I—U图线实验题的探究

I—U图线实验题的探究
图像在中学物理中应用十分广泛，它能形象地表达物理规律，能直观地叙述物理过程，并鲜明的表示物理量间的依赖关系，因此，能清晰的理解图象中的“点”、“线”、“斜率”、“截距”、“面积”的物理意义，对我们分析、设计、解决有关实验题有很大的帮助。

下面笔者以恒定电流中I—U图线为例，对其涉及到的实验题进行分析和探究。

一、研究小灯泡的伏安特性曲线
《研究小灯泡的伏安特性曲线》是高考考纲中规定的学生实验，实验主要考查学生对小灯泡的伏安特性曲线的理解和实验数据处理的能力。

例1.在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中，用导线a、b、c、d、e、f、g和h按图实1所示方式连接好电路，电路中所有元器件都完好，且电压表和电流表已调零。

闭合开关后：
图1 图2
(1)若不管怎样调节滑动变阻器，小电珠亮度能发生变化，但电压表、电流表的示数总不能为零，则可能是_____导线断路。

(2)某同学测出电源和小电珠的U－I图线如图实2所示，将小电珠和电阻R串联后接到电源上，要使电路中电流为1.0 A，则R＝______Ω。

(3)某同学在实验中还测出a、b、c三种元件的伏安特性曲线分别如图实3中的(a)、(b)、
(c)，下列说法正确的是（）
图3
A.a可以作为标准电阻使用
B.b能作为标准电阻使用
C.b的阻值随电压升高而增大
D.c 的阻值随电压升高而增大
分析：(1)若调节滑动变阻器，小电珠的亮度变化，但电压表、电流表示数总不能为零，说明滑动变阻器不起分压作用，所以可能是g 导线断路。

(2)由电源的U －I 图线知E ＝3.0 V ，r ＝1 Ω，当小电珠与电阻串联后，由闭合电路欧姆定律得E ＝I (R ＋r ＋R 灯)，又由小电珠的U －I 图线得R 灯＝U
I ＝1.2 Ω，解得R ＝0.8 Ω。

(3)因a 元件的I －U 线是直线，说明其电阻不随电压的变化而变化，故可作为标准电阻，故A 对，B 错。

因I －U 图线的斜率的倒数表示电阻值的变化，故C 对D 错。

答案：(1)g (2)0.8 (3)AC
例2.图4甲所示为某同学测绘额定电压为2.5 V 的小电珠的I －U 图线的实验电路图。

图4
(1)根据电路图，用笔画线代替导线，将图乙中的实物图连接成完整的实验电路； (2)开关S 闭合之前，图4乙中滑动变阻器的滑片应该置于 (选填“A 端”、“B 端”或“AB 正中间”)；
(3)已知小电珠灯丝在27℃时电阻值约为1.5 Ω，并且其电阻值与灯丝的热力学温度成正比，热力学温度T 与摄氏温度t 的关系为T ＝273＋t ，根据图5所示的小电珠的I －U 特性曲线，估算该灯泡以额定功率工作时灯丝的温度约为____ ℃(保留两位有效数字)。

分析：对于分压电路，开关S 闭合前，应该将滑动变阻器的滑
片置于最左端(A 端)，使待测电路上电压为零。

由灯丝电阻与热力学温度成正比可得R ＝kT ，当灯丝温度为300 K 时电阻为1.5 Ω可得k ＝0.005.由小电珠的I －U 特性曲线可得当电压为2.5 V 时灯丝中电流约为0.265 A 。

根据欧姆定律可得出灯丝电阻R ′＝U /I ＝9.4 Ω，由R ＝kT 解得此时灯丝热力学温度T ′＝R ′/k ＝1880 K ，即灯丝温度约为t ＝T ′－273＝1607℃＝1.6×103
℃。

答案：(1)实物连线图如图6所示；(2)A 端；(3) 1.6×103。

二、有关的设计性实验
图
5
图6
“设计和完成实验的能力”在理科综合《考试说明》中指出的五个考试目标之一。

是近几年高考物理实验题的命题趋向。

例3.某学习小组通过实验来探究用电器Z 的导电规律。

他们在实验中测得用电器Z 两端的电压与通过Z 的电流的数据如下表：
（1）请根据上述表格中的数据，在图7中用笔连线补充完成该电路的实物图；
图7 图8
（2）利用这些数据绘出的用电器Z 的伏安特性曲线如图8所示，请根据这些数据和图线解决下列问题：
○
1若把用电器Z 接入图9所示的电路中时，电流表的读数为0.100A ，已知A 、B 两端电压恒为1.5V ，则定值电阻R 0阻值为_____Ω；
○
2若将两个与上述电阻相同的定值电阻R 0并联后接入同一电路，如图10所示，则在该电路中用电器Z 的工作压为______V 。

分析：（1）由I —U 图线可知，电器Z 中电流、电压值从零变化，故滑动变阻器应采用分压法，实物连线如图11所示。

（2）把用电器Z 接入图9所示的电路中，当电流表的读数为
U /V 0.0 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 I /A
0.000
0.050
0.100
0.150
0.180
0.195
0.205
0.215
图10
图9
图11
0.100A 时，由I —U 图线可读出电器Z 两端电压为0.5V ,则定值电阻R 0两端电压为1.0V ,所以R 0=
100
.00.10
I U Ω=10Ω。

将两个与上述电阻相同的定值电阻R 0并联后接入同一电路后，R 并=5Ω，所以5I +U =1.5，根据I —U 图线可求出U=0.83V(在0.81—086V 范围内均可)。

答案：（1）10 ；（2）0.81—0.86V 。

例4.要描绘某电学元件(最大电流不超过6 mA,最大电压不超过7 V)的伏安特性曲线，设计电路如图12所示。

图中定值电阻R 为1 kΩ，用于限流；电流表量程为10 mA ，内阻约为5 Ω；电压表(未画出)量程为10 V ，内阻约为10 kΩ；电源电动势E 为12 V ，内阻不计。

⑴实验时有两个滑动变阻器可供选择： a 、阻值0到200 Ω，额定电流0.3 A b 、阻值0到20 Ω，额定电流0.5 A
本实验应选的滑动变阻器是 （填“a ”或“b ”）
(2)正确接线后，测得数据如下表：
①根据以上数据，电压表是并联在M 与 之间的(填“O ”或“P ”)； ②根据以上数据，在图13中画出该元件的伏安特性曲线；
图13 图14
(3)在图14中画出待测元件两端电压UMO 随MN 间电压UMN 变化的示意图为(无需数值) 。

分析：(1)应选用0到200 Ω阻值的滑动变阻器,因为其调节范围较大。

(2)①从表中数据可估测待测元件的电阻,当U =6.16 V 时，I =0.06 mA ，则R
待
=U
I
U MO
U MN
图12
E
≈100 kΩ，r A=5 Ω，所以考虑电流表内接，即电压表应并联在M与P之间。

②描点、连线得伏安特性曲线如图15所示。

(3)UMO随MN间电压UMN的变化如图16所示。

图15 图16
答案：(1)a (2)①P ②见图15 (3)见图16。