1、23 欧姆定律及实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线 学 习 目 标 学习重点考查热度理解欧姆定律并能在具体问题中加以运用知道伏安特性曲线、线性元件、非线性元件，学会一般元件伏安特性曲线的测绘方法通过探究导体电压和电流关系的实验过程，体会利用 U-I 图象来处理、分析实验数据，总结实验规律的方法通过测绘小灯泡伏安特性曲线的实验，掌握利用分压电路改变电压的基本技能基 础 梳 理 一、对导体的电阻的理解1电阻：导体对电流的阻碍作用叫导体的电阻，等于导体电压与电流的比值2公式：RUI，单位：欧姆()，常用的单位还有 k、M，1 103 k 106M.【概念理解】(1)导体对电流的阻碍作用是由于自由电荷在导
2、体中做定向运动时，跟导体中的金属正离子或原子相碰撞发生的(2)电流流经导体时，导体两端出现电势降落，同时将电能转化为内能，即导体发热(3)RUI 提供了测量电阻大小的方法，但导体对电流的这种阻碍作用是由导体本身性质决定的，与所加电压，通过的电流均无关系，绝不能错误地认为“导体的电阻与导体两端的电压成正比，与电流成反比”二、欧姆定律1欧姆定律：导体中的电流跟它两端的电压 U 成正比，跟它的电阻 R 成反比2公式：IUR3适用条件：金属导体和电解液导电的纯电阻电路(不含电动机、电解槽等)【概念理解】(1)欧姆定律中说到的电流、导体两端的电压、电阻都是对应同一导体在同一时刻的物理量，注意 I、U、R
3、 的同一性(2)欧姆定律不适用于气体导电(3)欧姆定律可以解决的问题：求导体中的电流；计算导体两端应该加多大的电压；测定导体的电阻三、导体的伏安特性曲线1伏安特性曲线：建立平面直角坐标系，用纵轴表示电流 I，用横轴表示电压 U，画出导体的 I-U 图线如图所示，叫作导体的伏安特性曲线【概念理解】(1)伏安特性曲线的斜率等于电阻的倒数，即k IU1R，如图所示，斜率越大，表示电阻越小(2)某些电阻在电流增大时，由于温度升高而使电阻变化，伏安特性曲线不是直线，但对某一状态，欧姆定律仍然适用 2线性元件、非线性元件(1)线性元件：当导体的伏安特性曲线为过原点的直线，即电流与电压成正比的线性关系具有这
4、种特点的元件称为线性元件，如金属导体、电解液等(2)非线性元件：伏安特性曲线不是直线的，即电流与电压不成正比的电学元件，称为非线性元件，如气体导体、二极管等对于非线性元件，可以用欧姆定律公式求某一电压下的电阻3二极管的伏安特性曲线四、电压表与电流表之间的比较1理想电表(1)理想电压表：理想电压表内阻无穷大，相当于断路，测量时不通过电流，与被测电阻并联测量时不分流，不引入系统误差，但读数也会存在偶然误差(人为因素)(2)理想电流表：内阻为零，相当于导线与被测电阻串联测量时不分压，不引入系统误差，但读数也会存在偶然误差(人为因素)2实际电表(1)实际电压表：内阻不是无穷大，内阻大小可以用 RV 表
5、示，相当于一个大阻值电阻与被测电阻 Rx 并联测量时会分流被测电阻与电压表并联，相当于与一个电阻并联，电阻值变小，实际电路中会导致被测电阻两端电压比不接入电压表时要小，即会引入系统误差但电压表读数时等于电阻两端电压，读数是准确的读数存在偶然误差下图中 RxV RxRVRxRV.(2)实际电流表：内阻不为零，内阻大小可以用 RA 表示，与被测电阻 Rx 串联测量时会分压被测电阻与电流表串联，相当于与一个小电阻串联，电阻值变大，即 RxARxRA.在实际电路中会导致被测电阻电流比不串入电流表时电流要小，即会引入系统误差，但电流表读数时刻等于电阻的电流，读数是准确的读数存在偶然误差五、伏安法中内接法
6、与外接法选择1内接法：电流表测量值 I 等于待测电阻电流，但电压表测量值 U 是电阻电压与电流表电压之和，故UI RxRA，测量值大于待测电阻值此时电阻测量的误差是由电流表分压导致的，电压表没有引入误差2外接法电压表测量值 U 等于待测电阻电压，但电流表测量值 I 为待测电阻电流与电压表电流之和，所以测量出的电阻值是待测电阻与电压表内阻并联的阻值，即UI RxRVRxRV.测量值小于待测电阻值此时电阻测量的误差是由电压表分流导致的，电流表没有引入误差所以无论内接法还是外接法测量值都是有系统误差的测量值与真实值相比都存在一定的误差但在实际测量中对于某待测电阻来说，内接法与外接法相比所引入的系统误
