1、实验八 描绘小灯泡的伏安特性曲线实验准备 实验目的通过实验来描绘小灯泡的伏安特性曲线，并分析曲线的变化规律.实验原理 金属导体的电阻率随温度升高而_，从而使得金属导体的电阻随_变化而发生相应的变化.一个灯泡，不正常发光和正常发光时灯丝的电阻值可能相差几倍到几十倍.它的伏安特性曲线并不是一条_，即灯丝的电阻是非_的.本实验通过描绘伏安特性曲线的方法来研究钨丝灯泡在某一电压变化范围内其阻值的变化，从而了解它的导电特性.增大温度直线线性实验器材 小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、电源、开关、导线、坐标纸.实验过程 实验步骤 (1)按电路图连接好电路.实验电路图如图 S8-1 所示；实物接线图如图
2、S8-2 所示.图 S8-1图 S8-2(2)检查无误后，将滑片调节至最左边附近，闭合电键，读出一组 U、I 值，记录在表格中.(3)再向右依次调节滑动变阻器的滑片到不同位置，读出十组不同的 U、I 值，记录在表格中.(4)断开电键，整理好器材.次数/n12345678910电压/U电流/I数据分析(1)在坐标纸上以 U 为横轴，以 I 为纵轴，并选取适当的单位.(2)用描点法在坐标纸上标出各组 I、U 值的对应点位置.(3)用平滑曲线将各点依次连接起来.(4)分析小灯泡伏安特性曲线的变化规律.实验分析 误差分析(1)由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，对电路的影响会带来误差.(2)在坐标
3、纸上描点、作图会带来误差.注意事项(1)为减小实验误差，测量电路应采用电流表外接法.(2)为使小灯泡上的电压能从零开始连续变化，滑动变阻器应采用分压式连接.【基础检测】(2013 年江苏卷)为探究小灯泡的电功率 P 和电压 U 的关系，小明测量小灯泡的电压 U 和电流 I，利用 PUI 得到电功率.实验所使用的小灯泡规格为“3.0 V1.8 W”，电源为 12 V 的电池，滑动变阻器的最大阻值为 10.(1)准备使用的实物电路如图 S8-3 所示.请将滑动变阻器接入电路的正确位置.(用笔画线代替导线)图 S8-3图 S8-4(2)现有 10、20 和 50 的定值电阻，电路中的电阻 R0应选_
4、的定值电阻.(3)测量结束后，应先断开开关，拆除_两端的导线，再拆除其他导线，最后整理好器材.(4)小明处理数据后将 P、U2 描点在坐标纸上，并作出了一条直线，如图 S8-4 所示.请指出图象中不恰当的地方.答案：(1)连线如图 D32 所示.(2)10(3)电池(4)图线不应画为直线；横坐标的标度不合适图 D32控制方式限流式分压式电路组成考点1 滑动变阻器的分压式与限流式的接法重点归纳 1.两种控制电路的比较控制方式限流式分压式负载 RL 上电压调节范围0ULE负载 RL 上电流调节范围闭合开关前触头应处位置b 端a 端比较(1)分压电路调节范围较大(2)限流电路能耗较小(续表)RLRL
5、R0EULEERLR0IL ERL0IL ERL2.两种控制电路的选择(1)下列三种情况必须选用分压式接法要求回路中某部分电路的电流或电压实现从零开始可连续调节时(如测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路).当用电器的电阻 RL 远大于滑动变阻器的最大值 R0，且实验要求的电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时(因为若用限流法，RL 两端电压变化不明显).若采用限流接法，电路中实际电压(或电流)的最小值仍超过 RL 的额定值时，只能采用分压接法.(2)下列情况可选用限流式接法测量时电路的电流或电压没有要求从零开始连续调节，只是小范围内测量，且 RL 与 R0 接近或 RL 略小于 R0，
6、采用限流式接法.电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压式接法的要求时，采用限流式接法.没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两者均可采用时，可考虑安装简便和节能因素，采用限流式接法.典例剖析 例 1：(2016 年贵州遵义三模)某学习小组的同学拟探究小灯泡 L 的伏安特性曲线，可供选用的器材如下：小灯泡 L，规格“4.0 V0.7 A”；电流表电流表电压表，量程 3 A，内阻约为 0.1；，量程 0.6 A，内阻 r20.2；，量程 3 V，内阻 rV9 k；标准电阻 R1，阻值 1；标准电阻 R2，阻值 3 k；滑动变阻器 R，阻值范围 010；学生电源 E，电动势 6
