(统考版)2023版高考物理一轮复习 第八章 恒定电流 实验九 描绘小电珠的伏安特性曲线学生用书

实验九　描绘小电珠的伏安特性曲线
必备知识·自主排查
一、基本原理与操作
原理与电路图
操作要领
原理：测多组小电珠的U，I值，并绘出I U 图象，由图线分析判断电流与电压和温度的关系．(1)
连接电路：按照实验电路图连接好电路
(2)测量与记录：
测出小电珠在不同电压下的电流，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，并将测量数据填入自己设计的表格中．
二、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，得到小电珠的伏安特性曲线．
●注意事项
1．电流表外接法：本实验中被测小电珠灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法．
2．滑动变阻器应采用分压式连接
本实验要作出U I图象，要求测出一组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压接法．
3．闭合开关前
把滑动变阻器的滑片调节到使小灯泡分得电压为零的一端．
●误差分析
1．电表内阻对电路的影响会带来误差．
2．电流表、电压表的读数带来误差．
3．在坐标纸上描点、作图带来误差．
关键能力·分层突破
考点一　教材原型实验
例1. [2021·全国甲卷，23]
某同学用图(a)所示电路探究小灯泡的伏安特性，所用器材有：小灯泡(额定电压2.5 V，额定电流0.3 A)、电压表(量程300 mV，内阻300 Ω)、电流表(量程300 mA，内阻0.27 Ω)、定值电阻R0、滑动变阻器R1(阻值0～20 Ω)、电阻箱R2(最大阻值9 999.9Ω)、电源E(电动势6 V，内阻不计)、开关S、导线若干．完成下列填空：
(1)有3个阻值分别为10 Ω、20 Ω、30 Ω的定值电阻可供选择，为了描绘小灯泡电流在0～300 mA的U I曲线，R0应选取阻值为________ Ω的定值电阻；
(2)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于变阻器的________(填“a”或“b”)端；
(3)在流过电流表的电流较小时，将电阻箱R2的阻值置零，改变滑动变阻器滑片的位置，读取电压表和电流表的示数U、I，结果如图(b)所示．当流过电流表的电流为10 mA 时，小灯泡的电阻为________ Ω(保留1位有效数字)；
(4)为使得电压表满量程时对应于小灯泡两端的电压为3 V，该同学经计算知，应将R2的阻值调整为________ Ω.然后调节滑动变阻器R1，测得数据如下表所示：
U/mV24.046.076.0110.0128.0152.0184.0216.0250.0 I/mA140.0160.0180.0200.0220.0240.0260.0280.0300.0
(5)由图(b)和上表可知，随流过小灯泡电流的增加，其灯丝的电阻________(填“增大”“减小”或“不变”)；
(6)该同学观测到小灯泡刚开始发光时流过电流表的电流为160 mA，可得此时小灯泡电功率P1＝____________ W(保留2位有效数字)；当流过电流表的电流为300 mA时，
＝______________ (保留至整数)．
小灯泡的电功率为P2，则P2
P1
跟进训练
1.[2022·河北衡水中学调研]为描绘标有“3 V　1.8 W”字样的小灯泡的伏安特性曲线，所使用的器材有：导线，开关，电动势为4 V的电池组和待测小灯泡，此外还有如下实验器材供选择：
A．电流表(量程为0.6 A，内阻约为1 Ω)；
B．电流表(量程为3 A，内阻约为0.20 Ω)；
C．电压表(量程为3 V，内阻约为2 kΩ)；
D．电压表(量程为15 V，内阻约为4.5 kΩ)；
E．滑动变阻器(0～100 Ω)；
F．滑动变阻器(0～20 Ω)．
(1)为减小实验误差，下列四种实验方案最理想的是________(填正确答案标号)．
(2)在上述实验方案中，电流表应选__________，滑动变阻器应选__________(均填器材前面的字母代号)．某同学利用所选用的实验器材描绘出了小灯泡的伏安特性曲线，如图甲所示，当流过小灯泡的电流为0.5 A时，图象的切线如图中虚线所示，此时小灯泡的电阻为________ Ω.
