【物理】2018届一轮复习人教版实验八描绘小电珠的伏安特性曲线学案
实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线
1.掌握滑动变阻器的使用方法及连接方式.
2.掌握伏安特性曲线的描绘方法.3.理解小电珠的伏安特性曲线为什么不是一条直线．
1．实验原理
(1)测多组小电珠的U、I的值，并绘出I－U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“3.8V,0.3A”、电压表“0～3V～15V”、电流表“0～0.6A～3A”、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(如实验原理图甲)．
(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实验原理图乙所示的电路．
(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，并将测量数据填入自己设计的表格中．
(4)数据处理
①在坐标纸上以U为横轴，I为纵轴，建立直角坐标系．
②在坐标纸上描出各组数据所对应的点．
③将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小电珠的伏安特性曲线．
4．实验器材选取
(1)原则：①安全；②精确；③操作方便．
(2)具体要求
①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0.6A.
②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．
③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．
④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的以上．
⑤从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器．
【规律方法总结】
1．滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比较
两种接法的电路图
负载R上电压的调节范围
≤U≤E
0≤U≤E
负载R上电流的调节范围
≤I≤
0≤I≤
2.两种接法的适用条件
(1)限流式接法适合测量阻值较小的电阻(跟滑动变阻器的最大电阻相比相差不多或比滑动变阻器的最大电阻还小)．
(2)分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的最大电阻要大)．
3．注意事项
(1)电路的连接方式：
①电流表应采用外接法：因为小电珠(3.8V,0.3A)的电阻很小，与量程为0.6A的电流表串联时，电流表的分压影响很大．
②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零开始连续变化．
(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零的一端，使开关闭合时小电珠的电压能从零开始变化，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)I－U图线在U0＝1.0V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0V左右绘点要密，以防出现较大误差．
4．误差分析
(1)由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，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．
高频考点一 实验原理与电路设计
例1．[2016·天津理综·9(3)]某同学想要描绘标有“3.8 V 0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。可供该同学选用的器材除开关、导线外，还有：电压表V1(量程0～3 V，内阻等于3 kΩ)
电压表V2(量程0～15 V，内阻等于15 kΩ)
电流表A1(量程0～200 mA，内阻等于10 Ω)
电流表A2(量程0～3 A，内阻等于0.1 Ω)
滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流2 A)
滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流0.5 A)
定值电阻R3(阻值等于1 Ω)
定值电阻R4(阻值等于10 Ω)
定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)
电源E(E＝6 V，内阻不计)
(1)请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。
(2)该同学描绘出的IU图象应是下图中的________。
(1)电路图如图所示，滑动变阻器的选择：R2的阻值太大，调节不灵敏，故选R1
。与电流表A1并联的电阻：由于A1的内阻为10 Ω，若选R4为并联电阻，则量程为0～0.4 A，若并联阻值过小，电流表读数偏小，读数欠精确。与电压表串联的电阻：分压电阻的阻值应该与电压表V1的内阻具有可比性，故选择R5作为分压电阻，此时量程为0～4V。
答案： (1)图见解析 (2)B
【变式探究】(2015·浙江理综·22)图1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1
图2
(1)根据图1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2中的①、②、③、④所示，电流表量程为0.6 A，电压表量程为3 V．所示读数为：①________、②________、③________、④________.两组数据得到的电阻分别为________和________．
答案 (1)见解析图 (2)①0.10 A ②0.24 A
③2.00 V ④0.27 V 8.3 Ω(8.3±0.1 Ω均可) 2.7 Ω(2.7±0.1 Ω均可)[如填为2.7 Ω(2.7±0.1 Ω均可)
8．3 Ω(8.3±0.1 Ω均可)也行]
解析 (1)描绘小灯泡的伏安特性曲线需要测量电压范围大，变阻器用分压式接法，小灯泡电阻比较小，电流表要外接，电路图如图所示．
【变式探究】小亮同学为研究某电学元件(最大电压不超过2.5 V，最大电流不超过0.55 A)的伏安特性曲线，在实验室找到了下列实验器材：
A．电压表(量程3 V，内阻6 kΩ)
B．电压表(量程15 V，内阻30 kΩ)
C．电流表(量程0.6 A，内阻0.5 Ω)
D．电流表(量程3 A，内阻0.1 Ω)
E．滑动变阻器(阻值范围0～5 Ω，额定电流为0.6 A)
F．滑动变阻器(阻值范围0～100 Ω，额定电流为0.6 A)
G．直流电源(电动势E＝3 V，内阻不计)
H．开关、导线若干．
该同学设计电路并进行实验，通过实验得到如下数据(I和U分别表示电学元件上的电流和电压).