7、差肯定有一个比较小所以实际测量中对某确定的待测电阻来说需要事先判断用内接法还是用外接法引入系统误差更小一些六、滑动变阻器接法的选择滑动变阻器的两种接法及其作用如图所示的两种电路中，滑动变阻器(最大阻值为 R0)对负载RL 的电压、电流都起控制调节作用，通常把图(a)电路称为限流接法，图(b)电路称为分压接法规 律 方 法 考点鸟瞰高考热度考点一：对公式 IUR及 Iqt、RUI 和 UIR含义的理解考点二：导体的伏安特性曲线考点三：滑动变阻器的两种连接方式考点四：伏安法测电阻的两种接法及其误差分析考点五：实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线考点一 对公式 IUR及 Iqt、RUI 和 UIR 含义的
8、理解物理意义适用条件IUR某段导体电流、电压和电阻的关系，电流的决定式计算通过某段导体电流大小，仅适用于纯电阻电路Iqt电流定义式已知 q 和 t 情况下，可以算 I的大小，适用于所有导体RUI导体电阻定义式，反映导体对电流的阻碍作用R 由导体本身决定，与 U、I无关，适用于所有导体UIR沿电流方向电势逐渐降低，电压等于 I 和 R 的乘积计算导体两端电压，适用于金属导体和电解液 即 I 由 U 和 R 决定，或 I 与 U 成正比、与 R 成反比I 与 q无关、与 t 无关R 与 U 无关、与 I 无关(多选)根据欧姆定律，下列说法中正确的是()A从关系式 UIR 可知，导体两端的电压 U
9、由通过它的电流 I 和它的电阻 R 共同决定B从关系式 RU/I 可知，导体的电阻跟导体两端的电压成正比，跟导体中的电流成反比C从关系式 IU/R 可知，导体中的电流跟导体两端的电压成正比，跟导体的电阻成反比D从关系式 RU/I 可知，对一个确定的导体来说，温度不变时，所加的电压跟通过导体的电流的比值是一定值【解析】UIR 和 IUR的意义不同，可以说 I 由 U 和 R共同决定，但不能说 U 由 I 和 R 共同决定，因为电流产生的条件是导体两端存在电势差，故 A 项错误，C 项正确；可以利用 RUI 计算导体的电阻，但 R 与 U 和 I 无关故 B 项错误，D 项正确【答案】CD考点二
10、导体的伏安特性曲线1I-U 图线为导体的伏安特性曲线，加在导体两端的电压 U是自变量，I 是因变量(1)I-U 图线是直线：表示电流跟电压成正比，导体为线性元件；(2)I-U 图线是曲线：表示电流跟电压不成正比，导体为非线性元件 2对 I-U 图象或者 U-I 图象进行分析比较时，要先仔细辨认纵轴与横轴各代表什么，以及由此对应的图象上任意一点与坐标原点连线的斜率的具体意义，如图甲中 R2R1.3IU 图线是曲线：导体电阻 RUI 即电阻等于图线上(Un，In)与坐标原点连线的斜率的倒数，而不等于该点切线斜率的倒数如图所示的图象所对应的两个导体(1)电 阻 之 比R1R2为_；(2)若两个导体的
11、电流相等(不为零)时，电压之比 U1U2为_；(3)若 两 个 导 体 的 电 压 相 等(不 为 零 )时，电 流 之 比 为_【解析】如题图，当两电阻都在 10 mV 电压下时，R1的电流为 5 mA，R2的电流为 15 mA.根据 RU/I 可得，R12，R22/3，R1R231；若两导体电流相等，根据 UIR，U1U2R1R231；若两导体电压相等，根据 IU/R，I1I2R2R113.【答案】31；31，13模型拓展二极管的伏安特性曲线二极管具有单向导电性，加正向电压时二极管电阻较小，通过的电流较大，而且，随着电压的升高电阻会减小；加反向电压时，二极管的电阻很大，通过的电流极小，可以
12、认为没有电流通过当加正向电压时电压只有大于一定的范围才开始导通，这个电压叫开启电压，一般的二极管开启电压在 0.2 V0.7 V高中阶段不研究开启电压，只研究大于开启电压后的伏安特性曲线二极管加反向电压不能太大，太大二极管会被击穿损坏 考点三 滑动变阻器的两种连接方式滑动变阻器以何种接法接入电路，应遵循安全性、精确性、节能性、方便性原则综合考虑，灵活择取(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)，即大范围内测量时，必须采用分压接法 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
