实验08 描绘小灯泡的伏安特性曲线-2021年高考物理二轮专题解读与训练（解析版）

实验 08 （考点解读）描绘小灯泡的伏安特性曲线 1．实验原理 （1）测多组小电珠的 U、I 的值，并绘出 I－U 图象； （2）由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系． 2．实验器材 小电珠“3.8 V,0.3 A”、电压表“0～3 V～15 V”、电流表“0～0.6 A～3 A”、滑动变阻器、学生电源、开 关、导线若干、坐标纸、铅笔． 3．实验步骤 （1）画出电路图（如图 1 甲所示）． 图 1 （2）将小电珠、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如图乙所示的电路． （3）测量与记录 移动滑动变阻器触头位置，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． （4）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． 4．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1 3 以上． ⑤从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用总阻值与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用 总阻值较小的滑动变阻器． 总结： 1．注意事项 （1）电路的连接方式： ①电流表应采用外接法：因为小电珠（3.8 V,0.3 A）的电阻很小，与量程为 0.6 A 的电流表串联时，电流表 的分压影响很大． ②滑动变阻器应采用分压式接法：目的是使小电珠两端的电压能从 0 开始连续变化． （2）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 0 的一端，使开关闭合时小电珠的电压能从 0 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． （3）I－U 图线在 U0＝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． 2．误差分析 （1）由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，会带来误差，电流表外接，由于电压表的分流，使测得 的电流值大于真实值． （2）测量时读数带来误差． （3）在坐标纸上描点、作图带来误差． 1．在“测定金属的电阻率”的实验中，金属丝的阻值约为 5（，某同学先用刻度尺测量金属丝的长度 l=50.00cm， 用螺旋测微器测量金属丝直径时刻度位置如图所示，再用伏安法测出金属丝的电阻，然后根据电阻定律计 算出该金属材料的电阻率。 ①该电阻丝直径的测量值 d=___________mm； ②实验中能提供的器材有： A．电压表 V1（量程 0～3V，内阻约 3k（） B．电压表 V2（量程 0～15V，内阻约 15k（） C．电流表 A1（量程 0～3A，内阻约 0.01（） D．电流表 A2（量程 0～0.6A，内阻约 0.1（） E．滑动变阻器 R1（0～20（） F．滑动变阻器 R2（0～500（） G．电源 E（电动势为 3.0V）及开关和导线若干 该同学从以上器材中选择合适的器材连接好电路进行测量，则电压表应选择_______，电流表应选择 ________，滑动变阻器应选择_______，（选填各器材前的字母）。要求在流过金属丝的电流相同情况下， 电源消耗功率最小，并能较准确地测出电阻丝的阻值，实验电路应选用图_________。 ③该同学建立 U－I 坐标系，通过测量多组电压 U 与电流 I 值，描点作出金属丝的 U－I 曲线为一条通过原 点倾斜的直线，实验中使用的电流表内阻为 RA，电压表内阻为 RV，若考虑电流表和电压表内阻的影响，图 U－I 图像中图线斜率 k 与该金属材料的电阻率ρ的关系是 k=_______（用题目给出的物理量符号表示）。 【答案】0.234（0.231－0.235） A D E 丁 V 2 V 4 π 4 R lk R d l    【解析】①[1]从图中可能出：固定刻度为未到 0.5mm，所以只读可动刻度为 23.4×0.01mm=0.234mm，由于 误差（0.231mm－0.235mm）均可； ②[2][3][4][5]电源 E（电动势为 3.0V），故电压表选择选 A，电路电流最大为 max 0.6AEI R   为提高精确度，减小读数误差，选小量程电流表，即 D，由于要求在流过金属丝的电流相同情况下，电源 消耗功率最小，并能较准确地测出电阻丝的阻值，故滑动变阻器采用限流接法；采用限流接法时，为便于 调节，最大值应为待测电阻的 2－4 倍比较合适，所以滑动变阻器选 E；由于 V A 3000 5600 506 0.1 R R R R      则可知电流表应采用外接法，故电路图选择丁 ③[6]考虑电压表内阻，电阻丝两点电压还是电表读数 V UR UI R   Uk I  化简可得 V 1 1 1 R k R   再由 2π 4 lR d  代入，可得 V 2 V 4 π 4 R lk R d l    2．