U11.78 V， I1221 mA， P1U1I10.39 W； 当滑动变阻器电阻值 R0 时， 灯泡消耗的功率最大，由 E0UI(Rr)得，IU4，作出图线如图所示由交点坐标 可得，U23.70 V，I2315 mA，最大的功率为 P2U2I21.17 W. 变式 1 (2018山东省泰安市上学期期末)某同学研究小灯泡的伏安特性曲线，所使用的器材 有： 小灯泡 L(额定电压 3.8 V，额定电流 0.32 A)； 电压表 V(量程 5 V，内阻 3 k)； 电流表 A(量程 0.3 A，内阻 0.5 )； 固定电阻 R0(阻值 1.0 )； 滑动变阻器 R(阻值 09.0 ) 电源
8、E(电动势 5 V，内阻不计)； 开关 S，导线若干； (1)实验要求能够实现在 00.32 A 的范围内对小灯泡进行测量，利用上述器材，设计电路， 在虚线框中画出实验电路原理图 (2)实验测得该小灯泡的伏安特性曲线如图 3 甲所示由实验曲线可知，随着电流的增加小灯 泡的电阻_(填“增大”“不变”或“减小”)；设 A 为实验曲线上的某点，过 A 点的 切线斜率为 k1，坐标原点与 A 点连线的斜率为 k2，在对应 A 点时小灯泡的电阻为_ 图 3 (3)用另一电源 E0(电动势 3 V，内阻 1.0 )和题给器材连接成如图乙所示的电路，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
9、开关 S，在 R 的变化范围内，小灯泡的最 小功率为_ W(结果保留 2 位有效数字) 答案 (1)见解析图 (2)增大 (3)0.21(0.200.23 均可) 1 k2 解析 (1)因本实验需要电流从零开始调节，因此应采用滑动变阻器分压接法；由于电流表量 程较小，为了扩大电流表量程，将 R0和电流表并联，因并联后的电流表内阻 RA满足， RL RA RV RL 故电流表采用外接法，故原理图如图所示： (3)当滑动变阻器接入电路中的阻值最大时，灯泡的功率最小，将 R 等效为电源内阻，则电源 电动势为 3 V，等效内阻为 10 ，则有：U310I.作出电源的 IU 图象如图中直线所示 由图线交
10、点可知，灯泡电压为 U1.12 V，电流 I188 mA0.188 A，则最小功率 PUI 1.120.188 W0.21 W. 变式 2 (2018河南省鹤壁市调研)给定下列器材来研究某一小灯泡 L 的伏安特性曲线 A规格为“9 V 9 W”的小灯泡 L 一个 B直流电流表(量程 50 mA，内阻 r1为 30 ，示数用 I1表示) C直流电流表(量程 0.2 A，内阻 r2为 6 ，示数用 I2表示) D直流电压表(量程 6 V，内阻约为 20 k，示数用 U1表示) E直流电压表(量程 10 V，内阻约为 30 k，示数用 U2表示) F定值电阻 R，阻值为 1.2 G直流电源，电动势
11、E12 V，内阻不计 H滑动变阻器 a，最大阻值为 500 I滑动变阻器 b，最大阻值为 10 J开关一个，导线若干 (1)为了减小实验误差， 更好地描绘小灯泡的伏安特性曲线， 滑动变阻器应选用_(填写 对应器材前的字母序号)， 其理由是滑动变阻器在电路中应起_(填 “分压” 或 “限流” ) 作用 (2)在虚线框中画出实验原理图 (3)用所选器材的示数分别写出小灯泡两端电压 UL和电流 IL的表达式 UL_，IL _. (4)测量多组 UL、IL数据，作出小灯泡的伏安特性曲线 答案 (1)I 分压 (2)见解析图 (3)U26I2 6I2 解析 (1)本实验要测量小灯泡的伏安特性曲线，故小灯
12、泡两端的电压要从 0 开始变化，则滑 动变阻器应该起分压作用，故应选用总阻值较小的 I. (2)对小灯泡由 IL1 A 可知，所给电流表的量程都较小，故应改装为量程较大的电流 PL UL 表利用与定值电阻 R 并联，恰好可以改装成量程为 1.2 A 的电流表，由于小灯泡额定电 压为 9 V，故选择量程为 10 V 的电压表由于电流表的内阻已知，选择电流表内接法，故电 路图如图所示 (3)由电路图可得 U2ULUR，而 URUA2I2r2， 故 ULU2I2r2U26I2，ILI2IRI26I2. I2r2 R 命题点二 实验拓展与创新命题点二 实验拓展与创新 例2 (2018山西省重点中学协作
13、体期末)太阳能电池板在有光照时， 可以将光能转化为电能， 在没有光照时，可以视为一个电学器件某实验小组根据测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方 法，探究一个太阳能电池板在没有光照时(没有储存电能)的 IU 特性所用的器材包括：太 阳能电池板，电源 E，电流表 A，电压表 V，滑动变阻器 R，开关 S 及导线若干 图 4 (1)为了达到上述目的，实验电路应选用图 4 甲中的_(填“a”或“b”) (2)该实验小组根据实验得到的数据，描点绘出了如图乙所示的 IU 图象由图可知，当电 压小于 2.00 V 时，太阳能电池板的电阻_(填“很大”或“很小”)；当电压为 2.80 V 时，太阳能电池板的电阻为_
