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结合描绘小电珠的伏安特性曲线实验综合考查电路问题　
高考真题体验·对方向/
　(2017全国Ⅰ·23)某同学研究小灯泡的伏安特性,所使用的器材有:小灯泡L(额定电压3.8 V,额定电流0.32 A);电压表V(量程3 V,内阻3 kΩ);电流表A(量程0.5 A,内阻0.5 Ω);固定电阻R0(阻值1 000 Ω);滑动变阻器R(阻值0~9.0 Ω);电源E(电动势5 V,内阻不计);开关S;导线若干.
(1)实验要求能够实现在0~3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量,画出实验电路原理图.
(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示.
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图(a)
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图(b)
由实验曲线可知,随着电流的增加小灯泡的电阻　　　　(填“增大”“不变”或“减小”),灯丝的电阻率　　　　(填“增大”“不变”或“减小”).?
(3)用另一电源E0(电动势4 V,内阻1.00 Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路,调节滑动变阻器R的阻值,可以改变小灯泡的实际功率.闭合开关S,在R的变化范围内,小灯泡的最小功率为　　　　 W,最大功率为　　　　 W.(结果均保留2位小数)?
答案(1)如图所示
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(2)增大　增大　(3)0.39　1.17
解析(1)由于要求电压调节范围大,故用分压式.
电压表量程只有3 V,故需串联R0改装为量程为4 V的电压表.小灯泡电阻较小(RL<
??
A
??
V
),故用外接法.
(2)图中I-U图线上某点与原点连线的斜率代表灯泡在该状态下电阻的倒数.随电流增大,与原点连线的斜率减小,故电阻增大.由R=ρ
??
??
分析知电阻率增大.
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(3)当R=9 Ω时灯泡功率最小,将电阻R与电源视为整体.
U=E-I(R+r),故U=4 V-10 Ω·I,作图法找到灯泡功率Pmin=UI≈1.75 V×0.225 A≈0.39 W
当R=0时,灯泡功率最大,电源的路端电压与电流的关系
U=E-Ir,故U=4 V-1 Ω·I,作图法找到灯泡功率Pmax=UI=3.65 V×0.32 A≈1.17 W.
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1.分压和限流电路的选择原则
(1)若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求,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),则必须选用分压式电路.
(2)若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多,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,应改用分压式电路.
(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、能耗低.
2.控制电路、测量电路的连接
第(3)问求小灯泡消耗的实际功率较难,因小灯泡的阻值随电流的变化而变化,应通过闭合电路的欧姆定律找到小灯泡实际的电流、电压值.
典题演练提能·刷高分/
1.实际的二极管正向电阻并不为零,反向电阻也不是无穷大,一兴趣小组同学对某型号二极管做了如下研究:
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(1)用多用电表的欧姆挡粗测二极管的正向电阻.
①测量时选择开关旋到测电阻的“×10”倍率,多用电表的表盘如图所示,则电阻为　　　　 Ω;?
②多用电表的红表笔应与二极管的　　　　极相连(选填“正”或“负”).?
(2)用电压表和电流表描绘该二极管加正向0~1.5 V电压时的伏安特性曲线,可供选择的器材如下:
电压表V1(量程1.5 V,内阻约2 000 Ω)
电压表V2(量程6 V,内阻约4 000 Ω)
电流表A1(量程0.6 A,内阻约10 Ω)
电流表A2(量程40 mA,内阻约0.1 Ω)
滑动变阻器R1(总电阻约为10 Ω)
滑动变阻器R2(总电阻约为100 Ω)
电源E(电动势2 V,内阻不计)
开关S,导线若干
①为调节方便,并有尽可能高的精度,请选择合适的器材,电压表　　　　、电流表　　　　、滑动变阻器　　　　;(填写所选器材的符号)?
