（新課改省份專用）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第八章 專題課二 實驗：描繪小電珠的伏安特性曲線學(xué)案（含解析）

（新課改省份專用）2022年高考物理一輪復(fù)習(xí) 第八章 專題課二 實驗：描繪小電珠的伏安特性曲線學(xué)案（含解析）一、實驗?zāi)康?描繪小電珠的伏安特性曲線。2分析伏安特性曲線的變化規(guī)律。二、實驗原理(1)測多組小電珠的U、I的值，并繪出I­U圖像。(2)由圖線的斜率反映電流與電壓和溫度的關(guān)系。三、實驗器材小電珠“3.8 V,0.3 A”、電壓表“03 V15 V”、電流表“00.6 A3 A”、滑動變阻器、學(xué)生電源、開關(guān)、導(dǎo)線若干、坐標(biāo)紙、鉛筆。四、實驗步驟1畫出電路圖(如圖甲所示)。2將小電珠、電流表、電壓表、滑動變阻器、學(xué)生電源、開關(guān)用導(dǎo)線連接成如圖乙所示的電路。3測量與記錄移動滑動變阻器觸頭位置，測出12組左右不同的電壓值U和電流值I，并將測量數(shù)據(jù)填入自己設(shè)計的表格中。五、數(shù)據(jù)處理1在坐標(biāo)紙上以U為橫軸，I為縱軸，建立直角坐標(biāo)系。 2在坐標(biāo)紙上描出各組數(shù)據(jù)所對應(yīng)的點。3將描出的點用平滑的曲線連接起來，得到小電珠的伏安特性曲線。六、誤差分析1由于電壓表不是理想電表，內(nèi)阻并非無窮大，對電路的影響會帶來誤差，電流表外接，由于電壓表的分流，使測得的電流值大于真實值。2測量時讀數(shù)帶來誤差。3在坐標(biāo)紙上描點、作圖帶來誤差。七、注意事項1電流表外接法：本實驗中被測小電珠燈絲的電阻值較小，因此測量電路必須采用電流表外接法。2滑動變阻器應(yīng)采用分壓式連接：本實驗要作出I­U圖像，要求測出一組包括零在內(nèi)的電流、電壓值，故控制電路必須采用分壓接法。3保護元件安全：為保護元件不被燒毀，開關(guān)閉合前變阻器滑片應(yīng)置于使接入電路的電阻最大位置處。加在小電珠兩端的電壓不要超過其額定電壓。基礎(chǔ)考法考法(一)實驗原理與操作1有一個小電珠上標(biāo)有“4 V2 W”的字樣，現(xiàn)在要用伏安法描繪這個電珠的I­U圖線。有下列器材供選用：A電壓表(05 V，內(nèi)阻10 k)B電壓表(010 V，內(nèi)阻20 k)C電流表(00.3 A，內(nèi)阻1 )D電流表(00.6 A，內(nèi)阻0.4 )E滑動變阻器(5 ，1 A)F滑動變阻器(500 ，0.2 A)(1)實驗中電壓表應(yīng)選用_，電流表應(yīng)選用_。(用序號字母表示)(2)為使實驗誤差盡量減小，要求電壓從零開始變化且多取幾組數(shù)據(jù)，滑動變阻器應(yīng)選用_。(用序號字母表示)(3)請在虛線框內(nèi)畫出滿足實驗要求的電路圖，并把下圖中所示的實驗器材用實線連接成相應(yīng)的實物電路圖。解析：(1)因小電珠的額定電壓為4 V，為保證安全，選用的電壓表量程應(yīng)稍大于4 V，但不能大太多，量程太大則示數(shù)不準(zhǔn)確，故選用05 V的電壓表，故選A；由PUI得，小電珠的額定電流I0.5 A，故應(yīng)選擇00.6 A量程的電流表，故選D。(2)由題意可知，電壓從零開始變化，并要求多測幾組數(shù)據(jù)，故只能采用滑動變阻器分壓接法，而分壓接法中應(yīng)選總阻值小的滑動變阻器，故選E。(3)小電珠內(nèi)阻R8 ，電壓表內(nèi)阻遠大于小電珠內(nèi)阻，應(yīng)采用電流表外接法，故電路圖和實物連接圖如圖所示。答案：(1)AD(2)E(3)圖見解析2小華和小明在“描繪小燈泡伏安特性曲線”的實驗中，將實驗數(shù)據(jù)記錄在下表中：電壓U/V0.000.200.400.701.001.301.702.102.50電流I/A0.000.140.240.260.370.400.430.450.46(1)實驗室有兩種滑動變阻器供選擇：A滑動變阻器(阻值范圍010 、額定電流3 A)B滑動變阻器(阻值范圍02 000 、額定電流1 A)實驗中選擇的滑動變阻器是_。