13、电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时，必须采用分压接法因为按图(b)连接时，因 RLR0Rap，所以 RL 与 Rap的并联值 R 并Rap，而整个电路的总阻约为 R0，那么 RL 两端电压 ULIR 并 UR0Rap，显然 ULRap，且 Rap 越小，这种线性关系越好，电表的变化越平稳均匀，越便于观察和操作 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，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
14、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图 a 为某一热敏电阻(电阻值随温度改变而改变，对温度敏感)的 I-U 关系曲线图(1)为了通过测量得到图 a 所示的 I-U 关系的完整曲线，在图b 和图 c 两个电路中应选择的是图(电源电动势为 9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为 0100)_(2)在图 d 电路中，电源恒为 9 V，电流表读数为 70 mA，定值电阻 R1250.由热敏电阻的 I-U 关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为_ V；电阻 R2的阻值为_ (答案均保留一位小数)【解析】
15、(1)热敏电阻的电流与电压从零开始变化，则滑动变阻器应采用分压接法，由图示电路图可知，实验应采用图 b 所示电路(2)通过定值电阻 R1的电流 I1U1R1 9 V250 0.036 A 通过热敏电阻的电流 I2II10.070 A0.036 A0.034 A，由图 a 所示图象可知，0.034 A34 mA 所对应的电压 U 热5.2 V，电阻 R2两端电压 U2UU 热9 V5.2 V3.8 V，电阻R2 的阻值 R2U2I2 3.8 V0.034 A111.8.【答案】(1)b(2)5.2 111.8方法提炼滑动变阻器两种接法的比较负载 RL 上电压调节范围(忽略电源内阻)负载 RL 上
16、电流调节范 围(忽 略 电 源 内阻)相同条件下电路消耗的总功率限流接法RLRLR0EULEERLR0IL ERLEIL 分压接法0ULE0IL ERLE(ILIap)比较分压式电路调节范围较大限流式电路调节范围较小分压式电路调节范围较大限流式电路调节范围较小分压式耗能较大限流式耗能较小(1)从调节范围上比较：分压电路优点：调节范围宽，其次是它的电流、电压都包含了 0 值且与 R0无关(2)从方便调节的角度比较：其中，在限流电路中，通 RL 的电流 ILERLR0，当 R0RL 时 IL 主要取决于 R0的变化，当 R0RL时，IL 主要取决于 RL，特别是当 R0RL时，无论怎样改变 R0的
17、大小，也不会使 IL 有较大变化即 R0越大，电流、电压变化范围越大；R0 越小，电流、电压变化范围越小 在分压电路中，并联电路电阻比小的那个还小，当 R0RL时，R 并RL，所以 RL 两端电压随 R0增大而增大，几乎不受负载影响当 RL 比 R0 小或小很多时，R 并R0这时几乎不受影响，不宜采用分压电路 归纳为：大负载 R0RL 时，分压电路；小负载 R0RXRA，说明被测电阻更接近电流表内阻，被测电阻是小电阻，为了减小误差，应当用电流表外接法，“少小离家”.RVRXRXRA，说明被测电阻更接近电压表内阻，被测电阻是大电阻，为了减小误差，应当用电流表内接法，“老大回”(2)不知道待测电阻
18、大概阻值和电压表、电流表内阻的情况下，可分别用内接法和外接法试测一次得出两组电压表与电流表示数(U1、I1)和(U2、I2)U1U2U1I1I2I1说明电压表变化明显，被测电阻是小电阻，采用“少小离家”即电流表外接法用电流表和电压表测量电阻 Rx 的阻值如图所示，分别将图甲和图乙两种测量电路连接到电路中，按照甲图时，电流表示数 4.60 mA，电压表示数 2.50 V；按照乙图时，电流表示数为 5.00 mA，电压表示数为 2.30 V，比较这两次结果，正确的是()A电阻的真实值更接近 543，且大于 543 B电阻的真实值更接近 543，且小于 543 C电阻的真实值更接近 460，且大于
