【物理】2020届一轮复习人教版第十四章第3讲电学实验(一)学案
第3讲 电学实验(一)
实验7：测绘小灯泡的伏安特性曲线
一、实验原理
用电流表测出流过小灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多组(U，I)值，在I－U坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连起来.
二、实验电路图及器材
如图1所示.
图1
小灯泡(3.8 V,0.3 A)或(2.5 V,0.6 A)一个、电压表(0～3 V～15 V)与电流表(0～0.6 A～3 A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20 Ω)一个、学生低压直流电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔.
三、实验步骤
1.确定电表量程，按照实验电路图连接电路.
2.将滑动变阻器滑片滑到a端，闭合开关，使电压从0开始变化.
3.移动滑片，测出多组不同的电压与电流值.
4.在坐标纸上以I为纵轴，以U为横轴，建立坐标系.在坐标纸上描出各组数据所对应的点，将各点用平滑的曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线.
5.拆除电路，整理器材.
四、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0.6 A.
(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阻值相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器.
五、电流表内接法与外接法的比较
电流表内接法
电流表外接法
电路图
误差
原因
电流表分压
U测＝Ux＋UA
电压表分流
I测＝Ix＋IV
电阻
测量值
R测＝＝Rx＋RA>Rx
测量值大于真实值
R测＝＝
时，用电流表内接法.
七、滑动变阻器的限流式接法和分压式接法的比较
限流式接法
分压式接法
两种接法的电路图
负载R上电压的调节范围
(电源内阻不计)
≤U≤E
0≤U≤E
负载R上电流的调节范围
(电源内阻不计)
≤I≤
0≤I≤
八、滑动变阻器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).
九、常用电表的读数
对于电压表和电流表的读数问题，首先要弄清电表量程，
即指针指到最大刻度时电表允许的最大电压或电流，然后根据表盘总的刻度数确定精确度，按照指针的实际位置进行读数即可.
(1)0～3 V的电压表和0～3 A的电流表的读数方法相同，此量程下的精确度分别是0.1 V和0.1 A，看清楚指针的实际位置，读到小数点后面两位.
(2)对于0～15 V量程的电压表，精确度是0.5 V，在读数时只要求读到小数点后面一位，即读到0.1 V.
(3)对于0～0.6 A量程的电流表，精确度是0.02 A，在读数时只要求读到小数点后面两位，这时要求“半格估读”，即读到最小刻度的一半0.01 A.
十、注意事项
1.实验前检查电表指针是否指零，不指零时，要先调零.
2.电流表外接，滑动变阻器采用分压式接法.
3.在小灯泡电压接近额定值时，要缓慢增加电压.
4.作I－U图象时，注意坐标轴单位长度的选取，应使图象尽量分布在较大的坐标平面内，不要画成折线.
例1 (2018·新力量联盟期末)某课外物理研究学习小组准备探究一小灯泡的伏安特性，其标称功率值为0.75 W，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2 Ω，然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U＝＝ V≈1.22 V.他们怀疑所得电压值不准确，于是，设计了一个电路，测量通过小灯泡的电流和它两端的电压，并根据测量数据来描绘小灯泡的U－I图线，进而分析灯泡的额定电压.
电源采用两节干电池组成的电池组；
双量程电压表(中间接线柱3 V，右边接线柱15 V)；
双量程电流表(中间接线柱0.6 A，右边接线柱3 A).
(1)甲同学选择合适的器材，连好实物图如图2所示，乙同学检查时发现了几处错误，请指出其中的2处：
①________________________________________________________________________；
②________________________________________________________________________；
图2
(2)甲同学正确调整电路后，共测得以下8组数据，已在图3坐标纸上描好了点，请在坐标纸上完成U－I图象.
序号
电压/V
电流/mA
1
0.00
0
2
0.20
80
3
0.60
155
4
1.00
195
5
1.40
227
6
1.80
255
7
2.20
279
8
2.70
310
图3
(3)由图象得出该灯泡的额定电压应为________ V，这一结果大于1.22 V，其原因是________________________________________________________________________.
答案 (1)①滑动变阻器采用了限流式接法
②电流表采用了内接法
(2)如图所示
(3)2.5(2.4～2.6均可) 灯泡的常温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).
