2023年人教版高中物理复习实验十 描绘小电珠的伏安特性曲线

实验十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是曲线。

1．用电流表测出流过小电珠的电流，用电压表测出小电珠两端的电压，测出多组(U，I)值，在I­U 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。

2．电流表外接：因为小电珠的电阻较小，如果电流表内接，误差明显较大。

3．滑动变压器两种接法的对比及选择：
(1)两种接法对比。

比较内容
两种接法
限流接法分压接法电路图(图中R为负载电阻，
R0为滑动变阻器)
闭合开关前滑动触头位置滑动触头在最左端，即保证
滑动变阻器接入电路中的阻
值最大
滑动触头在最左端，即开始
时R上分得的电压为零
负载两端的电压调节范围
R
R0＋R
U～U 0～U
续表
比较内容
两种接法
限流接法分压接法
通过负载的电流调节范围
U
R0＋R
～
U
R
0～
U
R
接线情况用到滑动变阻器一上一下两
个接线柱
用到滑动变阻器两下一上三
个接线柱
(2)
小电珠(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。

1．电路连接：确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分压式接法，按图中的原理图连接好实验电路。

2．开关闭合：把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S。

3．数据测量：移动滑动变阻器滑片位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S。

1．在坐标纸上以U为横轴，以I为纵轴，建立坐标系。

2．在坐标纸上描出各组数据所对应的点(坐标系纵轴和横轴的标度要适中，以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜)。

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。

1．系统误差：由于采用的是电流表外接法，电流表的测量值大于小电珠电流的真实值。

2．偶然误差：
(1)电压表、电流表读数时存在误差。

(2)在坐标纸上描点、作图时存在误差。

(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)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。

(3)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。

(4)I ­U 图线在U 0＝1.0 V 左右将发生明显弯曲，故在U ＝1.0 V 左右绘点要密，以防出现较大误差。

(5)电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的1
3
以上。

(6) 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。

本实验的创新有三个视角 视角一：利用电表改装
在没有电压表的情况下，通过电流表改装成电压表来达到实验目的。

视角二：巧用两种U ­I 图像
利用小电珠的伏安特性曲线和电源的U ­I 图像的交点，巧妙求解小电珠消耗的电功率。

视角三：将小电珠改为硅光电池
探究硅光电池在无光照时的反向伏安特性。

热点一 教材原型实验
【典例1】(2022·郑州模拟)有一额定电压2.8 V ，额定功率0.56 W 的小灯泡，现要用伏安法描绘这个小灯泡的伏安特性曲线。

有下列器材可供选用： A ．电压表(量程0～3 V ，内阻约6 k Ω) B ．电压表(量程0～6 V ，内阻约20 k Ω) C ．电流表(量程0～0.6 A ，内阻约0.5 Ω) D ．电流表(量程0～300 mA ，内阻约20 Ω) E ．滑动变阻器(最大电阻10 Ω，允许最大电流2 A) F ．滑动变阻器(最大电阻200 Ω，允许最大电流150 mA) G ．三节干电池(电动势约为4.5 V) H ．开关、导线若干
(1)为提高实验的精确程度，电压表应选用________；电流表应选用________；滑动变阻器应选用__________。

(以上均填器材前的序号) (2)画出描绘小灯泡伏安特性曲线的电路图。

(3)通过实验描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图所示。

某同学将一电源(电动势E ＝2 V ，内阻r ＝5 Ω)与此小灯泡直接连接时，小灯泡的实际功率是__________W(保留两位有效数字)。

【解析】(1)由题意可知，灯泡的额定电压为2.8 V ，为了准确性及安全性原则，电压表应选择A ；由
P ＝UI 可得灯泡的额定电流为I ＝P U ＝0.562.8
A ＝200 mA ，故电流表应选择D ；测量灯泡的伏安特性曲
线实验中应采用分压接法，故滑动变阻器应选用小电阻，故滑动变阻器应选择E 。

(2)测量小灯泡的伏安特性曲线时，要求电压值从零开始变化，故滑动变阻器应采用分压接法；灯泡内阻由R ＝U
I
求得约为14 Ω，而电流表内阻约为20 Ω，故电流表应采用外接法．故电路图如图所示。

(3)由电源的电动势和内阻作出电源的伏安特性曲线，交点为灯泡的工作点。

由交点坐标可知，灯泡的电压为1.25 V ，电流为0.145 A ，则灯泡的功率P ＝UI ＝1.25×0.145 W ＝0.18 W(0.16～0.20均对)。

答案：(1)A D E (2) 见解析图 (3)0.18(0.16～0.20均对)
热点二 创新型实验
类型一 不变目的变装置(利用电表改装)
【典例2】某同学要描绘标有“3.0 V 0.5 A ”字样小灯泡L 的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确，除开关、导线外，可供选用的器材还有： 电流表A 1(量程0～3 mA ，内阻约为460 Ω) 电流表A 2(量程0～600 mA ，内阻约为10 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0.6 A)
电阻箱R3(最大阻值9 999 Ω)
电源E(E＝3.6 V，内阻不计)
(1)因缺少电压表，需要将电流表__________(选填“A1”或“A2”)改装为电压表。

(2)为了测量(1)中所选择的电流表的电阻，采用电路如图1，电路图中的滑动变阻器应该选择__________(选填“R1”或“R2”)。

根据图1连接好电路图后，先将电阻箱R3阻值调为零，调节滑动变阻器使电流表A达到满偏，然后保持滑动触头位置不变，调节电阻箱阻值如图2，此时电流表A的示数达到满偏的一半，则电流表A的电阻是__________Ω。

