1、2020-2021年高考物理必考实验九：测绘小电珠的伏安特性曲线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)图线的斜率反映电流与电压和温度的关系。2.实验器材学生电源(4 V6 V直流)或电池组、小电珠(3.8 V0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐标纸、导线若干。3.实验步骤(1)确定电流表、电压表的量程,采用电流表外接法,滑动变阻器采用分压式接法,按实验原理图连接好实验电路。(2)把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端,接线经检查无误后,闭合开关S。(3)移动滑动变阻器的滑片,测出14组左右不同的电压值U和电流值I,并将测量数据填入表格中,断开开关S。U/
2、V00.20.40.60.81.01.2I/AU/V1.62.02.42.83.23.64.0I/A(4)拆除电路,整理仪器。4.数据处理(1)在坐标纸上以U为横轴,以I为纵轴,建立坐标系。(2)在坐标纸上描出各组数据所对应的点(坐标系纵轴和横轴的标度要适中,以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜)。(3)将描出的点用平滑的曲线连接起来,就得到小电珠的伏安特性曲线。5.误差分析(1)由于电压表、电流表不是理想电表,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、作图带来的误差。6.注意事项(1)电路的连接方式电流表应采用外接法:小电珠(3.8 V0.3 A
3、)的电阻很小,与00.6 A的电流表串联时,电流表的分压影响很大。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零开始连续变化。(2)闭合开关S前,滑动变阻器的滑片应移到使小电珠分得电压为零的一端,使开关闭合时小电珠的电压从零开始变化,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。(4)当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加,到额定值记录I后马上断开开关。(5)误差较大的点舍去,I-U图线应是平滑曲线而非折线。【最新高考真题解析】1.（2020年全国II卷）某同学要研究
4、一小灯泡L（3.6 V，0.30 A）伏安特性。所用器材有：电流表A1（量程200 mA，内阻Rg1=10.0 ），电流表A2（量程500 mA，内阻Rg2=1.0 ）、定值电阻R0（阻值R0=10.0 ）、滑动变阻器R1（最大阻值10 ）、电源E（电动势4.5 V，内阻很小）、开关S和若干导线。该同学设计的电路如图（a）所示。（1）根据图（a），在图（b）的实物图中画出连线_。（2）若I1、I2分别为流过电流表A1和A2的电流，利用I1、I2、Rg1和R0写出：小灯泡两端的电压U=_，流过小灯泡的电流I=_。为保证小灯泡的安全，I1不能超过_mA。（3）实验时，调节滑动变阻器，使开关闭合后两
5、电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片位置并读取相应的I1和I2。所得实验数据在下表中给出。I1/mA325585125144173I2/mA171229299379424470根据实验数据可算得，当I1=173 mA时，灯丝电阻R=_（保留1位小数）。（4）如果用另一个电阻替代定值电阻R0，其他不变，为了能够测量完整的伏安特性曲线，所用电阻的阻值不能小于_（保留1位小数）。【答案】 (1). (2). (3). (4). 180 (5). 11.6 (6). 8.0【解析】【详解】（1）根据电路图连接实物图如图所示（2）根据电路图可知灯泡两端的电压为电流表A1和R0的总电压，故根据欧姆定律