I/A
0
0.12
0.21
0.29
0.34
0.38
0.42
0.45
0.47
0.49
0.50
U/V
0
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
(1)为了提高实验结果的准确程度，电流表选________________；电压表选________________；滑动变阻器选________________．(以上均填写器材代号)
(2)请在虚线框中画出实验电路图．
答案 (1)C A E (2)见解析图
(2)由表格中的数据，根据R＝，估算电学元件的电阻值大约为几欧，因此电流表外接．电路图如图所示．
【举一反三】要测绘一个标有“6 V 2.5 W”小灯泡的伏安特性曲线，要求多次测量尽可能减小实验误差，备有下列器材：
A．直流电源(6 V，内阻未知)
B．电流表G(满偏电流3 mA，内阻Rg＝10 Ω)
C．电流表A(0～0.6 A，内阻未知)
D．滑动变阻器R(0～20 Ω，5 A)
E．滑动变阻器R′(0～200 Ω，1 A)
F．定值电阻R0(阻值1 990 Ω)
G．开关与导线若干
(1)由于所给实验器材缺少电压表，某同学直接把电流表G作为电压表使用测出小灯泡两端电压，再用电流表A测出通过小灯泡的电流，从而画出小灯泡的伏安特性曲线，该方案实际上不可行，其最主要的原因是_________________________________________________
________________________________________________________________________.
(2)为完成本实验，滑动变阻器应选________(填器材前的序号)．
(3)请在图3中完成本实验的实物电路图的连线．
图3
答案 (1)电流表G分压较小，导致电流表A指针偏转很小，误差较大 (2)D (3)如图所示
【方法技巧】电学实验电路设计的思路与方法
1．首先应明确题目的要求，看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或要求设计达到何种标准的电路等．其设计原则是：安全、方便、经济．
2．在测量电路中，一般有电流表内接和外接两种方法，对于给定电表内阻的情况，应先比较R0与待测电阻Rx的关系，其中R0＝，若Rx>R0，则设计为电流表内接法；若Rx
，所以电流表应用外接法．
由于电流、电压从零开始调节，所以滑动变阻器应采用分压式接法，连线图如图甲所示．
甲
(3)画出的I－U图象如图乙所示
乙
【变式探究】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“3.0 V 1.8 W”，电源为12 V的电池，滑动变阻器的最大阻值为10 Ω.