7、V，内阻不计；开关 S 及导线若干.甲乙丙丁图 S8-5(1)甲同学设计了如图 S8-5 甲所示的电路来进行测量，当通过 L 的电流为 0.46 A 时，电压表的示数如图乙所示，其读数为_V，此时 L 的电阻为_.(2)乙同学又设计了如图丙所示的电路来进行测量，电压表指针指在最大刻度时，加在 L 上的电压值是_V.(3)学习小组认为要想更准确地描绘出 L 完整的伏安特性曲线，需要重新设计电路.请你在乙同学的基础上利用所供器材，在图丁所示的虚线框内补画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号.解析：(1)因为电压表的量程为3 V，所以分度值为0.1 V，(2)串联一个定值电阻，相当于增加了电压表的
8、量程，因为 电压表内阻和R2 之比为31，故根据欧姆定律可得电压表两端 的电压与电阻 R2 两端的电压之比为31，因为电压表满偏，故 电压表示数为 3 V，所以定值电阻 R2 两端的电压为1 V，故 L上的电压为 4 V.故示数为 2.30 V，根据欧姆定律 R2.30 V0.46 A5.(3)首先电流表的量程太大,误差太大,应使用电流表 ，而 的量程小于小灯泡的额定电流，所以需要将电流表的量程并联一个分流电阻，实验电路图如图增大，所以给电流表S8-6(a)或图(b)所示.(a)答案：(1)2.30 5 (2)4(b)图 S8-6(3)如图 S8-6(a)或(b)所示.【考点练透】1.(201
9、5 年宁夏银川校级一模)半导体压阻传感器已经广泛地应用于航空、化工、航海、动力和医疗等部门，它们是根据“压阻效应”：就是某些固体材料受到外力后除了产生形变，其电阻率也要发生变化的现象.现用如图 S8-7 甲所示的电路研究某长薄板电阻 Rx 的压阻效应，已知 Rx 的阻值变化范围为几欧到几十欧，实验室中有下列器材：甲乙图 S8-7A.电源 E(3 V，内阻约为 1)B.电流表(0.6 A，内阻 r15)C.电流表(0.6 A，内阻 r2 约为 1)D.开关 S，定值电阻 R0(1)为了比较准确地测量电阻 Rx 的阻值，请根据图 7-5 甲虚线框内电路图的设计，甲表选用_(填或)，乙表选用_(填或
10、).(2)在电阻 Rx 上加一个竖直向下的力 F(设竖直向下为正方向)，闭合开关 S，记下电表读数，A1 的读数为 I1，A2 的读数为I2，得 Rx_(用字母表示).(3)改变力的大小，得到不同的 Rx 值，然后让力反向从下向上挤压电阻，并改变力的大小，得到不同的 Rx 值，最后绘成的图象如图 7-5 乙所示.当 F 竖直向下(设竖直向下为正方向)时，可得 Rx 与所受压力 F 的数值关系是 Rx_.(各物理量单位均为国际单位)(4)定值电阻 R0 的阻值应该选用_.A.1 C.10 B.5 D.20 解析：(1)测电阻阻值需要测出电阻两端电压与通过电阻的 电流，所给实验器材没有电压表，可以
11、用已知内阻的电流表 与 待测电阻并联，测出电阻两端电压，另一个电流表串联在电路中测电路电流，故甲表用；乙表用.(2)电阻Rx两端电压UI1r1，通过电阻Rx的电流II2I1，.(3)由图2 所示图象可知，图象具有对称性，当正反向压力大小相等时，对应的电阻阻值相等；电阻阻值 RxUI I1r1I2I1.由图象可知，电阻与压力是一次函数关系，设为RxR1kF，由图象可知：R114，把Rx5，F4.5 N代入关系式解得：k2，则关系式为：Rx142F.则保护电阻阻值约为：R0R最小r514，选项B较合适，故选 B.(4)电路最小总电阻为：R 最小 EI2最大 30.65，答案：(1)(3)当正反向压