19、460 D电阻的真实值更接近 460，且小于 460【解析】由题意可知：II1 54.64.6 223，UU12.52.32.5 225，II1 UU1电流变化明显，电压表分流对实验影响较大，电流表应采用内接法，即图甲所示接法，则电阻测量值为：RU1I1 2.50.046 543.由于电流表采用内接法，电压测量值偏大，电阻测量值大于真实值，则电阻真实值小于 543；故选 B 项【答案】B考点五 实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线1实验目的(1)掌握伏安法测电阻的电路设计(关键是内、外接法的特点和滑动变阻器的用法)(2)理解小灯泡的伏安特性曲线为什么不是过原点的一条直线2实验原理 根据欧姆定律，电阻
20、两端的电压与通过电阻的电流的比值即可求出电阻用电压表测量电阻两端的电压，用电流表测量电阻的电流，绘出 I-U 图线，即可得到小灯泡的伏安特性曲线，实验原理图如图所示由于小灯泡电阻只有几个欧姆，电流表内阻与灯泡电阻相差不多不能忽略，所以采用电流表外接法；由于要描绘出整个电压变化范围的曲线，所以灯泡电压要从零开始调节，所以滑动变阻器采用分压式接法3实验器材 电源、小灯泡、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸4实验步骤(1)确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，按原理图连接好实验电路；(2)把滑动变阻器的滑片调节到 a 端，电路经检查无误后，闭合开关 S；(3)改变滑动变阻器滑片的位
21、置，读出几组相应的电流表、电压表的示数 I 和 U，记入记录表格内，断开开关 S；(4)在坐标纸上建立一个直角坐标系，纵轴表示电流 I，横轴表示电压 U，用平滑曲线将各个数据点连接起来，便得到伏安特性曲线；(5)拆除电路，整理好实验器材5实验注意事项(1)开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑到使灯泡两端电压为零的位置；(2)在增大电压的过程中，要确保不超过小灯泡的额定电压；(3)在选择电表的量程时，掌握以下原则：在测量值不超过电表量程的前提下，指针尽量偏转至23量程处；(4)测绘 I-U 图时要注意三点：标度选取合理，即作出的图象既可以把表中所给的点都标注上，又要使图象分布在中央位置上；用“”或“
22、”标注点；用平滑曲线拟合连接各点，误差较大的点可以舍去为探究小灯泡 L 的伏安特性，连好如图所示的电路后闭合开关，通过移动变阻器的滑片，使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大，直到小灯泡正常发光由电流表和电压表得到的多组读数描绘出的 U-I 图象应是()【解析】灯丝电阻随电压的增大而增大，图象上某点与原点连线的斜率应越来越大，只有 C 项正确【答案】C【设置目的】考查小灯泡的伏安特性曲线在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的器材有：A小灯泡：规格为“3.8 V，0.3 A”B电流表：量程 00.6 A，内阻约为 0.5 C电流表：量程 03 A，内阻约为 0.1 D电压表：量程 05 V
23、，内阻约为 5 kE滑动变阻器：阻值范围 010，额定电流 2 AF电池组：电动势 6 V，内阻约为 1 G开关一只，导线若干(1)为了使测量尽可能地准确，需要使小灯泡两端电压从 0 逐渐 增 大 到 3.8 V 且 能 方 便 地 进 行 调 节，因 此 电 流 表 应 选_(填器材代号)(2)根据你选用的实验电路，将图中所示的器材连成实验电路【解析】(1)因小灯泡的额定电流为 0.3 A，为减小读数误差，让指针偏角大一些，则电流表应选 B.(2)先画出电路图如图 1 所示，然后根据电路图连接实物图2.【答案】(1)B(2)如解析图【设置目的】考查“小灯泡伏安特性曲线”实验的理解方法提炼实物