图7
(1)准备使用的实物电路如图7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)
(2)现有10 Ω、20 Ω和50 Ω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8所示，请指出图象中不恰当的地方．
图8
答案 (1)如图所示
(2)10 (3)电池 (4)图线不应画为直线；横坐标的标度选择不合适．
(3)测量结束后，应先断开开关，拆除电池两端的导线，防止电池出现短路以致被烧毁．
(4)由P＝U2知，图象的斜率是变化的，因此图线应是一条曲线．画图线取标度时，应使点尽可能分布在整个坐标纸上，显然该同学的横坐标的标度选择不合适．
【举一反三】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3 kΩ)、电流表(内阻约为1 Ω)、定值电阻等。
(a)
(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1(a)所示，读数为________Ω。据此应选择图1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2
(3)图2(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＝21 Ω的定值电阻，测量待测电池的电动势E和内阻r，电路如图2(b)所示。闭合S1和S2，电压表读数为3.00 V；断开S2，读数为1.00 V，利用图2(a)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＝10 Ω；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。
答案： (1)10 b (2)增大 (3)Y (4)3.2 0.50
1．【2016·天津卷】 (3)某同学想要描绘标有“3.8 V，0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整．可供该同学选用的器材除了开关、导线外，还有：
电压表V1(量程0～3 V，内阻等于3 kΩ)
电压表V2(量程0～15 V，内阻等于15 kΩ)
电流表A1(量程0～200 mA，内阻等于10 Ω)
电流表A2(量程0～3 A，内阻等于0.1 Ω)
滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流2 A)
滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流0.5 A)
定值电阻R3(阻值等于1 Ω)
定值电阻R4(阻值等于10 Ω)
定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)
电源E(E＝6 V，内阻不计)
①请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁．
②该同学描绘出的IU图像应是图中的________．
图1
【答案】 ①电路如图1所示 ②B
图1
2．【2016·浙江卷】 某同学用伏安法测量导体的电阻，现有量程为3 V、内阻约为3 kΩ的电压表和量程为0.6 A、内阻约为0.1 Ω的电流表．采用分压电路接线，图1是实物的部分连线图，待测电阻为图2中的R1，其阻值约为5 Ω.
图18
(1)测R1阻值的最优连接方式为导线①连接________(填“a”或“b”)、导线②连接________(填“c”或“d”)．
(2)正确接线测得实验数据如下表，用作图法求得R1的阻值为________Ω.
U/V
0.40
0.80
1.20
1.60
2.00
2.40
I/A
0.09
0.19
0.27
0.35
0.44
0.53
(3)已知图2中R2与R1是材料相同、厚度相等、表面为正方形的两导体，R2的边长是R1的，若测R2的阻值，则最优的连线应选________(填选项)．
A．①连接a，②连接c B．①连接a，②连接d
C．①连接b，②连接c D．①连接b，②连接d
【答案】 (1)a d
(2)如图所示 4.4～4.7
(3)B
(3)根据电阻定律可得R＝ρ＝，故R2＝R1，要测R2的阻值，与测量R1一样，最优的连线应①连接a，②连接d，故B正确．
1、【2015·浙江·22】7．图1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。