变式1 在某次“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，所选用的实验器材有
A.小灯泡“2.5 V 0.2 A”
B.电流表0～0.6 A～3 A(内阻约1 Ω)
C.电压表0～3 V～15 V(内阻很大)
D.滑动变阻器“2 A 10 Ω”
E.电源(两节干电池)
F.开关一个，导线若干
图4
(1)在实验时小杰同学采用了如图4所示的实物电路，则具体实验操作前，该电路需改进的地方有________________________________________________________________________.
(2)在方框中画出正确的电路图.
(3)当开关闭合后，滑动变阻器的滑片从左向右滑动过程中，灯泡始终不亮，但电压表有示数，则可能出现的故障是________.
A.小灯泡灯丝断了
B.连接电源的导线断开
C.电流表上某个接线柱与导线断开
D.开关接触不良造成断路
答案 (1)电流表应外接 电流表应选0.6 A量程 滑动变阻器滑片应置于最左侧 (2)如图所示 (3)A
解析 (1)由于电压表内阻与小灯泡电阻的比值大于小灯泡电阻与电流表内阻的比值，故电流表要外接；小灯泡额定电流为0.2 A，电流表应选0.6 A量程；合上开关前，为了保护电表，测量电路电压应最小，故滑动变阻器滑片应置于最左侧.(3)电压表有示数说明
电压表到电源是接通的，A正确.
变式2 为描绘小灯泡L(2.5 V 1.0 W)的伏安特性曲线，某同学根据如下可供选择的器材设计了如图5所示的电路(电路还没有完全接好)，可供选择的实验器材如下：
图5
A.电流表(量程0.6 A，内阻约1 Ω)
B.电压表(量程3 V，内阻约3 kΩ)
C.滑动变阻器(200 Ω，0.3 A)
D.滑动变阻器(5 Ω，2 A)
E.电池组(电动势约3 V，内阻未知)
F.开关，带夹子的导线若干
G.待测小灯泡
(1)实验中滑动变阻器应选择________(填“C”或“D”)，请以笔画线代替导线将尚未连接好的电压表连入电路中.
(2)在该同学连接最后一根导线的c端到直流电源正极之前，请指出其中仅有的两个不当之处：Ⅰ.__________________；Ⅱ.____________________.
(3)改正上述两个不当之处后，他在测量中发现，无论如何调节滑动变阻器的滑片，电压表和电流表的示数均不能取到较小值，其原因可能是导线________(填图中导线代号)没有连接好.
答案 (1)D 如图所示
(2)连电路时没有断开开关 滑动变阻器的滑片没有移至b端 (3)③
变式3 (2016·浙江4月选考·18)在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，小灯泡额定电压为2.5 V、电流为0.3 A.
图6
(1)部分连线的实物图如图6甲所示，请在图中完成实物连接图.
(2)某次实验中，当电流表的示数为0.18 A时，电压表的指针如图乙所示，则电压为________ V，此时小灯泡的功率是________ W.
(3)正确测量获得的伏安特性曲线是下列图象中的________(填字母).
A B
C D
答案 (1)见解析图 (2)1.50 0.27 (3)C
解析 (1)如图所示.
(2)电压表的示数为1.50 V，功率P＝UI＝0.27 W.
(3)温度变高，电阻变大，所以答案为C.
变式4 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7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；
图7
(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3 V、内阻为1 Ω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 (1)连线如图
(2)0.44 (3)4 2.28
解析 (1)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，因此滑动变阻器采用分压式接法，小电珠电阻较小，电流表要外接.
(2)电流表分度值为0.02 A，可知读数为0.44 A.
(3)当电源的内阻与电路外电阻相等时，电源的输出功率最大，此时路端电压为1.5 V，外接总电阻为1 Ω，由题图丙可知，当小电珠电压为1.5 V时，电流为0.38 A，此时小电珠的电阻为R＝＝ Ω≈4 Ω，因此小电珠个数为n＝＝＝4，小电珠的总功率为P＝4UI＝4×1.5×0.38 W＝2.28 W.
实验8：探究导体电阻与其影响因素(包括材料)的关系
一、实验原理
根据电阻定律公式知道只要测出金属丝的长度和它的直径d，计算出横截面积S，并用伏安法测出电阻Rx，即可计算出金属丝的电阻率.