6、有根据并联电路特点可知流过小灯泡的电流为因为小灯泡的额定电压为3.6V，故根据题目中已知数据带入中可知I1不能超过180mA；（3）根据表中数据可知当I1=173mA时，I2=470mA；根据前面的分析代入数据可知此时灯泡两端的电压为U=3.46V；流过小灯泡的电流为I=297mA=0.297A；故根据欧姆定律可知此时小灯泡的电阻为（4）要测量完整的伏安特性曲线则灯泡两端的电压至少要达到3.6V，而电流表A1不能超过其量程200mA，此时结合有解得，即要完整的测量小灯泡伏安特性曲线所用电阻的阻值不能小于。2.（2020年江苏卷）某同学描绘一种电子元件的关系图象，采用的实验电路图如题图1所示，V
7、为电压表，mA为电流表，E为电源（电动势约），R为滑动变阻器（最大阻值），为定值电阻，S为开关。(1)请用笔画线代替导线，将题图2所示的实物电路连接完整_。(2)调节滑动变阻器，记录电压表和电流表的示数如下表：电压0.0000.2500.5000.6500.7000.7250.750电流0.000.100.250.601.704.307.50请根据表中的数据，在方格纸上作出该元件的图线_。(3)根据作出的图线可知，该元件是_（选填“线性”或“非线性”）元件。(4)在上述测量中，如果用导线代替电路中的定值电阻，会导致的两个后果是_。A电压和电流的测量误差增大B可能因电流过大烧坏待测元件C滑动变阻
8、器允许的调节范围变小D待测元件两端电压的可调节范围变小【答案】 (1). (2). (3). 非线性元件 (4). BC【解析】【详解】(1)1根据题意连接电路如图(2)2根据表格中数据描点，并用平滑的曲线连接各点如图(3)3根据图像可知该元件是非线性元件。(4)4AB图线上某点与原点连线的斜率为，根据元件的特性可知，当电压超过一定数值时，电流会急剧增大，所以电阻会急剧减小，若用导线代替，电流急剧增大，可能会烧坏待测元件，对电流表和电压表的测量误差无影响，A错误，B正确；CD根据图像可知待测元件电压范围小于，而电源电动势为，因为待测元件两端电压非常小，如果用导线代替，会导致滑动变阻器的调节范围
9、变得非常小，难以调节，C正确，D错误。故选BC。【典例1】要测绘一个标有“3 V0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线,小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,内阻约为1 );电流表(量程为0250 mA,内阻约为5 );电压表(量程为03 V,内阻约为3 k);开关一个、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(最大阻值为20 ,额定电流为1 A)B.滑动变阻器(最大阻值为1750 ,额定电流为0.3 A)(2)实验的电路图应选用下列四个电路图中的(填字母代号)。(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图
10、甲所示。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。【解析】(1)测绘小电珠的伏安特性曲线,要求能较大范围地测量数据,所以控制电路部分应用分压式接法,滑动变阻器应用最大阻值小、额定电流大的,故选A。(2)电珠的电阻R=U2P=15 ,额定电流I=PU=0.2 A,由R=15 RARV=15000 ,依据“大内小外”的原则,可知电流表应采用外接法,B项正确。(3)在小电珠的I-U图象上作出电源的I-U图线,如图乙所示,交点坐标为这个电源给这个小电珠供电时的电压和电流,此时P电珠=IU=0.101.0 W=0.1 W。乙【答案】(1)A(2)B(3)0.1【
11、针对训练1】在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,除小灯泡L“3.8 V0.3 A”外,可供选择的实验仪器如下:A.电压表:量程03 V,内阻约为6 kB.电流表:量程04 mA,内阻为100 C.电流表:量程0300 mA,内阻约为5 D.滑动变阻器R1:最大阻值为10 ,额定电流为1.0 AE.滑动变阻器R2:最大阻值为5 ,额定电流为0.5 AF.定值电阻R3:阻值为2 kG.定值电阻R4:阻值为900 H.直流电源E:电动势约为6 V,内阻约为0.5 I.开关S一个,导线若干(1)先将(选填元件前的序号字母)与(选填元件前的序号字母)电阻(选填“串联”或“并联”),将其改为量程为4