(3)现把实验中使用的小灯泡连接到如图乙所示的电路中，其中电源电动势E＝2 V，内阻r＝1 Ω，定值电阻R＝4 Ω，此时小灯泡的实际功率为________ W(结果保留2位有效数字)．
考点二　拓展创新实验
例2. [2022·山西太原模拟]太阳能电池帆板可以给卫星、宇宙飞船等提供能量．如图甲，太阳能电池在有光照时，可以将光能转化为电能，在没有光照时，可以视为一个电动势为零的电学器件．
探究一：某实验小组用测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，用图乙所示的电路探究太阳能电池被不透光黑纸包住时的I U特性曲线．
(1)图乙中虚线处________(选填“需要”或“不需要”)连接导线；滑动变阻器如图丙所示，开关闭合前，滑片应移至________(选填“A”或“B”)端；
(2)通过实验，在图上作出被黑纸包住的太阳能电池的I U特性曲线如图丁，将其与一个电动势为3 V(内阻忽略不计)的电源和阻值为5 kΩ 的定值电阻串联在一起，它消耗的电功率约为________ W(结果保留两位有效数字)；
探究二：在稳定的光照环境中，取下太阳能电池外黑纸，并按图戊电路测量金属丝的电阻率．
(3)该小组用游标卡尺测量金属丝的直径时读数如图己所示，可知其直径为________ mm；
(4)实验中测得电压表示数为U，电流表示数为I，金属丝直径为D、长度为l，则金属丝的电阻率为________________(用上述测量量表示)；
(5)考虑电压表与电流表内阻对测量结果的影响，金属丝电阻率的测量值________(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值．
跟进训练
2.[2021·山东卷，14]热敏电阻是传感器中经常使用的元件，某学习小组要探究一热敏电阻的阻值随温度变化的规律．可供选择的器材有：
待测热敏电阻R T(实验温度范围内，阻值约几百欧到几千欧)；
电源E(电动势1.5 V，内阻r约0.5 Ω)；
电阻箱R(阻值范围0～9 999.99 Ω)；
滑动变阻器R1(最大阻值20 Ω)；
滑动变阻器R2(最大阻值2 000 Ω)；
微安表(量程100 μA，内阻等于2 500 Ω)；
开关两个，温控装置一套，导线若干．
同学们设计了如图甲所示的测量电路，主要实验步骤如下：
①按图示连接电路；
②闭合S1、S2，调节滑动变阻器滑片P的位置，使微安表指针满偏；
③保持滑动变阻器滑片P的位置不变，断开S2，调节电阻箱，使微安表指针半偏；
④记录此时的温度和电阻箱的阻值．
回答下列问题：
(1)为了更准确地测量热敏电阻的阻值，滑动变阻器应选用________(填“R1”或“R2”)．
(2)请用笔画线代替导线，将图乙中实物图(不含温控装置)连接成完整电路．
(3)某温度下微安表半偏时，电阻箱的读数为6 000.00 Ω，该温度下热敏电阻的测量值为________ Ω(结果保留到个位)，该测量值________(填“大于”或“小于”)真实值．
(4)多次实验后，学习小组绘制了如图丙所示的图象．由图象可知，该热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐________(填“增大”或“减小”)．
实验九　描绘小电珠的伏安特性曲线
例1　解析：(1)当滑动变阻器的滑片处于b端时，小灯泡所在测量电路分得的电压等
于电源电动势6 V，电流表满偏时，测量电路的阻值为R＝U
I
＝
6V
300mA
＝20 Ω，而小灯
泡本身具有一定的电阻，所以作为保护电阻，R0一定小于20 Ω，故R0选择阻值为10 Ω的定值电阻；(2)开关闭合前，应使测量电路分得的电压最小，故滑片应处于a端；(3)由图(b)可知，流过电流表的电流为10 mA时，小灯泡两端电压约为7 mV，由欧姆定律可
知小灯泡的电阻为R L＝U1
I1
＝0.7 Ω；(4)电压表满量程时小灯泡两端的电压为3 V，而电
压表两端电压为300 mV＝0.3 V，所以R2两端电压为2.7 V，由串联分压规律有U2
U V
＝
R
2 R V ，解得R2＝2 700 Ω；(5)由图(b)和表中数据可知，随着小灯泡电流的增大，U
I
的值
不断增大，故灯丝电阻不断增大；(6)小灯泡刚开始发光时流过电流表的电流为160 mA，此时小灯泡的电功率P1＝160 mA×46 mV×10＝7.4×10－2 W；当流过电流表的电流为
300 mA时，小灯泡的电功率为P2＝300 mA×250 mV×10＝0.75 W，则P2
P1
≈10.