②在虚线方框中画出实验电路原理图;
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③该二极管加正向电压的伏安特性曲线如图所示,现将阻值为50 Ω的定值电阻与该二极管串联,并与一电动势为2 V,内阻不计的电源组成闭合电路,二极管上的电压为正向电压,则回路中的电流为　　　　 mA.?
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答案(1)①130　②负　(2)①V1　A2　R1　②见解析　③15
解析(1)表盘上的读数为13,再乘以倍率,所以电阻为130 Ω;
根据多用电表中两表笔电流的流向为“红进黑出”,要测二极管的正向电阻时,应将红表笔与二极管的负极相连;
(2)因测二极管加正向0~1.5 V电压,所以电压表应选V1,由二极管加正向电压的伏安特性曲线可知,当电压接近1.5 V时,电流达到最大接近40 mA,故电流表应选A2,为调节方便,并有尽可能高的精度,滑动变阻器应用分压式,所以滑动变阻器应选总阻值较小的,即为R1.二极管电阻Rx>
??
A
??
V
,故采用电流表内接法.电路图如图.
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将50 Ω的定值电阻与电源等效为一个电动势为2 V,内阻为50 Ω的新电源.在灯泡的I-U图上作出新电源的I-U图线,交点纵坐标即为电路中的电流,此时电流为15 mA.
2.某同学想要描绘标有“3.8 V,0.3 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V1(量程0~3 V,内阻等于3 kΩ)
电压表V2(量程0~15 V,内阻等于15 kΩ)
电流表A1(量程0~200 mA,内阻等于10 Ω)
电流表A2(量程0~3 A,内阻等于0.1 Ω)
滑动变阻器R1(0~10 Ω,额定电流2 A)
滑动变阻器R2(0~1 kΩ,额定电流0.5 A)
定值电阻R3(阻值等于1 Ω)
定值电阻R4(阻值等于10 Ω)
定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)
电源E(E=6 V,内阻不计)
(1)请画出实验电路图,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图象应是图中的　　　.?
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答案(1)如图所示
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(2)B
解析(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线实验时,需要设计成滑动变阻器的分压接法,滑动变阻器应选择与小灯泡阻值相接近的R1.给出的电压表V1量程小于小灯泡的额定电压,电压表V2量程又太大,因此需要将电压表V1串联一个1 kΩ的定值电阻R5,改装成最大量程为4 V的电压表.给出的电流表A1量程小于小灯泡的额定电流,电流表A2量程又太大,因此需要将电流表A1并联一个10 Ω的定值电阻R4,改装成最大量程为400 mA的电流表.(2)由于小灯泡灯丝的电阻随温度的升高而增大,所以该同学绘出的小灯泡的I-U图象应是B.
3.(2019北京东城区二模)为了描绘小灯泡的伏安特性曲线,提供以下实验器材:
小灯泡L(额定电压3.8 V,额定电流0.32 A)
电压表V(量程3 V,内阻3 kΩ)
电流表A(量程0.5 A,内阻约0.5 Ω)
电阻箱R0(0~9 999.9 Ω)
滑动变阻器R1(阻值0~5 Ω,2 A)
滑动变阻器R2(阻值0~200 Ω,1 A)
学生电源E(电动势4 V,内阻不计)
开关S及导线若干.
(1)关于控制电路中滑动变阻器的连接方法,应选择　　　　　.?
A.分压式连接　　　　　B.限流式连接
(2)为了减小系统误差,关于测量电路中电压表和电流表的连接方式,应选择　　　　　.?
A.安培表内接法　　　　B.安培表外接法
(3)实验提供的电压表量程小于小灯泡的额定电压,需要把电压表的量程扩大到4伏,改装电压表时,应将电阻箱阻值调至　　　　　Ω,并与题中所给电压表　　　　　(选填“串联”或“并联”).?
(4)请在方框中画出该实验的电路图　　　　　.?
(5)为操作方便,实验中滑动变阻器应选择　　　　　(选填R1或R2).你的选择理由是　.?