12、V的电压表。(2)在虚线框内画出实验电路图(改装后的电压表直接用电压表的符号表示)。 (3)其中,滑动变阻器应选;电流表应选。(均填元件前的序号字母)(4)某实验小组完成实验后,利用实验得到的数据描绘出如图甲所示的小灯泡的伏安特性曲线。根据此图给出的信息,可以判断:图乙所示的该小灯泡的P-U2或P-I2图线中(P为小灯泡的功率),可能正确的是。【解析】(1)直流电源电动势约为6 V,题干所述电压表最大量程为3 V,所以需要改装出一个量程较大的电压表。改装成电压表需要给串联一个电阻,其电阻R=UIg-Rg=40.004 -100 =900 。(2)测绘小灯泡的伏安特性曲线要求电压从零开始连续变化
13、,所以滑动变阻器要采用分压式接法。小灯泡L“3.8 V0.3 A”的电阻Rx=UI=3.80.3 13 ,远小于电压表的内阻,所以用电流表外接法,电路图如图丙所示。丙(3)若选用滑动变阻器R2,则通过滑动变阻器的最小电流I=Er+R2=3.80.5+5 A0.7 A,大于滑动变阻器R2的额定电流,所以滑动变阻器应选R1,即D。小灯泡的额定电流为0.3 A,所以电流表应选C。(4)由图甲可知,小灯泡电阻逐渐增大,根据P=U2R可知,P-U2图象的斜率应逐渐减小,B项正确;根据P=I2R可知,P-I2图象的斜率应逐渐增大,D项正确。【答案】(1)BG串联(2)电路图如图丙所示(3)DC(4)BD【
14、典例2】某物理学习小组要描绘一只小灯泡(2.5 V1.2 W)的伏安特性曲线,有下列器材供选用:A.电压表(03 V,内阻为6 k)B.电压表(015 V,内阻为30 k)C.电流表(03 A,内阻为0.1 )D.电流表(00.6 A,内阻为0.5 )E.滑动变阻器(010 ,允许通过的最大电流为5 A)F.滑动变阻器(01 k,允许通过的最大电流为0.1 A)G.电源(3 V,内阻不计)H.开关一个,导线若干(1)电压表应选用,电流表应选用,滑动变阻器应选用。(用序号字母表示)(2)如图甲所示,图中有几根导线已经接好,为完成本实验,请用笔画线代替导线,将电路补画完整,要求实验误差尽可能小。(
15、3)下表中的数据是该小组在实验中测得的,请在图乙坐标纸上补齐未画出的数据点,用“”表示,并绘出I-U图线。根据I-U图象可知,该小灯泡灯丝温度升高时,电阻(选填“变大”或“变小”)。U/V0.000.400.801.001.20I/A0.000.170.270.300.35U/V1.501.802.002.202.50I/A0.390.430.450.470.48【解析】(1)灯泡额定电压是2.5 V,电压表应选A;灯泡额定电流I=1.22.5 A=0.48 A,电流表选D;为方便实验操作,滑动变阻器应选总阻值较小的E。(2)测绘小灯泡伏安特性曲线时,电压与电流应从零开始变化,滑动变阻器应采用
16、分压接法;灯泡正常发光时的电阻较小,故电流表应采用外接法,连接实物图如图丙所示。丙(3)根据描点法得出对应的图象如图丁所示。丁由图可知,电阻随温度的升高而增大。【答案】(1)ADE(2)如图丙所示(3)如图丁所示变大【针对训练2】某同学使用如下器材:电源E(电动势为12 V);电压表(量程为15 V,内阻约为15 k);电流表(量程为100 mA,内阻约为10 );滑动变阻器(最大阻值为50 );单刀单掷开关;导线若干。测出了一个小灯泡的伏安特性曲线如图甲所示,已知小灯泡的额定电压为12 V。甲(1)在实验中要尽可能提高实验精度,所用的实验电路图应选图乙中的()。乙(2)请根据所选的实验电路图
17、在图丙的实物图上连线。丙(3)由小灯泡的伏安特性曲线可求得小灯泡的额定功率P=W。(4)由小灯泡的伏安特性曲线可知小灯泡的电阻在较低电压(02 V)区域几乎不变,在较高电压(7 V10 V)区域内小灯泡的电阻会随电压的增大而(选填“增大”“不变”或“减小”)。小灯泡在低电压(02 V)区域和高电压(7 V10 V)区域伏安特性曲线表现出不同规律的原因是。【解析】(1)由I-U图象知电压与电流从零开始,故滑动变阻器应用分压式接法,小灯泡电阻RRARV,故电流表应用外接法,电路图应选图乙中的C。(2)连线如图丁所示。丁(3)由小灯泡的伏安特性曲线可读出当U=12 V时,I=95 mA,由P=UI得