把金属丝接入电路中，用伏安法测金属丝的电阻R.
二、实验电路图及实物图
如图8所示，
图8
被测金属丝，直流电源(4 V)，电流表(0～0.6 A)，电压表(0～3 V)，滑动变阻器(50 Ω)，开关，导线若干，游标卡尺，毫米刻度尺.
三、实验步骤
1.在被测金属丝上的三个不同位置各测一次直径，求出其平均值d.
2.接好用伏安法测电阻的实验电路.
3.用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属丝的有效长度，反复测量三次，求出其平均值l.
4.把滑动变阻器的滑片调节到使接入电路中的电阻值最大的位置.
5.闭合开关，改变滑动变阻器滑片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U的值，填入记录表格内.
6.将测得的Rx、l、d值，代入Rx＝ρ和S＝中，计算出金属丝的电阻率.
四、数据处理
1.在求Rx的平均值时可用两种方法
(1)用Rx＝分别算出各次的数值，再取平均值；
(2)用U－I图线的斜率求出.
2.计算电阻率将记录的数据Rx、l、d的值代入电阻率计算式ρ＝Rx＝.
五、注意事项
1.本实验中被测金属丝的电阻值较小，因此实验电路一般采用电流表外接法.
2.被测金属丝的有效长度，是指被测金属丝接入电路的两个端点之间的长度，亦即电压表两端点间的被测金属丝长度，测量时应将金属丝拉直，反复测量三次，求其平均值.
例2 (2018·新高考联盟联考)小王同学想要探究导体的电阻除与导体的横截面积有关外，还与哪些因素有关， 他找来了电阻定律实验器.电阻定律实验器规格：将一根细铜丝连接在ae间，横截面积相同的细铁丝连接在bf间，再将一根横截面积相同的镍铬丝一端接在g处，
接下来拉直后接到c处， 再接到d处，最后接在h处.
图9
(1)为了测定电阻丝的电阻大小，小王经分析后，正确地选用了伏安法中的变阻器的分压式接法、电流表的外接法.在测量细铜丝电阻时的实物连接如图9所示，闭合开关S前请老师检查， 老师指出图中标示的①、②两根连线有一处错误，错误连线是________(选填“①”或“②”)；图中标示的③、④和⑤三根连线有一处错误，错误连线是________(选填“③”“④”或“⑤”).
(2)接下来某次测量中(已采用正确的测量电路)，小王将导线⑥连接在g上，导线⑦连接在 c 上，移动滑动变阻器滑片多次测量得电阻 R1.再将导线⑦连接到h处，多次测量得电阻R2.小王认为，若R2＝2R1，则说明导体的电阻在其他因素不变的情况下，与长度成正比.你认为上述操作中存在的问题是：__________________________________________(指出问题即可).
(3)“探究导体电阻与其影响因素的关系”的实验方法与下列哪个实验的方法是相同的________.
A.探究合力与分力的关系
B.探究加速度与力、质量的关系
C.探究做功与速度变化的关系
D.探究小灯泡的伏安特性曲线
答案 (1)① ④ (2)没有考虑cd间的电阻 (3)B
变式5 (2017·浙江4月选考·18)小明用电学方法测量电线的长度.首先，小明测得电线铜芯的直径为1.00 mm，估计其长度不超过50 m(已知铜的电阻率为1.75×10－8 Ω·m).现有如下实验器材：①量程为3 V、内阻约为3 kΩ的电压表；②量程为0.6 A、内阻约为0.1 Ω的电流表；③阻值为0～20 Ω的滑动变阻器；④内阻可忽略、输出电压为3 V的电源；⑤阻值为R0＝4.30 Ω的定值电阻，开关和导线若干.
小明采用伏安法测量电线电阻，正确连接电路后，调节滑动变阻器，电流表的示数从0开始增加，当示数为0.50 A时，电压表示数如图10甲所示，读数为______ V.根据小明测量的信息，图乙中P点应该________(选填“接a”“接b”“接c”或“不接”)，Q点应该________(选填“接a”“接b”“接c”或“不接”).小明测得的电线长度为______ m.
