2020复习方案高考物理人教版一轮复习讲义：第八章 实验九 描绘小灯泡的伏安特性曲线 含答案

实验九描绘小灯泡的伏安特性曲线
命题点一教材原型实验
某同学设计了探究铅笔芯伏安特性曲线的实验，得到如下数据(I和U分别表示通过铅笔芯的电流和其两端的电压)：
U/V0.000.400.80 1.20 1.60 2.00
A．电流表A1(量程0.6 A，内阻约1.0 Ω)；
B．电流表A2(量程3 A，内阻约0.1 Ω)；
C．电压表V1(量程3 V，内阻3 kΩ)；
D．电压表V2(量程15 V，内阻15 kΩ)；
E．滑动变阻器R1(阻值0～10 Ω，额定电流2 A)；
F．滑动变阻器R2(阻值0～2 kΩ，额定电流0.5 A)；
G．稳压直流电源E(6 V)，开关和带夹子的导线若干以及长约14 cm的绘图2B 铅笔芯．
(1)为了完成实验，电流表应该选择________，电压表应该选择________，滑动变阻器应该选择________．(均填器材前的字母)
(2)下图的实验电路图中合理的是________．
【解析】(1)根据测量的数据可知，测得的电路中的最大电流为0.48 A，故电流表选用A；测得的电压最大值为2 V，故电压表选C；因为电压要从零开始调节，故滑动变阻器采用分压接法，用总阻值较小的滑动变阻器就可方便调节，因此滑动变阻器选E.(2)因为铅笔芯的电阻较小，为减小测量误差，用电流表外接法，故电路图选B.
【答案】(1)A C E(2)B
1．由金属丝制成的电阻器阻值会随温度的升高而变大．某同学为研究这一现象，亲自动手通过实验描绘这样一个电阻器的电压与电流关系图线．可供选择的实验器材有：
A．待测电阻器R(2.5 V,1.2 W)；
B．电流表A(0～0.6 A，内阻为1 Ω)；
C．电压表V(0～3 V，内阻未知)；
D．滑动变阻器(0～10 Ω，额定电流为1 A)；
E．电源(E＝3 V，内阻r＝1 Ω)；
F．定值电阻R0(阻值为5 Ω)；
G．开关一个和导线若干．
(1)实验时，该同学采用电流表内接法，并且电阻器两端电压从零开始变化，请在虚线框内画出实验电路图．
答案：如图甲所示
(2)按照正确的电路图，该同学测得实验数据如下表：
其中，I是电流表的示数，U是电压表的示数，U R是电阻器两端的实际电压．请通过计算补全表格中的空格，然后在下图中画出电阻器的U R-I图线．
答案：如图乙中曲线所示
(3)该同学将本实验中的电阻器R以及给定的定值电阻R0二者串联起来，接在本实验提供的电源两端，则电阻器的实际功率是0.32 W．(结果保留两位小数) 解析：(1)要使电阻器两端电压从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法．电路图如图甲所示．(2)电压表的示数减去电流表的分压即为电阻器两端的电压，即U R ＝U－IR A，数据如表中所示．U R-I图线如图乙中曲线所示．(3)由U R＋I(r＋R0)＝E，作出U R-I图象如图乙中直线所示，由此图象与电阻器U R-I图线的交点可得此时电阻器的电压U R＝0.9 V，电流I＝0.35 A，电阻器的实际功率为P＝U R I≈0.32 W.
(1)一般情况下，小电阻用外接法，大电阻用内接法测量误差较小；若电流表内阻已知，则用内接法，可清除系统误差.
(2)滑动变阻器是限流使用还是分压使用首先要看实验要求，若存在以下语言暗示，滑动变阻器要并联分压使用：
①要求电压或电流从零开始变化；
②要求多测量几组数据；
③要求电压或电流变化范围足够大；
④虽没有文字暗示，但在表格中给出了一系列的数据，应依据数据中电压(或电流)的变化范围特点来判断，如果电压变化范围大，则滑动变阻器应并联分压使用.