18、小灯泡的额定功率P=120.095 W=1.14 W。(4)I-U图线上某点与原点连线的斜率的倒数表示电阻,在7 V10 V区域内,连线的斜率变小,故小灯泡的电阻随电压的增大而增大,其原因是低压区域电阻丝发热与散热几乎相等,电阻率不变,在高压区域灯丝的发热量大于散热量,温度升高,电阻率变大,则灯丝电阻变大。【答案】(1)C(2)如图丁所示(3)1.14(4)增大低压区域灯丝发热与散热几乎相等,电阻率不变,高压区域发热量大于散热量,电阻率变大【典例3】实验室备有以下器材:电压传感器、电流传感器、滑动变阻器R1(阻值变化范围为020 )、滑动变阻器R2(阻值变化范围为01000 )、电动势适当的电
19、源、小灯泡(4 V2 W)、开关、导线若干。(1)要完整地描绘小灯泡的U-I曲线,请在图甲中画出实验电路图,并标出所用滑动变阻器的符号。甲乙(2)实验中描绘出的小灯泡U-I曲线如图乙所示,由图乙可知,小灯泡灯丝电阻随温度升高而。(选填“增大”“减小”或“不变”)(3)如果用上述器材测量所给电源的电动势和内阻,实验电路如图丙所示,图中R0是阻值为9.0 的保护电阻,实验中测得多组数据记录在下表中,试在同一坐标系中画出等效电源的U-I图象,由图象可求出电源自身内阻约为。序号123456U/V4.003.402.802.001.500.80I/A0.200.250.330.400.460.52丙丁(
20、4)若将上述小灯泡直接与电源和保护电阻组成串联电路,如图丁所示,此时小灯泡消耗的电功率约为W。(结果保留2位有效数字)【解析】(1)要描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压与电流应从零开始变化,滑动变阻器要采用分压式接法,为便于操作应用电阻较小的R1,由于小灯泡的阻值较小,电流传感器应用外接法,电路图如图戊所示。戊己(2)由图乙所示的U-I图象可知,随电压与电流的增大,灯泡实际功率增大,灯丝温度升高,电压与电流的比值增大,灯丝电阻增大,由此可知,小灯泡灯丝电阻随温度升高而增大。(3)根据表中实验数据作出等效电源的U-I图象如图己所示,由图示图象可知,电源内阻r=UI-R0=60.6-9.0=1.0 。
21、(4)由图示图象可知,两图线交点为灯泡实际工作状态点,灯泡两端电压为2.1 V,电流为0.39 A,灯泡的电功率P=UI=2.10.39 W0.82 W。【答案】(1)电路图如图戊所示(2)增大(3)如图己所示1.0(4)0.82【针对训练3】某同学想要描绘标有“3.8 V0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线,要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。可供该同学选用的器材除开关、导线外,还有:电压表(量程03 V,内阻等于3 k)电压表(量程015 V,内阻等于15 k)电流表(量程0200 mA,内阻等于10 )电流表(量程03 A,内阻等于0.1 )滑动变阻器R1(010 ,额定电流2 A)滑
22、动变阻器R2(01 k,额定电流0.5 A)定值电阻R3(阻值等于1 )定值电阻R4(阻值等于10 )定值电阻R5(阻值等于1 k)电源E(E=6 V,内阻不计)(1)请在虚线框中画出实验电路图,并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。(2)该同学描绘出的I-U图象应是下图中的。【解析】(1)题目要求绘制曲线完整应选用分压式接法,又R灯=UI13 ,所以滑动变阻器应选R1,由于灯泡额定电压为3.8 V,量程为15 V太大,不宜选用,量程略小,串联电阻R5改装成4 V量程正合适。由于灯泡额定电流为0.3 A,量程太大,不宜选用,量程略小,并联R4改装成0.4 A 量程正合适。改装后RA=5 ,RV=4 k,R灯RARV,应选用电流表外接法,如图所示。(2)小灯泡灯丝为金属,温度升高电阻增大,只有B项正确。【答案】(1)如图所示(2)B