答案：(1)10　(2)a　(3)0.7　(4)2 700　(5)增大　
(6)7.4×10－2　10
1．解析：(1)由I－ U曲线可知，电压从零开始，所以滑动变阻器用分压式接法，当
R x>√R
A R V时，电流表采用内接法，当R x<√R A R V时，电流表采用外接法，而R x＝U额
2
P额
＝5 Ω<√1×2000 Ω，电流表采用外接法，A、B、D错误，C正确．
(2)灯泡额定电流I额＝P额
U
额
＝0.6 A，故电流表选A；滑动变阻器采用分压式接法，应选择最大阻值较小的滑动变阻器，故滑动变阻器选F；根据欧姆定律，由题图甲可得R x＝
U I ＝
2.2
0.5
Ω＝4.4 Ω.
(3)
根据闭合电路欧姆定律可得U ＝E －I (R ＋r )，代入数据得I ＝2
5−U 5
(A)，将所得函数图线作在题图甲中，如图所示，两图线的交点即为灯泡的工作点，由功率公式可得P ＝UI ，代入数值可得P ≈0.17 W.
答案：(1)C (2)A F 4.4　(3)0.17(0.15～0.19都对)
例2　解析：(1)由题意可知，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，虚线处应连线；滑动变阻器采用分压接法，闭合开关前滑片应置于A 处．
(2)电源与定值电阻整体可以看做等效电源，作出电源的I － U 图线，由图线可知，电池板两端的电压：U ＝2 V ，电流：I ＝210 μA ＝2.1×10－4 A ，消耗的电功率：P ＝UI ＝2×2.1×10－4 W ＝4.2×10－4 W.
(3)固定部分读数为0，分尺部分为40，故最终读数为：0＋40×0.02 mm ＝0. 80mm.
(4)由欧姆定律可知：R ＝U I ，根据电阻定律R ＝ρl S ＝ρl π(D 2)
2，电阻率ρ＝πD 2U 4lI .(5)由图戊所示电路图可知，电流表采用外接法，由于电压表的分流作用，电流测量值大于真实值，由欧姆定律可知，电阻测量值小于真实值，电阻率测量值小于真实值．
答案：(1)需要　A (2)4.2×10－4
　(3)0.80　(4)πD 2U 4lI (5)小于2．解析：(1)用半偏法测量热敏电阻的阻值，应尽可能让该电路的电压在S 2闭合前、后保持不变，由于该支路与滑动变阻器左半部分并联，滑动变阻器的阻值越小，S 2闭合前、后该部分电阻变化越小，从而电压的值变化越小，故滑动变阻器应选用最大值较小的R 1才能更准确地进行实验．(3)微安表半偏时，该支路的总电阻为原来的2倍，即R T ＋R μA ＝6000 Ω，由R μA ＝2 500 Ω易得R T ＝3 500 Ω.当断开S 2，微安表半偏时，由于该支路的电阻增加，电压略有升高，根据欧姆定律可知，总电阻比原来2倍略大，也就是电阻箱的阻值略大于热敏电阻与微安表的总电阻，而认为电阻箱的阻值等于热敏电阻与微安表的总电阻，因此热敏电阻的测量值比真实值偏大．(4)由于是ln R T －1T
图象，当温度T 升高时，1T
减小，从图中可以看出ln R T 减小，从而R T 减小，因此热敏电阻的阻值随温度的升高逐渐减小．
答案：(1)R1　(2)如图所示　(3)3 500　大于(4)减小。