命题点二实验拓展创新
类型1描绘其他元件的伏安特性
(2019·济南模拟)发光二极管在生产和生活中得到了广泛的应用，如图所示是一种发光二极管的实物图，正常使用时，带“＋”号的一端接高电势，带“－”号的一端接低电势，某同学想描绘它的伏安特性曲线，实验测得它两端的电压U和通过它的电流I，所得数据如表所示.
U/V00.400.80 1.20 1.60 2.00 2.40 2.80
(1)
A．电压表(量程0～3 V，内阻约10 kΩ)
B．电压表(量程0～15 V，内阻约25 kΩ)
C．电流表(量程0～50 mA，内阻约50 Ω)
D．电流表(量程0～0.6 mA，内阻约1 Ω)
E．滑动变阻器(阻值范围0～10 Ω，允许最大电流3 A)
F．电源(电动势6 V，内阻不计)
G．开关，导线若干
该同学做实验时，电压表选用的是________，电流表选用的是________．(填选项字母)
(2)请在图甲中以笔画线代替导线，若实验要求将实物图中的连线补充完整．
(3)在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片应置于最________(选填“左”或“右”)端．
(4)根据表中数据，在图乙所示的坐标纸中画出该发光二极管的I-U图线．
(5)由I-U图线可知：二极管的电阻值随工作电压的增大而________(选填“不变”“增大”或“减小”)．
(6)若此发光二极管的最佳工作电流为10 mA，现将此发光二极管与电动势为3 V、内阻不计的电池组相连，还需串联一个阻值R＝________Ω的电阻，才能使它工作在
最佳状态．(结果保留三位有效数字)
【解析】(1)根据实验测得它两端的电压U和通过它的电流I的数据范围可知：电压变化的最大值为2.8 V，所以电压表选A；电流变化的最大值为30 mA，所以电流表选C.
(2)电压、电流要从0测起，所以滑动变阻器应该用分压式；二极管的电阻更接近电流表的内阻．电流表应该用外接法．实物图的连接如图所示．
(3)根据题意可知当开关S闭合前，应使被测电路两端电压最小，即滑动变阻器的滑片应置于最左端．
(4)根据表中数据，在坐标纸上描出各点，用平滑的曲线连接起来．如图所示．
(5)图线各点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，故随电压的增大，电阻减小．
(6)根据I-U图线，可知当二极管的工作电压为1.9 V时，工作电流约为10 mA，串联电阻上分得的电压应为1.1 V，故应串联的电阻为R＝110 Ω.
【答案】(1)A C(2)见解析图(3)左(4)见解析图(5)减小(6)110
类型2利用I-U图象(或U-I图象)求元件的电功率
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 kΩ)；电流表(量程0.5 A，内阻0.5 Ω)；固定电阻R0(阻值1 000 Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0 Ω)；
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0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，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甲所示．
由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻________(选填“增大”“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率________(选填“增大”“不变”或“减小”)．
(3)用另一电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)和题给器材连接成图乙所示的电路，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2位小数)
【解析】(1)由于电压表量程是0～3 V<U L＝3.8 V，故用定值电阻R0与电压表串联，扩大其量程．电源内阻不计，滑动变阻器总阻值较小，小灯泡上的电压应从零开始调节，故实验电路采用外接法分压式电路，如图所示．
(2)小灯泡伏安特性曲线上的某一点与原点连线的斜率的物理意义是
1
R L，随着电
流的增加，小灯泡的电阻增大，由电阻定律知灯丝的电阻率增大．
(3)当滑动变阻器阻值R1＝9 Ω时，小灯泡上电压随电流变化的关系为：U1＝E0－I1(r＋R1)，即：U1＝4－10I1①；在图甲小灯泡伏安特性曲线上作出①关系式表示的直线(如图)．直线①与曲线交点坐标为(1.8 V，225 mA)，故小灯泡的最小功率为P1＝I1U1＝0.225×1.8 W＝0.41 W；当滑动变阻器阻值R2＝0时，灯泡消耗的功率最大，有U2＝E0－I2r，即：U2＝4－I2②，直线②与曲线交点坐标为(3.67 V,320 mA)，如图所示．小灯泡的最大功率为P2＝I2U2＝0.32×3.67 W＝1.17 W.