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图(a)
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图(b)
(6)实验中得到小灯泡的伏安特性曲线如图(a)所示,由实验曲线可知,随着电压的增加小灯泡的电阻　　　　　(选填“增大”“不变”或“减小”).?
(7)现将与题中完全相同的两个小灯泡与另一电源E0(电动势4 V,内阻1.0 Ω)和一阻值为9 Ω的定值电阻连接成如图(b)所示电路.此电路中每个小灯泡两端的实际电压为　　　　　V(结果保留两位有效数字).?
答案(1)A　(2)B　(3)1 000.0　串联　(4)见解析图
(5)R1　选择R1时,移动滑片,小灯泡两端的电压示数变化比较均匀(线性关系较好)　(6)增大　(7)1.1
解析(1)因要得到从零开始连续可调的多组电压,控制电路中滑动变阻器的连接方法,应选择分压式连接,故选A.
(2)小灯泡的电阻R=
??
??
=
3.8
0.32
Ω≈12 Ω?RV,为了减小系统误差,测量电路中电压表和电流表的连接方式,应选择电流表外接法,故选B.
(3)电压表的量程为3 V,内阻为3 kΩ,则要把电压表的量程扩大到4 V,改装电压表时,应将电阻箱阻值调至
4V-3V
3V
3kΩ
=1 kΩ,并与题中所给电压表串联.
(4)实验的电路图.
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图1
(5)为操作方便,实验中滑动变阻器应选择阻值较小的R1.选择理由是:选择R1时,移动滑片,小灯泡两端的电压示数变化比较均匀(线性关系较好).
(6)由实验曲线可知,随着电压的增加I-U线的斜率逐渐减小,则小灯泡的电阻增大.
(7)设每个灯泡两端电压为U,电流为I,则由闭合电路的欧姆定律:E=2U+I(r+R),即4=2U+10I,即U=2-5I,将此函数关系画在灯泡的伏安特性曲线上,如图2,交点坐标为U=1.1 V,即此电路中每个小灯泡的两端的实际电压为1.1 V.
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图2
4.小明用如图甲所示的电路研究额定电压为2.4 V的灯泡L的伏安特性曲线.
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(1)在闭合开关S前,滑动变阻器的滑片应该移到　　　　(选填“a”或“b”)端.?
(2)按该电路测出的灯泡电阻值与真实值相比偏　　　　(选填“大”或“小”).?
(3)按此方案测得的数据描绘出I-U图象如图乙所示,图象是一条曲线而不是直线的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　.?
(4)若将两个这样的相同灯泡并联,与电源组成图丙所示的电路,已知电源的电动势E=3.0 V,内阻r=1.5 Ω,定值电阻R=1.0 Ω,则每个灯泡的实际功率为　　　　 W(结果保留两位小数).?
答案(1)a　(2)小　(3)小灯泡的电阻随温度的升高而增大　(4)0.40(0.36~0.44)
解析(1)闭合开关前,应将滑片置于输出电压最小的a端,以保护电流表;(2)根据欧姆定律,电阻测量值为R测=
??
??
,若考虑电压表内阻影响,待测电阻的真实值为R真=
??
??-
??
V
,比较可知R测??
??
=
1
??
U,可见I-U图象上的点与原点连线斜率的倒数等于灯泡的电阻,由于连线的斜率逐渐减小,所以小灯泡的电阻随温度的升高而增大,即I-U图象是一条曲线而不是直线的原因是小灯泡的电阻随温度的升高而增大;(3)若将两个相同的灯泡并联后,接入题中所给的电源,设每只灯泡加上的实际电压和实际电流分别为U和I,在闭合电路中,则有E=U+2I(r+R),变形得U=-2I(r+R)+E,代入数据得U=-5I+3,故在图乙中作出电源的I-U图象,如图所示
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由图可知交点横坐标为灯泡两端的电压U=1.0 V,交点纵坐标为流过灯泡的电流I=0.40 A,则每个灯泡的实际功率为P=UI=0.40 W.

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