甲 乙
图10
答案 2.50 接b 接a 31.4
解析 电压表量程为3 V，最小分度为0.1 V，应估读到0.01 V，即读数为2.50 V；由题意知实验电路图如图所示：
根据Rx＋R0＝，Rx＝ρ，S＝，联立并代入数据可得L＝31.4 m.
1.在“探究导体电阻与其影响因素的关系”实验中，有两节新的干电池、开关、若干导线和待测金属管(其阻值约为5 Ω)及下列器材：
A.电压表0～3 V，内阻约10 kΩ
B.电压表0～15 V，内阻约50 kΩ
C.电流表0～0.6 A，内阻约0.05 Ω
D.电流表0～3 A，内阻约0.01 Ω
E.滑动变阻器，0～10 Ω
F.滑动变阻器，0～100 Ω
(1)要求较准确地测出其阻值，电压表应选__________，电流表应选__________，滑动变阻器应选__________；(填序号)
(2)实验中某同学的实物接线如图1所示，请指出接线中的两处明显错误.
图1
错误1：________________________________________________________________________；
错误2：________________________________________________________________________.
答案 (1)A C E (2)导线连接在了滑动变阻器的滑片上 采用了电流表内接法
解析 (1)由于两节干电池的电动势为3 V，所以电压表应选A；由于通过金属管的最大电流约为Im＝＝ A＝0.6 A，所以电流表应选C；由于待测金属管的阻值约为5 Ω，滑动变阻器F阻值太大，故滑动变阻器应选E.
(2)由于待测金属管阻值远小于电压表内阻，所以电流表应用外接法，连线图中的两处明显错误分别是：
错误1：导线连接在了滑动变阻器的滑片上；
错误2：采用了电流表内接法.
2.(2018·题型示例)小明对2B铅笔芯的导电性能感兴趣，于是用伏安法测量其电阻值.
(1)图2甲是部分连接好的实物电路图，请用电流表外接法完成接线并在图中画出.
图2
(2)小明用电流表内接法和外接法分别测量了同一段2B铅笔芯的伏安特性，并将得到的电流、电压数据描到U－I图上，如图乙所示.在图中，由电流表外接法得到的数据点是用________(选填“○”或“×”)表示的.
(3)请你选择一组数据点，在图上用作图法作图，并求出这段铅笔芯的电阻为________ .(结果保留两位有效数字)
答案 (1)见解析图 (2)× (3)见解析图 用“×”表示的数据连线时，电阻为1.2 Ω(1.1～1.3 Ω均可)，用“○”表示的数据连线时，电阻为1.6 Ω(1.5～1.7 Ω均可)
解析 (1)连线如图(a)所示.
(2)U－I图象如图(b)所示，U－I图象的斜率的大小表示电阻的阻值，而用电流表内接法时测得的电阻偏大，外接法时测得的电阻偏小，所以外接法的数据点是用“×”表示的.
(3)所作图象如图(b)所示，在U－I图象上，选用外接法所得的“×”连线，则R＝＝1.2 Ω，选用内接法所得的“○”连线，则R＝＝1.6 Ω.
3.(2018·浙江11月选考·18)为了比较精确地测定阻值未知的定值电阻Rx，小明设计了如图3所示的电路.
图3
(1)实验时，闭合开关S，滑动变阻器的滑片滑至合适位置保持不变，将c点先后与a、b点连接，发现电压表示数变化较大，电流表示数基本不变，则测量时应将c点接________(选填“a点”或“b点”)，按此连接测量，测量结果________(选填“小于”、“等于”或“大于”)Rx的真实值.
(2)根据实验测得的6组数据，在图4中描点，作出了2条图线，你认为正确的是________(选填“①”或“②”)，并由图线求出电阻Rx＝________ Ω.(保留两位有效数字)
图4
答案 (1) a点 小于 (2)② 7.5
解析 (1)由题中表述知，c先后与a、b试触，电压表示数变化比较大，故电流表的电阻对电路影响比较大，所以应该使用电流表外接法，即接a点，由R＝知测量值比真实值偏小.
(2)根据电路的接法，当电流为零时电压表示数也为0，故图线过原点，选②，由I－U图象的斜率的倒数即为电阻阻值可知Rx＝7.5 Ω.
4.要测绘一个标有“3 V 0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线，灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3 V.