（1）根据图1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2中的①②③④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__________。
【答案】（1）如图
（2）①0.10A、②0.24A、③2.0V、④0.27V。和，如填为和也行
【解析】（1）从实物图中可知电压表测量灯泡两端电压，电流表采用外接法，滑动变阻器采用分压接法，故电路图如图所示
2、【2015·福建·19（2）】10．某学习小组探究一小电珠在不同电压下的电功率大小，实验器材如图甲所示，现已完成部分导线的连接。
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1欧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）。
【答案】 如图所示 0.44 4 2.25
1．从下表中选出适当的实验器材，测量小电珠的伏安特性曲线，得到如图7所示I－U
图线。
器材(代号)
规格
电流表(A1)
量程0～0.6 A，内阻1 Ω
电流表(A2)
量程0～3 A，内阻1 Ω
电压表(V1)
量程0～3 V，内阻约2 kΩ
电压表(V2)
量程0～15 V，内阻约10 kΩ
滑动变阻器(R0)
阻值0～25 Ω
电池(E)
电动势6 V，内阻不计
开关(S)，导线若干
(1)
图7
在如图7所示的I－U图线中，A到B过程中小电珠电阻改变了________Ω。
(2)测量电路中电流表应选用____(填代号)，电压表应选用____(填代号)，电流表应采用____(选填“内”或“外”)接法。
(3)
图8
在图8所示虚线框中用笔补画完整实验电路图，要求变阻器滑片右移时，小电珠两端电压变大。
(2)
由图象测量的最大数值可知，电流表应选小量程0.6 A，即A1，电压表应选较大量程15 V，即V2。由于＝100 Ω＞40 Ω，故应采用电流表外接法。
(3)电表读数从0开始，故变阻器应采用分压式接法，如图所示。
答案 (1)10 (2)A1 V2 外 (3)见解析图
2．某同学查阅资料发现铅笔芯的电阻随温度的升高而变小。在实验中，他取一段长为16 cm的铅笔芯，用多用电表测量其电阻大约为4 Ω。该同学要较精确地测量铅笔芯的电阻，现有下列器材可供选择：
A．电源3 V(内阻不计)
B．电流表0～3 A(内阻0.1 Ω)
C．电流表0～600 mA(内阻0.5 Ω)
D．电压表0～3 V(内阻3 kΩ)
E．电压表0～15 V(内阻200 kΩ)
F．滑动变阻器(0～10 Ω，1 A)
G．滑动变阻器(0～1 kΩ，300 mA)
(1)除开关、导线外，实验中要求能够在电压表上从零开始读取若干组数据，需要选用的器材有：__________(填写字母代号)；
(2)用笔画线代替导线，在实物图9中连接实验电路；
图9
(3)该同学记录了实验数据，并画出了该铅笔芯的伏安特性曲线，证实了铅笔芯的电阻随温度的升高而减小，则该铅笔芯的伏安特性曲线为下图中的________。
(2)电压要求从0开始调节，滑动变阻器采用分压式接法；待测铅笔芯阻值较小，电流表采用外接法。应先画出电路图(如图甲)，然后再连接实物图(如图乙)。
(3)由铅笔芯的电阻随温度的升高而减小知应选C。
答案 (1)ACDF (2)实物连接如解析图所示 (3)C
3．某学习小组用伏安法测量一未知电阻Rx的阻值，给定器材及规格为：
电流表A(量程为0～5 mA，内阻约为10 Ω)
电压表V(量程为0～3 V，内阻约为3 kΩ)
最大阻值约为100 Ω的滑动变阻器；
电源E(电动势约3 V)；
开关S、导线若干．
(1)由于不知道未知电阻的阻值范围，先采用如图甲所示电路试测，读得电压表示数大约为2.5 V，电流表示数大约为5 mA，则未知电阻的阻值Rx大约为________Ω.(计算时不必考虑电压表内阻)
(2)经分析，该电路测量误差较大，需改进．请直接在图甲上改画：①在不需要的连线上画“×”表示，②补画上需要添加的连线．
(3)对改进的电路进行测量，并根据测量数据画出了如图乙所示的U－I图象，得Rx＝________Ω.(保留三位有效数字)
答案：(1)500 (2)如图所示 (3)600
解析：(1)根据用图甲测量的数据和欧姆定律得Rx＝＝ Ω＝500 Ω.
(2)待测量电阻Rx的阻值约为500 Ω，而电压表的内阻约为3 kΩ，是待测电阻的6倍左右，电流表的内阻约为10 Ω，待测电阻是电流表内阻的50倍左右，所以用电流表外接法时电压表的分流作用比较大，应改为电流表内接法．
(3) 待测电阻Rx的大小就等于图乙中图线的斜率，即Rx＝＝ Ω＝600 Ω.