【答案】(1)见解析图(2)增大增大(3)0.41 1.17
2．有一个小灯泡上标有“4.8 V 2 W”的字样，某同学为了测量小灯泡在不同电压下的电功率，从实验室找到以下器材：
A．表头G(0～1 mA，内阻为3 kΩ)
B．电流表A(0～0.6 A，内阻约1 Ω)
C．电阻箱(0～9 999.9 Ω)
D．滑动变阻器R(10 Ω，2 A)
E．学生电源(直流6 V，内阻不计)
F．开关、导线若干
(1)由于表头量程偏小，该同学首先需将表头改装成量程为0～6 V的电压表，则应该将表头与电阻箱串联(填“并联”或“串联”)，并将该电阻箱阻值调为3_000 Ω.
(2)接着该同学用改装后的电压表测量小灯泡在不同电压下的电功率，请在虚线框中画出实验原理图．
答案：如图所示
(3)某次测量，电流表指针偏转如图甲所示，则电流表的示数为0.44 A.
(4)该同学描绘出的小灯泡的U-I图象如图乙所示．若将两个相同的小灯泡串联后，直接与电动势为3 V、内阻为1 Ω的电源组成闭合回路，每个小灯泡的功率约为0.45(0.42～0.50均可) W．(保留两位小数)
解析：(1)表头与电阻串联改装为电压表，串联的电阻为R x＝U
I g－R g＝3 000 Ω.(2)
小灯泡的内阻较小，电流表应使用外接法；电压或电流从零开始变化，滑动变阻器使用分压式接法，实验原理图见答案．(3)电流表示数为0.44 A．(4)设每个小灯泡工作
时的电压为U，电流为I，根据闭合电路欧姆定律有E＝2U＋Ir，则U＝－r
2I＋
E
2；
在小灯泡的U-I图线中作出该关系式对应的图线，两图线的交点(0.34 A,1.33 V)即小灯泡的工作状态点，故小灯泡的功率为P＝0.34×1.33 W≈0.45 W.
1．要描绘一个标有“3 V0.8 W”小灯泡的伏安特性曲线，要求灯泡两端的电压由零逐渐增加，且尽量减小实验误差．已选用的器材除导线、开关外，还有：电池组(电动势为4.5 V，内阻约1 Ω)
电流表(量程为0～0.6 A，内阻约为1 Ω)
电压表(量程为0～3 V，内阻约为3 kΩ)
滑动变阻器(最大阻值20 Ω，额定电流1 A)
(1)实验电路应选用图甲中的B(填字母代号)．
(2)按照(1)中选择的电路进行连线，如图乙所示，其中应该去掉的导线是b(选填相应的字母)．
(3)闭合开关前滑动变阻器的滑片应该置于最左端(选填“左”或“右”)．
(4)以电压表的读数U为横轴，以电流表的读数I为纵轴，根据实验得到的多组数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线，如图丙所示．由图可知：随着电压的增大，小灯泡的电阻增大(选填“增大”或“减小”)，其发生变化的原因随着电压升高，灯丝电阻的温度升高，电阻增大．
(5)如果将这个小灯泡接到电动势为1.5 V，内阻为5 Ω的电源两端，电路接通后
小灯泡两端的电压是0.7 V.
解析：(1)由题意得，本实验应从零开始测量，故滑动变阻器应采用分压接法；由于灯泡内阻较小，因此应采用电流表外接法，故选择B电路；(2)由图可知，电压表左侧分别接了两条导线，由于本实验应采用电流表外接法，故应将导线b去掉；(3)由图可知，测量部分与滑动变阻器左侧并联，为了让电压从零开始调节，滑片开始时应置于最左端；(4)I-U图象中任一点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，则可知，随着电压的升高电阻增大，原因是灯丝电阻随温度的升高而增大；(5)在灯泡的伏安特性曲线里作出电源的伏安特性曲线，如图所示，由图可知，小灯泡两端的电压约为0.7 V.