12、力大小相等时，对应的电阻阻值相等；Rx142F(4)B(2)I1r1I2I12.(2013 年天津卷)要测绘一个标有“3 V0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线，灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到 3 V，并便于操作.已选用的器材有：电池组(电动势为 4.5 V，内阻约 1)；电流表(量程为 0250 mA，内阻约 5)；电压表(量程为 03 V，内阻约 3 k)；电键一个、导线若干.(1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的_(填字母代号).A.滑动变阻器(最大阻值 20，额定电流 1 A)B.滑动变阻器(最大阻值 1750，额定电流 0.3 A)(2)实验的电路图应选用下列的图_(填字母代号).A
13、BCD(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图 S8-8 所示.如果将这个小灯泡接到电动势为 1.5 V，内阻为 5 的电源两端，小灯泡消耗的功率是_W.图 S8-8解析：本题考查描绘小灯泡伏安特性曲线实验的器材选用、电路选用及实验数据处理，意在考查考生实验分析及数据处理的能力.(1)描绘小灯泡伏安特性曲线实验要求电压调节范围大，因 此滑动变阻器采用分压式，为使调节过程中电压变化尽可能均 匀，选用最大阻值较小的滑动变阻器 A.(2)由于小灯泡的电阻比较小，因此电流表采用外接法，选用 B 图.(3)画出电源的伏安特性曲线，如图D33 所示，两个图线的交点即为小灯泡接在电源两端时小灯泡中的电流与小灯
14、泡两端的电压，U1.0 V，I0.10 A，因此小灯泡消耗的功率为 PUI0.1 W.图 D33答案：(1)A (2)B(3)0.1考点2 图象法处理数据重点归纳 画 I-U 图线时，不要画成折线，要用平滑曲线连接，如果有个别偏离较远的点应该舍弃.典例剖析 例 2：(2015 年辽宁四校模拟)由金属丝制成的电阻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伏安特性曲线.可供选择的实验器材有：A.待测电阻器 Rx(2.5 V,1.2 W)B.电流表C.电压表(00.6 A，内阻为 1)(03 V，内阻未知)D.滑动变阻器(010，额定电流 1 A)I/A0.
15、150.200.250.300.350.400.450.48U/V0.250.400.600.901.251.852.503.00UR/VE.电源(E3 V，内阻 r1)F.定值电阻 R0(阻值 5)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，请在方框内画出实验电路图.(2)按照正确的电路图，该同学测得实验数据如下：图 S8-9其中，I 是电流表的示数，U 是电压表的示数，UR 是电阻器两端的实际电压.请通过计算补全表格中的空格，然后在坐标图 S8-9 中画出电阻器的伏安特性曲线.(3)该同学将本实验中的电阻器 Rx 以及给定的定值电阻 R0二者
16、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_W.(计算结果保留两位小数)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接法.电路如图 S8-10 甲所示.甲乙图 S8-10(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：URU-Ir，数据如下表.电阻器的伏安特性曲线如图乙中的 曲线所示.(3)由URI(rR0)E 作出U-I 图象如图乙中直线所示，由 此图象与电阻器 U-I 图线的交点可得此时电阻器的电压 UR0.9 V，电流 I0.35 A，电阻器的实际功率为 PUI0.32 W.答案：(1)如图 S8-10 甲所示.(2)0.10 0.200.35
17、0.600.901.452.052.52如图乙中的曲线所示.(3)0.32UR/V0.100.200.350.600.901.452.052.52【考点练透】3.(2016 年温江中学月考)某同学想描绘一只标称为“2.5 V1.5 W”的小灯泡的伏安特性曲线，实验室提供下列器材：A.电流表(量程 3.0 A，内阻约 0.2)B.电流表(量程 0.6 A，内阻约 1)C.电压表(量程 3.0 V，内阻约 3 k)D.电压表(量程 15.0 V，内阻约 10 k)E.滑动变阻器 R1(最大阻值为 5，最大允许电流为 2 A)F.滑动变阻器 R2(最大阻值为 500，最大允许电流为 0.5 A)G.