24、图连线要领(1)先弄懂原理图，特别注意滑动变阻器是分压式接法还是限流式接法，电流表是内接还是外接(2)按原理图沿电流方向逐个连接，先串后并，先干路后支路(3)电压表最后接，要特别注意电表的接线柱和量程(4)电路中导线不能相交(5)最后对照原理图，检查实物图是否连接正确聚 焦 高 考 高考考纲高考热度描绘小灯泡的伏安特性曲线描绘小灯泡的伏安特性曲线实验是高考的重点、热点，涉及电路设计、电表选择、测多组数据描点连线等问题1(2018课标全国)某实验小组利用如图(a)所示的电路探究在 25 80 范围内某热敏电阻的温度特性，所用器材有：置于温控室(图中虚线区域)中的热敏电阻 RT，其标称值(25 时
25、的阻值)为 900.0；电源 E(6 V，内阻可忽略)；电压表(量程 150 mV)；定值电阻 R0(阻值 20.0 )，滑动变阻器 R1(最大阻值为 1 000 )；电阻箱 R2(阻值范围 0999.9)；单刀开关 S1，单刀双掷开关 S2.实验时，先按图(a)连接好电路，再将温控室的温度 t 升至 80.0.将 S2与 1 端接通，闭合 S1，调节 R1的滑片位置，使电压表读数为某一值 U0：保持 R1的滑片位置不变，将 R2置于最大值，将S2与 2 端接通，调节 R2，使电压表读数仍为 U0；断开 S1，记下此时 R2 的读数逐步降低温控室的温度 t，得到相应温度下 R2的阻值，直至温度
26、降到 25.0，实验得到的 R2t 数据见表t/25.030.040.050.060.070.080.0R2/900.0680.0 500.0 390.0320.0270.0240.0回答下列问题：(1)在闭合 S1前，图(a)中 R1的滑片应移动到_(填“a”或“b”)端；(2)在图(b)的坐标纸上补齐数据表中所给数据点，并作出 R2t 曲线；(3)由图(b)可得到 RT在 25 80 范围内的温度特性，当t44.0 时，可得 RT_ ；(4)将 RT握于手心，手心温度下 R2的相应读数如图(c)所示，该读数为_ ，则手心温度为_.解析 本题主要考查研究小灯泡的伏安特性实验、利用伏安特性曲线
27、计算实际功率及其相关的知识点，意在考查考生对小灯泡伏安特性曲线的理解和灵活运用相关知识，解决实际问题的能力(1)图(a)的电路滑动变阻器采用限流接法，在闭合 S1 前，R1应该调节到接入电路部分的电阻值最大，使电路中电流最小，即图(a)中的 R1 的滑片应移到 b 端(2)将 t60 和 t70 对应的两组数据对应画在坐标图上，然后用平滑曲线过尽可能多的数据点画出 R2t 图象(3)根据题述实验过程可知，测量的 R2 数据等于对应的热敏电阻 RT的电阻值由画出的 R2t 图象可知，当 t44.0 时，对应的 RT450.(4)由画出的 R2t 图象可知，当 RT620.0，则手心温度 t33.
28、0.答案(1)b(2)如图所示(3)450.0(4)620.0 33.02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 V1的量程选用 3 V，内阻为 6.0 k；电压表V2 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(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 V1、V2的示数 U1、U2.某次测量时，电压表 V1示数如图丙，则
29、 U1_V，可算出通过硅光电池的反向电流大小为_mA(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 个坐标点请你标出余下的4 个坐标点，并绘出 IxUx图线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/mA0.000.000.010.02 0.04 0.07 0.120.19 0.29由 IxUx 图线可知，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”)关系解析(1)连接电路如图所示 (2)由电压表读数可知，U11.40 V，由欧姆定律可知电流大小为 0.23 mA.描点绘出 IxUx图线为一条曲线，可知 Ix与 Ux成非线性关系 答案 见解析请做：课时作业（十二）