14、 . (3)当有光照射时，太阳能电池板作为电源，其路端电压与总电流的关系如图丙所示，分析该 曲线可知， 该电池板作为电源时的电动势为_ V 若把它与阻值为 1 k 的电阻连接构 成一个闭合电路， 在有光照射情况下， 该电池板的效率是_%.(结果保留三位有效数字) 答案 (1)a (2)很大 1 000 (3)2.80 64.3(64.164.5 均对) 解析 (1)用题图 a 可以在电池板上得到从零开始的电压，故应选 a 图； (2)由题图可知，当电压小于 2.00 V 时，通过太阳能电池板的电流几乎为零，故太阳能电池板 的电阻很大；当电压为 2.80 V 时，电流为 2.8 mA，则可知太阳
15、能电池板的电阻为 R U I 1 000 ； 2.8 V 2.8 103 A (3)由 UI 图线可知，电池板作为电源时的电动势为 2.80 V；若把它与阻值为 1 k 的电阻 连接构成一个闭合电路， 则画出此电阻的UI图线， 与电池板的UI图线交于一点， 读出U 1.80 V，I1.80 mA，该电池板的效率是 100%100%64.3%. IU IE 1.80 2.80 变式 3 (2018四川省凉山州三模)某实验小组要探究一小灯泡的伏安特性曲线，并研究小灯 泡在不同电压下的实际功率，实验电路如图 5 甲所示： 图 5 (1)闭合开关前，滑动变阻器的滑片 P 应在_端(填“a”或“b”)
16、(2)闭合开关，把滑片 P 向另一端移动过程中，发现电流表与电压表均有明显读数且读数几乎 不变，则电路中出现故障的元件可能是_(填“A”或“B”) A小灯泡 B滑动变阻器 (3)该小组根据实验数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图丙所示，可判定在图乙中小灯泡的 功率 P 与加在其两端电压的平方 U2的图象正确的是_(选填“1” 、“2”或“3”) (4)某同学将两个完全相同的这种小灯泡并联接在电源两端， 已知电源的电动势 E3 V、 内阻 r 2 ，则此时每个小灯泡的实际功率为_(结果保留两位有效数字) 答案 (1) a (2)B (3)3 (4)0.44(0.420.46) 解析 (1)此电路是
17、分压电路，滑动变阻器的 aP 部分与小灯泡并联，开始时应使小灯泡两端 电压最小，故滑片应置于 a 端； (2)电流表与电压表均有明显读数，说明灯泡所在电路正常，电压表与电流表读数几乎不变， 说明滑动变阻器没有起到应有的作用，故可能存在故障的是滑动变阻器，故选 B； (3)由 P，随着小灯泡两端电压的增大，灯丝温度升高，灯丝电阻增大，P 随 U2的变化变 U2 R 缓，即图线为 3； (4)灯泡两端的电压为 U，流过每个灯泡的电流为 I，则 EU2Ir，得 U34I，在题图丙 中画出电源的 UI 图线如图所示 交点坐标 U2.20 V，I0.20 A，所以每个小灯泡的实际功率为：PUI0.44
18、W. 变式 4 (2018江西省七校第一次联考)某实验小组设计了如图 6 甲所示的电路，其中 RT为 热敏电阻，电压表量程为 3 V，内阻 RV约 10 k，电流表量程为 0.5 A，内阻 RA4.0 ，R 为电阻箱 图 6 (1)该实验小组首先利用该电路进行描绘热敏电阻的伏安特性曲线的实验闭合开关，调节电 阻箱， 记录不同情况下的电压表示数 U1、 电流表示数 I 和电阻箱的阻值 R， 在 IU 坐标系中， 将各组 U1、I 的数值标记在相应位置，描绘出热敏电阻的部分伏安特性曲线，如图乙中曲线 所示为了完成该实验，应将导线 c 端接在_(选填“a”或“b”)点； (2)利用(1)中记录的数据
19、，通过分析计算可得外电路的电压 U2，U2的计算式为_； (用 U1、I、R 和 RA表示) (3)实验小组利用(2)中的公式，计算出各组的 U2，将 U2和 I 的数据也描绘在 IU 坐标系中， 如图乙中直线所示，根据图象分析可知，电源的电动势 E_ V，内电阻 r_ ； (4)实验中，当电阻箱的阻值调到 8.5 时，热敏电阻消耗的电功率 P_ W(保留两 位有效数字) 答案 (1)a (2)U2U1I(RRA) (3)6.0 50(4.85.2 均可) (4)0.46(0.440.48 均可) 解析 (1)利用伏安法测电阻，由题图乙中曲线可知热敏电阻的阻值远小于电压表内阻，所以 采用电流表采用外接法，故导线 c 应接在 a 点； (2)路端电压 U2等于外部各部分上的电压之和， 则根据串、 并联电路规律可知外电压 U2U1 I(RRA) (3)直线与 U 轴的交点为电动势，直线的斜率绝对值的倒数为内阻的大小；由题图乙中直线可 知电源的电动势为 6.0 V，内电阻为 r 5.0 . 64 0.4 (4)等效电源内阻 r04.0 5.0 8.5 17.5 ； 在题图乙中作等效电源的 IU 图象， 如图所示 ； 与热敏电阻的伏安特性曲线的交点坐标为(2.1,0.22)， 所以热敏电阻的电功率为 P 2.10.22 W0.46 W.