2．某物理小组准备探究某种元件Q(标有“4V 2 W”字样)的伏安特性曲线，他们找来了下列器材：
A．电压表V1(0～5 V，内阻约10 kΩ)
B．电压表V2(0～10 V，内阻约20 kΩ)
C．电流表A(0～0.6 A，内阻约0.4 Ω)
D．滑动变阻器R1(5 Ω，1 A)
E．滑动变阻器R2(500 Ω，0.2 A)
(1)实验中电压表应选用A，为使实验误差尽量减小，要求电压从零开始变化且多取几组数据，滑动变阻器应选用D，请将图中的实物连线补充完整；(填器材对应的选项字母)
答案：如图所示
(2)考虑电表内阻的影响，该元件电阻的测量值小于(填“大于”“等于”或“小于”)真实值；
(3)检查实验电路连接正确，然后闭合开关，调节滑动变阻器滑动头，发现电流表和电压表指针始终不发生偏转，在不断开电路的情况下，检查电路故障，应该使用多用电表的直流电压挡；检查过程中将多用电表的红、黑表笔与电流表“＋”“－”接线柱接触时，多用电表指针发生较大角度的偏转，说明电路故障是电流表断路．解析：本题考查实验“探究元件的伏安特性曲线”．(1)元件Q的额定电压为4 V，故电压表选V1；实验要求电压从零开始变化，滑动变阻器采用分压式，为便于调节，
滑动变阻器选用阻值小的，故滑动变阻器选用R1.元件Q的电阻R＝U2
P＝
(4 V)2
2 W＝8 Ω，
R
R A＝20，R V
R＝1 250，
R
R A<
R V
R，故电流表采用外接法．(2)由于电压表的分流，通过元
件Q电流的测量值大于真实值，而元件Q两端电压的测量值等于真实值，由欧姆定律知，该元件电阻的测量值小于真实值．(3)实验电路连接正确，闭合开关，调节滑动变阻器滑动头，发现电流表和电压表指针始终不发生偏转，说明电路存在断路．在不断开电路的情况下，检查电路的故障，应使用多用电表的直流电压挡．检查过程中将多用电表的红、黑表笔与电流表“＋”“－”接线柱接触时，多用电表指针发生较大角度的偏转，说明电路故障是电流表断路．
3．某实验小组欲描绘小灯泡的伏安特性曲线，现提供下列器材：
A．电压表V(量程0～6 V，内阻约6 kΩ)
B．电流表A(量程0～0.6 A，内阻约10 Ω)
C．电阻箱R1(0～999.9 Ω)
D．定值电阻R2＝200 Ω
E．定值电阻R3＝100 Ω
F．滑动变阻器R4(0～10 Ω)
G ．滑动变阻器R 5(0～100 Ω)
H ．规格为“6 V 6 W ”的待测灯泡
I ．电源E (电动势约12 V ，内阻较小)
J ．开关、导线若干
(1)某同学根据实验原理，将电流表的量程由0～0.6 A 扩大至0～1.0 A ，首先采用了如图甲所示的电路测量电流表内阻．闭合开关S 1，反复调节电阻箱阻值，当R 1＝19.0 Ω时，发现闭合和断开开关S 2时电流表示数相同，则电流表的内阻R A ＝9.5 Ω.若忽略偶然误差，从理论上分析，实验测得的电流表内阻值等于(填“大于”“小于”或“等于”)真实值．
(2)图乙是测量灯泡电流随电压变化的实物电路，请你用笔画线代替导线完成电路连接(要求在闭合开关前，滑动变阻器滑片置于最左端)．
答案：如图所示
(3)实验中，滑动变阻器应选择R 4(填“R 4”或“R 5”)．
解析：(1)由题意“发现闭合和断开开关S 2时电流表示数相同”，说明开关S 2闭合和断开对两支路的电流没有影响，即在开关S 2所在的线路上没有电流流过，则开关S 2上方的点(R 1和R 2中间的点)与S 2下方的点(电流表和R 3中间的点)电势相等，即
电桥平衡，可得R 1R 2＝R A R 3
，代入数据可得R A ＝9.5 Ω，此种测量方法没有系统误差，测量值等于真实值．(2)要描绘小灯泡的伏安特性曲线，要求电压从零开始变化，即滑动变阻器采用分压式接法，电流表改装成大量程的电流表，需要并联电阻箱，故电路连线如图所示．(3)因为滑动变阻器是分压式接法，为方便调节，滑动变阻器选用最
大阻值较小的R4.。