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实 验 八 描绘小灯泡的伏安特性曲线
一、实验目的
(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线。
(2)分析伏安特性曲线的变化规律。
二、实验器材
小灯泡、电压表、电流表、滑动变阻器、学生低压直流电源(或电池组)、开关、导线若干、坐标纸、铅笔。
考点一　实验原理与操作
[典例1]　(2013·江苏高考)为探究 ( http: / / www.21cnjy.com )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P＝UI得到电功率。实验所使用的小灯泡规格为“3.0 V　1.8 W”，电源为12 V的电池，滑动变阻器的最大阻值为10 Ω。
(1)准备使用的实物电路如图实 8 1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)
图实 8 1
(2)现有10 Ω、20 Ω和50 Ω的定值电阻，电路中的电阻R1应选________Ω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，如图实 8 2所示。请指出图像中不恰当的地方。
图实 8 2
[答案]　(1)连线如图所示。
(2)10　(3)电池　(4)图线不应画为直线；横坐标的标度不合适
[由题引知·要点谨记]
1．滑动变阻器的分压式与限流式的接法[对应第(1)题](1)两种接法的适用情形①限流式接法适合测量阻值小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小)。②分压式接法适合测量阻值较大的电阻。(2)两种接法的选择①若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求 ( http: / / www.21cnjy.com )，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程，或超过待测电阻的额定电流(或电压)，则必须选用分压式接法。②若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多 ( http: / / www.21cnjy.com )，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时，待测电阻上的电流或电压变化范围不够大，此时，应改用分压电路。③若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式电路。④两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法电路简单、耗能低。2.保护电阻的计算问题[对 ( http: / / www.21cnjy.com )应第 2 题],电阻R1接在供电电路中，对电路起到保护作用，当滑动变阻器阻值最大时，保护测量电路中用电器及电表不被烧坏。,小灯泡与滑动变阻器的并联电阻值约为3.3 Ω，则12 V－3 V＝4.描点作图时应注意的问题[对应第 4 题] 1 根据数据描出的点，若不是在一条直线上，则应用平滑的曲线进行连接，不能用直线或折线连接。 2 画出的图线分布范围尽量不要太靠近坐标轴一侧，通过修改两坐标的标度值即可。
[题组突破]
1．(2012·安徽高考)图实 8 3为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为2.5 V。
图实 8 3
(1)完成下列实验步骤：
①闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，________________________________________；
②闭合开关后，逐渐移动变阻器的滑片，________________________________________；
③断开开关，……根据实验数据在方格纸上作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。
(2)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图。
解析：(1)滑动变阻器为分压式接法，故 ( http: / / www.21cnjy.com )闭合开关前，灯泡两端的电压为零，调节滑动变阻器的滑片，使它靠近滑动变阻器左端的接线柱。闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，增加小灯泡两端的电压，记录电流表和电压表的多组读数，直至电压达到额定电压。
(2)与实物电路相应的电路图如图所示。
答案：(1)①使它靠近滑动变阻器左端的接线柱
②增加小灯泡两端的电压，记录电流表和电压表的多组读数，直至电压达到其额定电压
(2)如解析图所示
2．某同学在探究规格为“6 V,3 W”的小灯泡伏安特性曲线实验中：
(1)在小灯泡接入电路前，使用多用电表直接测量小灯泡的电阻，则应将选择开关旋至________挡进行测量。(填选项前的字母)
A．直流电压10 V　　　　 B．直流电流5 mA
C．欧姆×100 D．欧姆×1
(2)该同学采用图实 8 4所示的 ( http: / / www.21cnjy.com )电路进行测量。图中R为滑动变阻器(阻值范围0～20 Ω，额定电流1.0 A)，L为待测小灯泡， ○ 为电压表(量程6 V，电阻20 kΩ)，○ 为电流表(量程0.6 A，内阻1 Ω)，E为电源(电动势8 V，内阻不计)，S为开关。
图实 8 4
Ⅰ.在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于最______端；(填“左”或“右”)
Ⅱ.在实验过程中，已知各元件均无故 ( http: / / www.21cnjy.com )障，但闭合开关S后，无论如何调节滑片P，电压表和电流表的示数总是调不到零，其原因是________点至________点的导线没有连接好；(图中的黑色小圆点表示接线点，并用数字标记，空格中请填写图实 8 4中的数字)
Ⅲ.该同学描绘出小灯泡的伏安特性曲线示意图如 ( http: / / www.21cnjy.com )图实 8 5所示，则小灯泡的电阻值随工作电压的增大而________。(填“不变”、“增大”或“减小”)
图实 8 5