该测量值__________(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。

(3)将(1)中所选择的电流表改装成一个量程为3 V的电压表，应串联阻值为__________Ω的电阻。

(4)图3是描绘小灯泡L的伏安特性曲线的部分电路图，请将电路图补充完整，并将所选实验器材的符号标上。

【解析】(1)灯泡的正常工作电流为0.5 A，远大于电流表A1的量程，再加上A1其内阻较大，是不便于当电流表直接测灯泡电流的，所以要将电流表A1改装成电压表；
(2)按照后面的操作过程，由于是采用半偏法测电流表内阻的，R3＝0时，电流表满偏，此时保证滑动变阻器的阻值不变，显然认为此时滑动变阻器分出去的电压不变，要满足此条件，则要求滑动变阻器的阻值远小于R3或R A1的，所以滑动变阻器要选R1。

当电流表半偏时，显然只有当R3＝R A1时，才将原电压平分，所以R A1＝R3＝450 Ω。

由于当将R3接入电路后，电阻变大，它与A1串联后再与滑动变阻器左边并联的总电阻也变大，所以分压也将变大，但此时A1只是半偏，则R3的电压将大于满偏电压的一半，则测量值偏大；
(3)将电流表改为电压表要串联的分压电阻为：
R＝U－U g
I g
＝
3－3×10－3×450
3×10－3
Ω＝550 Ω。

(4)滑动变阻器采用分压接法，电流表外接，电路补充完整如图所示。

答案：(1)A1(2)R1450 大于
(3)550 (4)如解析图所示
创新解读
(1)由于题目中没有电压表，所以应根据题意将电流表进行改装。

(2)分析大电阻作为供电电路时对测量部分电流和电压的影响，从而明确能否利用R3进行实验。

类型二不变目的变装置(两种U­I曲线应用)
【典例3】为了描绘小电珠(标有“2.5 V 1.25 W”字样)的伏安特性曲线，现提供如下器材：
电压表V1(量程0～3 V，内阻约3 kΩ)
电压表V2(量程0～15 V，内阻约15 kΩ)
电流表A1(量程0～0.6 A，内阻约1.0 Ω)
电流表A2(量程0～3 A，内阻约0.1 Ω)
电流表A3(量程0～300 mA，内阻约5 Ω)
滑动变阻器R1(0～10 Ω，3 A)
滑动变阻器R2(0～1 kΩ，0.1 A)
电源E(电动势约为6 V，内阻可不计)
开关S、导线若干
为了尽可能减小实验误差，测量时方便得到多组数据，请回答下列问题：
(1)电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用__________。

(填器材代号)
(2)在图甲所示虚线框内补充完整实验电路的原理图并标明选用的器材代号。

(3)若测得通过小电珠灯丝的电流I随小电珠两端电压U变化的关系图像如图乙所示，将该小电珠与电动势为1.5 V、内阻为3 Ω的干电池组成闭合电路，则该小电珠消耗的电功率为__________W。

(结果保留两位有效数字)
【解析】(1)由于小电珠的额定电压U0＝2.5 V，故电压表应选用V1；结合额定功率P0＝U0I0，得额定电流I0＝0.5 A＝500 mA，故电流表选用A1；要描绘小电珠的伏安特性曲线，即小电珠两端的电压从零开始，故滑动变阻器应采用分压接法，此时滑动变阻器选用最大阻值较小的，故滑动变阻器选用R1；
(2)实验原理图如图所示；
(3)根据闭合电路的欧姆定律有
U＝1.5－3I，在题图乙中作出电源的I­U图像，
可得两图像交点为(0.6，0.30)，则该小电珠消耗的电功率P＝UI＝0.30×0.6 W＝0.18 W。

答案：(1)V1A1R1
(2)如解析图所示(3)0.18
创新解读(1)关键要能结合小电珠的伏安特性曲线和电源的U­I图像，找出交点。

(2)用P＝IU求出小电珠消耗的电功率。

【变式训练】在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，要测量一个标有“3 V，1.5 W”的小灯泡两端的电压和通过它的电流，现有如下器材：
A．直流电源3 V(内阻可不计)
B．直流电流表0～600 mA(内阻约为0.5 Ω)
C．直流电压表0～3 V(内阻约3 kΩ)
D．滑动变阻器(10 Ω，1 A)
E．滑动变阻器(1 kΩ，300 mA)
F．开关、导线若干
(1)本实验中滑动变阻器应选用________(选填“D”或“E”)。

(2)表中的各组数据是该同学在实验中测得的，根据表格中的数据在如图甲所示的坐标纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线。

U/V I/A
0 0
0.5 0.17
1.0 0.30
1.5 0.39
2.0 0.45
2.5 0.49
(3)如图乙所示，将两个这样的小灯泡并联后再与阻值为5 Ω的定值电阻R0串联，接在电压恒定为4 V 的电路中，每个小灯泡的实际功率为________W。

【解析】(1)实验中需测量多组数据，滑动变阻器用分压式接法，为了调节方便，滑动变阻器要选用阻值较小的，故选D。

(2)描点画图，如图所示。

(3)设小灯泡两端的电压为U，电流为I，根据闭合电路欧姆定律得：U0＝U＋2IR0，所以U＝－2R0I＋U0，代入数据得U＝－10I＋4，在小灯泡的伏安特性曲线同一坐标系上画出该直线，其交点(1.0，0.3)即为小灯泡的实际电压、电流值，可得小灯泡消耗的实际功率P＝UI＝0.3 W。

答案：(1)D(2)见解析图(3)0.3。