(1)实验的电路图应选用下列图中的____________(填字母代号)
(2)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图5所示，当小灯泡的电压为1.0 V，其电阻为______Ω，由图可得，当电压U>1 V后，小灯泡电阻R随温度T的升高而_______(选填“增大”或“减小”).
图5
答案 (1)D (2)10 增大
解析 (1)要使灯泡两端的电压由0逐渐增加到3 V，测绘小灯泡的伏安特性曲线应采用分压式接法，同时因灯泡内阻较小，故电流表采用外接法，故电路图应选择D；
(2)由题图可知，当电压为1.0 V时，电流为0.10 A，则由欧姆定律可知：R＝＝ Ω＝10 Ω；U>1 V后，I－U图象上各点与原点连线的斜率表示电阻的倒数.由题图可知，此斜率越来越小，说明电阻在增大.
5.在“探究导体电阻与其影响因素的定量关系”实验中，为了探究3根材料未知、横截面积均为S＝0.20 mm2的金属丝a、b、c的电阻率，采用如图6所示的实验电路.M为金属丝c的左端点，O为金属丝a的右端点，P是金属丝上可移动的接触点.在实验过程中，电流表读数始终为I＝1.25 A，电压表读数U随OP间的距离x的变化如下表：
图6
x/mm
600
700
800
900
1 000
1 200
1 400
U/V
4.00
4.50
5.10
5.90
6.50
6.65
6.82
x/mm
1 600
1 800
2 000
2 100
2 200
2 300
2 400
U/V
6.93
7.02
7.15
7.85
8.50
9.05
9.75
(1)绘出电压表读数U随OP间距离x变化的图线；
(2)求出金属丝的电阻率ρ，并进行比较.
答案 见解析
解析 (1)以OP间距离x为横轴，以电压表读数U 为纵轴，描点、连线绘出电压表读数U随OP间距离x变化的图线.
(2)根据电阻定律R＝ρ可得ρ＝R·＝·.
则ρa＝ Ω·m＝1.00×10－6 Ω·m
ρb＝ Ω·m＝1.04×10－7 Ω·m
ρc＝ Ω·m＝1.04×10－6 Ω·m
通过计算可知，金属丝a与c电阻率接近，远大于金属丝b的电阻率.
6.(2018·浙江4月选考·18)(1)小明用多用电表测量一小段2B铅笔芯的电阻Rx，正确的操作顺序是________(填字母)；
A.把选择开关旋转到交流电压最高挡
B.调节欧姆调零旋钮使指针指到欧姆零点
C.把红、黑表笔分别接在Rx两端，然后读数
D.把选择开关旋转到合适的挡位，将红、黑表笔接触
E.把红、黑表笔分别插入多用电表“＋”、“－”插孔，用螺丝刀调节指针定位螺丝，使指针指0
(2)小明正确操作后，多用电表的指针位置如图7所示，则Rx＝________ Ω；
图7
(3)小张认为用多用电表测量小电阻误差太大，采用伏安法测量.
现有实验器材如下：电源(电动势3 V，内阻可忽略)，
电压表(量程3 V，内阻约3 kΩ)，
多用电表(2.5 mA挡、25 mA挡和250 mA挡，对应的内阻约40 Ω、4 Ω和0.4 Ω)，
滑动变阻器RP(0～10 Ω)，
定值电阻R0(阻值10 Ω)，
开关及导线若干.
测量铅笔芯的电阻Rx，下列电路图中最合适的是________(填字母)，多用电表选择开关应置于________挡.
答案 (1)EDBCA (2)2.9 (3)B 250 mA
解析 (1)多用电表应先进行机械调零，再进行欧姆调零，用完电表后再把电表挡位调整到交流电压最高挡或者OFF挡，机械调零的步骤是E，欧姆调零的步骤是D、B，测电阻的步骤是C，最后的步骤是A，所以正确操作顺序是EDBCA.
(2)所选挡位为×1，则读数为2.9 Ω.
(3)电压表量程3 V，电源电动势3 V，电路C不能使电压表发生明显偏转，故选项C错误；被测总电阻是13 Ω左右，最大电流约为230 mA，所以电流表选择量程250 mA，结合电表内阻可知，被测电阻属于小电阻，所以采用电流表外接法，选项A错误；电路D中电压表不会随着滑动变阻器阻值的变化而变化，故选项D错误.