解析：(1)因小灯泡正常发 ( http: / / www.21cnjy.com )光时的电阻R＝＝ Ω＝12 Ω，小灯泡未接入电路的电阻要比正常发光时小得多(因温度的影响)，故用多用电表测未接入电路的小灯泡的电阻，应选D。
(2)Ⅰ.在实验时，闭合开关前，应使用电器的电压、电流为最小值，故应使滑片P置于最左端。
Ⅱ.若1点到5点未接好，则电路成为滑动变阻器的限流式电路。
Ⅲ.在I U图像中的每一点与O点连线的斜率逐渐减小，即电阻的倒数减小，所以电阻增大。
答案：(1)D　(2)Ⅰ.左　Ⅱ.1　5(或5　1)　Ⅲ.增大
考点二　数据处理与误差分析
[典例2]　物理兴趣小组 ( http: / / www.21cnjy.com )的同学们从实验室中找到一只小灯泡，其标称功率值为0.75 W，额定电压值已模糊不清。他们想测定其额定电压值，于是先用欧姆表直接测出该灯泡的电阻约为2 Ω，然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U＝＝ V＝1.22 V。他们怀疑所得电压值不准确，于是，再利用下面可供选择的实验器材设计一个电路，测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘制灯泡的U I图线，进而分析灯泡的额定电压。
A．电压表V(量程3 V，内阻约3 kΩ)　　　　B．电流表A1(量程150 mA，内阻约2 Ω)
C．电流表A2(量程500 mA，内阻约0.6 Ω) D．滑动变阻器R1(0～20 Ω)
E．滑动变阻器R2(0～100 Ω) F．电源 E(电动势4.0 V，内阻不计)
G．开关S和导线若干 H．待测灯泡 L(额定功率0.75 W，额定电压未知)
(1)在下面所给的虚线框中画出他们进行 ( http: / / www.21cnjy.com )实验的电路原理图，指出上述器材中，电流表选择________(填“A1”或“A2”)；滑动变阻器选择________(填“R1”或“R2”)。
(2)在实验过程中，该同学将灯泡两端的 ( http: / / www.21cnjy.com )电压由零缓慢地增加，当电压达到1.23 V时，发现灯泡亮度很暗，当达到2.70 V时，发现灯泡已过亮，便立即断开开关，并将所测数据记录在下边表格中。
次数 1 2 3 4 5 6 7
U/V 0.20 0.60 1.00 1.40 1.80 2.20 2.70
I/mA 80 155 195 227 255 279 310
请你根据表中实验数据在图实 8 6中作出灯泡的U I图线。
图实 8 6
(3)由图像得出该灯泡的额定电压应 ( http: / / www.21cnjy.com )为______V；这一结果大于1.22 V，其原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[答案]　(1)电路原理图如图甲所示　A2　R1
(2)如图乙所示
(3)2.5(2.4～2.6均可)
灯泡的冷态电阻小于正常工作时的电阻(或灯泡电阻随温度升高而变大)
　　
甲　　　　　　　　　　　乙　　　　　　
[由题引知·要点谨记]
2．处理数据的方法和能力[对应第(2)题](1)观察和分析表格中的数据；(2)利用表格中的数据在坐标图纸上描点；(3)用平滑的曲线连结描出的点；(4)根据描绘的图线分析小灯泡的工作状态。3．利用图像处理数据和分析实验结果[对应第(3)题](1)图像纵横坐标的乘积表示功率；(2)结合小灯泡的实际工作过程分析实验结果。
[题组突破]
3．(2013·天津高考)要测绘一个 ( http: / / www.21cnjy.com )标有“3 V　0.6 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 Ω)；
电流表(量程为0～250 mA，内阻约5 Ω)；
电压表(量程为0～3 V，内阻约3 kΩ)；
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 Ω，额定电流1 A)
B．滑动变阻器(最大阻值1 750 Ω，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)。
图实 8 7
(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图 ( http: / / www.21cnjy.com )实 8 8所示。如果将这个小灯泡接到电动势为1.5 V，内阻为5 Ω的电源两端，小灯泡消耗的功率是________W。
图实 8 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 ( http: / / www.21cnjy.com )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，如图所示 ( http: / / www.21cnjy.com )，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泡两端的电压，U＝1.0 V，I＝0.10 A，因此小灯泡消耗的功率为P＝UI＝0.1 W。
答案：(1)A　(2)B　(3)0.1
4．(2015·云南联考)有一个小灯泡上标 ( http: / / www.21cnjy.com )有“4.8 V,2 W”的字样，现在测定小灯泡在不同电压下的电功率，并作出小灯泡的电功率P与它两端电压的平方U2的关系曲线。有下列器材可供选用：
A．电压表V1(0～3 V，内阻3 kΩ)
B．电压表V2(0～15 V，内阻15 kΩ)
C．电流表A(0～0.6 A，内阻约1 Ω)
D．定值电阻R1＝3 kΩ
E．定值电阻R2＝15 kΩ
F．滑动变阻器R(10 Ω，2 A)
G．学生电源(直流6 V，内阻不计)
H．开关、导线若干
(1)实验中所用电压表应选用________，定值电阻应选用________(均用序号字母填写)；
(2)为尽量减小实验误差，并要求从零开始多取几组数据，请在方框内画出满足实验要求的电路图；
(3)利用上述实验电路图测出 ( http: / / www.21cnjy.com )的电压表读数UV与此时小灯泡两端电压U的定量关系是________，下图的四个图像中可能正确的是________。
图实 8 9
解析：由于量程15 V的电压表量程较大 ( http: / / www.21cnjy.com )，所以可以采用扩大3 V量程电压表的办法，实验中所用电压表应选用A，定值电阻应选用R1＝3 kΩ的D。采用分压电路，电流表外接。利用上述实验电路图测出的电压表读数UV与此时小灯泡两端电压U的定量关系是U＝2UV。由P＝U2/R，R随温度升高(电压增大)而增大，小灯泡的电功率P与它两端电压的平方U2的关系曲线可能正确的是图C。