某学习小组探究 LED 灯的伏安特性曲线。 （1）实验需要灯两端的电压从零开始调节，滑动变阻器应采用___________接法。（选填“限流式”或“分压 式”） （2）某同学已连接部分导线，请在图（a）中完成电路的连接_________。 （3）检查电路连线正确后，某同学闭合开关，看到灯闪亮一下立即熄灭，造成这一现象的原因可能是 ___________。 （4）描绘出灯的伏安特性曲线如图（b）所示，当灯两端电压为 0.80V 时，灯的功率为___________。（结 果保留 2 位有效数字） 【答案】分压式 可能是滑动变阻器调节不合适，导致流过灯泡电 流过大，导致灯泡被烧坏了 -39.6 10 W 【解析】（1）[1]题中要求电压从零开始，所以滑动变阻器应该按分压接法接在电路中。 （2）[2]电路图如图所示： （3）[3] 闭合开关，看到灯闪亮一下立即熄灭，造成这一现象的原因可能是滑动变阻器调节不合适，导致 流过灯泡电流过大，导致灯泡被烧坏了。 （4）[4]结合图像可知，当灯两端电压为 0.80V 时，灯泡两端的电流为 12mA，则灯的功率为 3 -30.8 12 10 W=9.6 10 WP UI      3．某同学利用如下器材设计了测定二极管正向伏安特性的电路图如图甲，并测得相应的伏安特性曲线如图 乙。 A．电源（20V，内阻可忽略） B．电压表 V（量程为 0 到 3V，内阻约为 1000Ω） C．电压表 2V （量程为 0 到 10V，内阻约为 5000Ω） D．电流表 A（量程为 0 到 10 mA ，内阻约为 0.1Ω） E.保护电阻 1R F.滑动变阻器 2R （阻值为 0 到 50Ω 1A） G.滑动变阻器 3R （阻值为 0 到 1000Ω 0.1A） H.发光二极管一个 I.导线、开关若干 （1）乙图中电压表应选用___________，滑动变阻器选用___________（统一填字母序号）； （2）该同学发现所测定二极管伏安特性曲线先是曲线，后来逐渐趋近于一条直线，可知该二极管的正向电 阻___________（选填“先减小后不变”、“一直减小”、“先增大后不变”）；曲线上 A 点所对应二极管的阻值 ___________Ω（保留三位有效数字）。 （3）将该二极管通过一阻值为 500Ω的电阻与一电动势为 6V，内阻不计的电源串联（如图丙所示），则该 二极管的实际功率为___________W（保留三位有效数字）。 【答案】C F 一直减小 850 21.35 10 【解析】（1）[1]乙图中电压大于 3V，则电压表表选 C。 [2]滑动变阻器全阻值与电源串联时电流 2 20 A 0.4A50I   3 20 A 0.02A1000I   都小于电阻能承受的最大电流，但是分压式电路中调节电压，选小量程的更好，所以选 F。 （2）[3] I U 图像上的点与原点连线的斜率为 1 R ，与原点连线的斜率在增大，所以 R 减小，故选填“一直 减小”。 [4]图中 A 点 5.1VU  ， 6mAI  ，则有 3 5.1 Ω 850Ω6 10R   （3）[5]把 500Ω 的电阻看作是电源的内阻，则根据闭合电路欧姆定律有 6 500U I  在乙图中描绘出图像，当 2.5VU  时， 7mAI  ；当 0I  时， 6VU = ，画出图像如下 交点坐标表示二极管的工作电压以及工作电流，为  4.5V,3mA ，则实际功率为 3 21.3 W4.5 3 1 5 10 0WP UI       4．某同学设计实验，描绘一个标有“3.8V、0.3A”字样的小灯泡的伏安特性曲线。 （1）若实验室中只有量程为 3.0V，内阻为 1500Ω的电压表，为绘制完整的 I-U 曲线，该同学将电压表与电 阻箱 R 串联，使其改装成一个量程为 4.0V 的大量程电压表，此时应将电阻箱的阻值调至_______Ω； （2）若实验室的电压表、电流表和滑动变阻器都满足实验要求，该同学设计如图所示两种实验电路图，你 认为应选择_______（选填“甲”或“乙”）图所示电路进行实验； （3）该同学按照正确的电路图连接好实物图，调节滑动变阻器，记录多组电压表和电流表的读数，作出 I-U 曲线如图丙所示，由图线分析可知，小灯泡的电阻随温度的升高而_____（选填“增大”或“减小”）； （4）若将此小灯泡与定值电阻 R0=9Ω串联后，接在电动势为 3.0V、内阻为 1.0Ω的电源上，组成一个闭合 电路，则此时小灯泡的实际功率约为_______W（结果保留两位有效数字） 【答案】500 乙 增大 0.22（0.20~0.30 均可） 【解析】（1）[1]应将电阻箱的阻值调至 3.0 4.0 1500 1500 R   解得 500R Ω （2）[2]描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压表和电流表必须能调整到零，必须采用分压电路，所以选择电路乙； （3）[3]由图像可出，图像的斜率等于电阻的倒数，随着电压和电流的增大，温度升高，图像的斜率减小， 小灯泡的电阻增大。 [4]若将此小灯泡与定值电阻 R0=9Ω串联后，接在电动势为 3.0V、内阻为 1.0Ω的电源上，组成一个闭合电路， 由闭合电路欧姆定律得  0 3 10U E I R r I     由上式得 1 3VU  时 1 0I  ， 2 0U  时 2 300mAI  ，做出图像如图所示 小灯泡的实际功率约为 1.2 0.18W 0.22WP UI    5．利用图（a）所示的电路研究路端电压随电源内阻变化的规律，实验所用电源的内阻可以在 0.1Ω~1.2Ω之 间连续变化，电动势 E=1.5V 保持不变。 （1）改变内阻 r，测出路端电压 U 与相应的电流 I，由计算机拟合得出如图（b）的图线。则电路中的定值 电阻 R=_________Ω，实验过程中路端电压 U 和内阻 r 的关系是 U=_________。 （2）现有 L1“3V，3W”和 L2“1.5V，0.75W”两个灯泡，上述实验中的电源 4 个，以及 3Ω的定值电阻若干。 请选择合适的定值电阻个数，设计一个方案，在图（c）中的方框内画出电路图，标出定值电阻的阻值，要 求两个灯泡都正常工作且电路消耗的总功率最小。 在你设计的方案中，4 个电源的总内阻应调节为 r 总=___________Ω。 【答案】2 3 2 r 1.5 【解析】（1）[1]图象的斜率表示电阻的阻值，则 0.60 Ω=2Ω0.30R  [2]由闭合电路欧姆定律可得 1.5 2 3 2 2 EU RR r r r      （2）[3][4]要使两灯均能正常发光，则电压应大于 4.5V，故只能将四电源串联，电压为 6V，3V 灯泡的电 流 1 3= A=1A3I 1.5V 灯泡的电流 2 0.75 A 0.5A1.5I   故 3V 灯泡应在干路，1.5V 灯泡应与某一电阻并联，因 1.5V 灯泡的电阻为 3Ω；故只要与 3Ω电阻并联即可， 此时需要电压为 (3 1.5)V 4.5VU    电流为 1A，只需要电阻 6 4.5 Ω=1.5Ω1r  因在满足条件的电路中所用电阻较小，故消耗的能量最小，原理图如图所示 6．实验室有二只相同规格的小灯泡 L1、L2，额定功率为 0.75W，额定电压值均已模糊不清。一兴趣小组的 同学用多用电表测出其电阻为3Ω ，又用以下可供选择的器材进行了进一步地研究。 A．电压表 V（量程 3V，内阻约3kΩ ） B．电流表 A1（量程 1500mA，内阻约 0.02Ω ） C．电流表 A2（量程 500mA，内阻约 0.6Ω ） D．滑动变阻器 R1（0~10Ω ） E．滑动变阻器 R2（0~100Ω ） F．定值电阻 0 10ΩR  G．学生电源 E1（电动势 4.0V，内阻不计） H．开关 S 和导线若干 I．待测灯泡 L1、L2（额定功率 0.75W，额定电压未知） （1）他们想描绘出小灯泡的 U-I 图线，进而得到灯泡的额定电压，则电流表应选____________（选填“A1” 或“A2”）；滑动变阻器应选_______________（选填“R1”或“R2”）； （2）请在所给方框中画出实验的电路原理图_____________； （3）实验过程中他们使小灯泡两端的电压由零缓慢增加，小灯泡逐渐变亮，直至发出非常刺眼的光芒，随 即断开开关，他们根据所测得的数据做出了小灯泡的 U-I 图象如图甲所示，由实验图象可得出小灯泡的额定 电压应为__________________V； （4）接着他们将小灯泡 L1、L2 与定值电阻 R0 串联后接在电源 E1 两端，如图乙所示，利用描绘出的小灯泡 U-I 图象可知，此时每个小灯泡的实际功率为____________（保留两位有效数字）。 【答案】A2 R1 2.60（2.50~2.70）V 0.20W（0.18W ~0.22W） 【解析】（1）[1][2]．小灯泡的电流 0.75A=0.5A3 PI R   且正常工作时的电阻大于 3Ω，则额定电流 小于 0.5A，则电流表选择 A2 即可；滑动变阻器要接成分压电路，则应选择阻值较小的 R1 即可； （2）[3]．小灯泡为小电阻，则用电流表外接；滑动变阻器接成分压电路，则电路原理图如图； （3）[4]．由 U-I 图像可知，当 U=2.60V 时，电流 I=290mA，此时功率 P=2.60×0.290W=0.754W 可知小灯泡的额定电压应为 2.60V； （4）[5]．设每个小灯泡的额定电压为 U，额定电流为 I，则由电路可知 E1=2U+IR0，即 U=2-5I 将此函数关 系图像画在灯泡的 U-I 图像上如图； 由图像可知交点处的坐标为 U1=1.00V，I1=200mA，则 P1=I1U1=0.20W