4．在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验时，所用器材有：电动势为6 V的电源、额定电压为2.5 V的小灯泡，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．如图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)
(1)请你用笔画线代替导线，在原图中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，发现小灯泡始终不亮，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2.2 V，要测量小灯泡的额定功率，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，并绘制成了如图所示的U－I图象．根据U－I图象提供的信息，可计算出小灯泡的额定功率是________ W；
(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段导线断路或灯泡损坏 (3)右 (4)0.5 (5)小灯泡的电阻随温度的升高而增大
(2)中学阶段电路故障只有两种情况，即断路和短路．小灯泡不亮表示无电流通过灯泡，电压表有读数表示电压表中有电流通过，可用假设法逐段排除．
(3)为了判断方便，可先画出电路图．(需严格与实物图对应)
所以电压变大时，滑片应向右滑动．
(4)根据U－I图象确定当电压为2.5 V时所对应的电流，根据P＝UI可计算额定功率．
5．有一个小灯泡上标有“4.8 V,2 W”的字样，现在测定小灯泡在不同电压下的电功率，并作出小灯泡的电功率P与它两端电压的平方U2的关系曲线．有下列器材可供选用：
A．电压表V1(0～3 V，内阻3 kΩ)
B．电压表V2(0～15 V，内阻15 kΩ)
C．电流表A(0～0.6 A，内阻约1 Ω)
D．定值电阻R1＝3 kΩ
E．定值电阻R2＝15 kΩ
F．滑动变阻器R(10 Ω，2 A)
G．学生电源(直流6 V，内阻不计)
H．开关、导线若干
(1)实验中所用电压表应选用________，定值电阻应选用________(均用序号字母填写)；
(2)为尽量减小实验误差，并要求从零开始多取几组数据，请在方框内画出满足实验要求的电路图；
(3)利用上述实验电路图测出的电压表读数UV与此时小灯泡两端电压U的定量关系是________，下图的四个图象中可能正确的是________．
答案：(1)A D (2)电路图如图
(3)U＝2UV
6．在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中，除标有“6 V,1.5 W”字样的小电珠、导线和开头外，还有下列器材：
A．直流电源(6 V，内阻不计)；
B．直流电流表(量程为3 A，内阻0.1 Ω以下)：
C．直流电流表(量程为300 mA，内阻约为5 Ω)；
D．直流电压表(量程为10 V，内阻约为15 kΩ)；
E．滑动变阻器(10 Ω，2 A)；
F．滑动变阻器(1 kΩ，0.5 A)．
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．
(3)试将如图所示的器材连成实物电路．
(2)实验电路图如图甲所示．
(3)实物连接图如图乙所示．
答案：(1)C E (2)见解析图甲 (3)见解析图乙
7．在“描绘小电珠的伏安特曲线”实验中，所用器材有：小电珠(2.5 V,0.6
W)，滑动变阻器，多用电表，电流表，学生电源，开关，导线若干．
(1)粗测小电珠的电阻，应选择多用电表________倍率的电阻挡(请填写“×1”、“×10”或“×100”)；调零后，将表笔分别与小电珠的两极连接，示数如图甲，结果为________Ω.
(2)实验中使用多用电表测量电压，请根据实验原理图乙完成实物图丙中的连线．
(3)开关闭合前，应将滑动变阻器的滑片P置于________端，为使小电珠亮度增加，P应由中点向________端滑动．
(4)下表为电压等间隔变化测得的数据，为了获得更准确的实验图象，必须在相邻数据点________间多测几组数据(请填写“ab”、“bc”、“cd”、“de”或“ef”).
数据点
a
b
c
d
e
f
U/V
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
I/A
0.000
0.122
0.156
0.185
0.216
0.244
答案：(1)×1 7.3－7.7 (2)如图所示 (3)a b (4)ab
8．现在要测量一只额定电压为U＝3 V的小灯泡L的额定功率P(约为0.3 W)．实验室备有如下器材：
电流表(量程200 mA，内阻r1＝10 Ω)
电流表(量程300 mA，内阻约为几欧姆)
定值电阻R(10 Ω)
滑动变阻器R1(0～100 Ω，0.5 A)
电源E(E＝5 V，r≈1 Ω)
单刀开关一个、导线若干
(1)设计出实验电路，画在下面的虚线框内．
(2)按(1)中设计的电路图把上图中仪器连接起来；
(3)写出主要的操作步骤：
①____________________________________
②_____________________________________
③_____________________________________.
(4)实验中计算灯泡额定功率的表达式为________．
(必须用题中给定的符号及你在(3)中设计的记录符号来表示)
答案：(1)如图(a)所示 (2)如图(b)所示
(4)P＝U(I2－I1)。