18、电源 E(电动势 3 V，内阻为 0.25)H.电键、导线若干(1)为了更好地完成实验，应选择的器材为：电流表_，电压表_，滑动变阻器_.(填器材前面的字母)(2)请你在下面的方框中作出实验原理图.图 S8-11实验次数12345678电压 U/V00.20 0.400.801.201.602.002.40电流 I/A00.11 0.210.330.400.450.480.52(3)正确连接电路后，该同学测出如下表所示的实验数据，请你在如图 S8-11 所示的坐标纸上描出该灯泡的伏安特性曲线.答案：(1)B CE(2)如图 D34 所示.(3)如图 D35 所示.图 D34图 D354.(20
19、13 年福建卷)硅光电池在无光照时不产生电能，可视为一电子元件.某实验小组设计如图 S8-12 甲电路，给硅光电池加反向电压(硅光电池负极接高电势点，正极接低电势点)，探究其在无光照时的反向伏安特性.图中电压表的量程选用3 V，内阻为 6.0 k；电压表量程选用 15 V，内阻约为30 k；R0 为保护电阻；直流电源电动势 E 约为 12 V，内阻不计.(1)根据图甲，用笔画线代替导线，将图乙连接成完整电路.甲丙乙S8-12(2)用遮光罩罩住硅光电池，闭合开关 S，调节变阻器 R，读出电压表、的示数U1、U2.某次测量时，电压表示数如图丙，则 U1_V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为_mA
20、(计算结果保留两位小数).该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9组U1、U2数据，算出相应的硅光电池两端反向电压Ux和通过的反向电流Ix(表中“”表示反向)，并在坐标纸上建立IxUx坐标系，标出了与表中前5组Ux、Ix数据对应的5个坐标点，如图S813所示.请你标出余下的4个坐标点，并绘出IxUx图线.项目123456789U1/V0.000.000.060.120.240.420.721.141.74U2/V0.01.02.13.14.25.46.78.19.7Ux/V0.01.02.03.04.05.06.07.08.0Ix/mA0.000.000.01 0.02 0.04 0.07 0.
21、12 0.190.29图 S8-13由IxUx图象可知，硅光电池无光照下加反向电压时，Ix与Ux成_(填“线性”或“非线性”)关系.答案：(1)如图 D36 所示.图 D36(2)1.400.23如图 D37 所示.非线性图 D37方法 控制电路的选择用滑动变阻器控制电路时，有两种接法，一种是滑动变阻器分压式接法，一种是滑动变阻器限流式接法.U/V0.00.20.501.01.52.02.53.0I/A0.000 0.050 0.1000.1500.180 0.1950.2050.215例 3：下表中所列数据是测量小灯泡 U-I 关系的实验数据：(1)分析上表内的实验数据可知，应选用的实验电路
22、图是图S8-14 中的_(填“甲”或“乙”).图 S8-14(2)试分析所选实验电路图存在误差的原因.审题突破：如何判断是限流还是分压，要从题目给的表格 中的数据计算出待测电阻的大概阻值来进行判断.解析：(1)从表格中的数据可以看出，小灯泡的电压和电流从零开始逐渐变化.甲图所示电路中滑动变阻器采用分压接法，可以获得从零开始变化的电压，符合图中数据的要求.所以应选用的实验电路图是甲图.(2)由甲图可知，电流表的分压会造成实验误差，因为小灯泡的电阻较小，和电流表内阻相差不太大，电流表最好用外接方式.答案：(1)甲(2)电流表的分压同类延伸：本题中的控制电路使用了分压接法，分压接法 的特点是电压和电流可以从零开始调节，如测定导体的伏安特 性、校对改装后的电表等电路均要用分压接法.【触类旁通】在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中备有下列器材：A.小电珠(3.8 V,1.5 W)B.直流电源(电动势 4.5 V，内阻约 0.4)C.电流表(量程 0500 mA，内阻约 0.5)D.电压表(量程 05 V，内阻约 5 k)E.滑动变阻器 R1(05，额定电流 2 A)F.滑动变阻器 R2(050，额定电流 1 A)G.开关一个，导线若干如果既要满足测量要求，又要使测量误差较小，应选择图S8-15 所示的四个电路中的_，应选用的滑动变阻器是_.图 S8-15答案：丙E