答案：(1)A　D
(2)电路图如图
(3)U＝2UV　C
考点三　实验的改进与创新
[典例3]　(2013·福建高考)硅光 ( http: / / www.21cnjy.com )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实 8 10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 kΩ；电压表V2量程选用15 V，内阻约为30 kΩ；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。
图实 8 10
(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。
①某次测量时，电压表V1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(保留两位小数)。
②该小组测出大量数据，筛选出下表所示的9 ( http: / / www.21cnjy.com )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Ix Ux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Ix Ux图线。
1 2 3 4 5 6 7 8 9
U1/V 0.00 0.00 0.06 0.12 0.24 0.42 0.72 1.14 1.74
U2/V 0.0 1.0 2.1 3.1 4.2 5.4 6.7 8.1 9.7
Ux/V 0.0 －1.0 －2.0 －3.0 －4.0 －5.0 －6.0 －7.0 －8.0
Ix/mA 0.00 0.00 －0.01 －0.02 －0.04 －0.07 －0.12 －0.19 －0.29
图实 8 11
③由Ix Ux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。
[答案]　(1)连接电路如图所示
(2)①1.40　0.23　②描点绘出Ix Ux图线如图所示　③非线性
[由题引知·要点谨记]
1．实验原理的创新[对应题干部分](1)本实验描绘的不是小灯泡的伏安特性曲线，而是硅光电池不产生电能时，作为一个电子元件的伏安特性曲线。(2)本实验描绘的是给硅光电池加反向电压时的反向伏安特性。3.数据处理的创新[对应第 2 题①问], 1 电压表的读数方法。, 2 由于电压表V1 的内阻已知，可通过I＝4．描点、连线作图能力[对应第(2)题②问]5.读图、用图的能力[对应第 2 题③问]根据图像分析：若图线是直线，则Ix与Ux成线性关系；若图线是曲线，则Ix与Ux成非线性关系。,本实验还可以从以下三个方面改进和创新： 1 描绘二极管的伏安特性曲线； 2 描绘太阳能电池在没有光照时的伏安特性曲线； 3 测定小灯泡在不同电压下的电功率；描绘小灯泡电功率P与两端电压的平方U2的曲线。
[题组突破]
5．太阳能是一种清洁、“绿色”能源。在我国上 ( http: / / www.21cnjy.com )海举办的2010年世博会上，大量利用了太阳能电池。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，可以视为一个电学器件。某实验小组根据测绘小灯泡伏安特性曲线的实验方法，探究一个太阳能电池在没有光照时(没有储存电能)的I U特性。所用的器材包括：太阳能电池，电源E，电流表A，电压表V，滑动变阻器R，开关S及导线若干。
(1) 为了达到上述目的，请将图实 8 12甲连成一个完整的实验电路图。
(2)该实验小组根据实验得到的数据， ( http: / / www.21cnjy.com )描点绘出了如图乙所示的I U图像，由图可知，当电压小于2.00 V时，太阳能电池的电阻________(填“很大”或“很小”)；当电压为2.80 V时，太阳能电池的电阻约为________Ω。
图实 8 12
解析：(1)实验电路如图所示。
(2)太阳能电池的电阻：R＝＝ Ω＝1.0×103 Ω(965～1 040 Ω均正确)
答案：(1)见解析图　(2)很大　1.0×103(965～1 040)
6．(2015·辽宁四校模拟)由金属丝 ( http: / / www.21cnjy.com )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A(0～0.6 A，内阻为1 Ω)
C．电压表V(0～3 V，内阻未知)
D．滑动变阻器(0～10 Ω，额定电流1 A)
E．电源(E＝3 V，内阻r＝1 Ω)
F．定值电阻R0(阻值5 Ω)
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：
I/A 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.48
U/V 0.25 0.40 0.60 0.90 1.25 1.85 2.50 3.00
UR/V
图实 8 13
其中，I是电流表的示数，U是电压表的示数 ( http: / / www.21cnjy.com )，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，然后在坐标图实 8 13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 ( http: / / www.21cnjy.com )以及给定的定值电阻R0二者串联起来，接在本实验提供的电源两端，则电阻器的实际功率是______W。(结果保留2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。电路如图甲所示。
(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：UR＝U－Ir，数据如下表。电阻器的伏安特性曲线如图乙所示。
UR/V 0.10 0.20 0.35 0.60 0.90 1.45 2.05 2.52
(3)由UR＋I(r＋R0)＝E作出 ( http: / / www.21cnjy.com )U I图像如图乙中直线所示，由此图像与电阻器U I图线的交点可得此时电阻器的电压UR＝0.9 V，电流I＝0.35 A，电阻器的实际功率为P＝UI≈0.32 W。
答案：(1)见解析图　(2)见解析图　(3)0.32

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