(填寫字母序號)(2)在圖甲中用筆畫線代替導(dǎo)線，將實驗電路連接完整。(3)開關(guān)閉合前，滑動變阻器的滑片應(yīng)滑至最_(選填“左”或“右”)端。(4)利用表中數(shù)據(jù)，在圖乙中畫出小燈泡的U­I圖線。(5)他們在U­I圖像上找到小燈泡工作電壓為2.0 V時的坐標(biāo)點，計算此狀態(tài)的電阻值時，小明提出用圖像上該點曲線斜率表示小燈泡的阻值；小華提出該點與坐標(biāo)原點連線的斜率表示小燈泡的阻值。你認為_(選填“小華”或“小明”)的方法正確。解析：(1)由于燈泡的電阻大約在幾歐左右，為了便于測量，滑動變阻器選擇010 的。(2)由于燈泡的電壓和電流從零開始測起，則滑動變阻器采用分壓式接法；電流表采用外接法。實物連線圖如圖所示。(3)為了保護測量電路，開關(guān)閉合前，滑動變阻器的滑片應(yīng)滑至最左端。(4)描點連線。用平滑的曲線將所描的點連起來，使盡可能多的點在曲線上，小燈泡的U­I圖線如圖所示。(5)根據(jù)歐姆定律知，R，電阻的大小為該點與坐標(biāo)原點連線的斜率，故小華的方法正確。答案：(1)A(2)見解析圖(3)左(4)見解析圖(5)小華方法指導(dǎo)1滑動變阻器的選取在分壓電路中，一般選用總阻值小于用電器電阻的滑動變阻器。在限流電路中，一般選用總阻值和用電器電阻相差不多或大幾倍的滑動變阻器。2滑動變阻器的兩種連接方式限流式接法分壓式接法兩種接法的電路圖負載R上電壓的調(diào)節(jié)范圍E0E3兩種接法的適用條件(1)限流式接法適合測量阻值較小的電阻(跟滑動變阻器的最大電阻相比相差不多或比滑動變阻器的最大電阻還小)。(2)分壓式接法適合測量阻值較大的電阻(一般比滑動變阻器的最大電阻要大)。(3)若實驗中要求電壓從零開始調(diào)節(jié)，則必須采用分壓式接法?？挤?二)數(shù)據(jù)處理和誤差分析3某學(xué)習(xí)小組探究一小燈泡在不同電壓下的功率大小，實驗器材如圖甲所示，現(xiàn)已完成部分導(dǎo)線的連接。(1)實驗要求滑動變阻器的滑片從左向右移動過程中，電流表的示數(shù)從零開始逐漸增大，請按此要求用筆畫線代替導(dǎo)線在圖甲中完成余下導(dǎo)線的連接；(2)實驗測得的數(shù)據(jù)如下表記錄：序號12345678910電壓U/V00.30.60.91.21.51.82.12.42.7電流I/A00.100.200.280.350.400.450.480.500.51請將剩余兩個點描在圖乙的坐標(biāo)圖中，并畫出小燈泡的伏安特性曲線；(3)根據(jù)所畫伏安特性曲線判斷：將該燈泡直接接在一電動勢為3 V、內(nèi)阻為1 的電源兩端，小燈泡的功率為_ W；(結(jié)果保留兩位小數(shù))將_只相同的小燈泡并聯(lián)后，與中電源以及一定值電阻R00.25 串聯(lián)成閉合回路，可使燈泡消耗的總功率最大，最大值約為_ W。(結(jié)果保留兩位小數(shù))解析：(1)探究小燈泡在不同電壓下的功率大小，電壓與電流應(yīng)從零開始變化，滑動變阻器應(yīng)采用分壓接法，實物電路圖如圖所示：(2)根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系內(nèi)描出對應(yīng)點，然后作出圖像如圖所示：(3)在燈泡U­I圖像中作出電源的U­I圖像如圖所示。由圖示圖像可知，燈泡兩端電壓U2.5 V，通過燈泡的電流I0.5 A，燈泡功率：PUI2.5×0.5 W1.25 W。電源與電阻R0整體可以看做等效電源，等效電源內(nèi)阻為(10.25)1.25 ，當(dāng)燈泡并聯(lián)電阻為1.25 時燈泡總功率最大，此時路端電壓為1.5 V，由燈泡U­I圖像可知，此時通過燈泡的電流為0.4 A，燈泡的電阻：RL 3.75 ，則三只燈泡并聯(lián)電阻為1.25 ，三只燈泡并聯(lián)時燈泡總功率最大，Pmax3UI1.80 W。答案：(1)圖見解析(2)圖見解析(3)1.25(1.211.30均可)31.804物理興趣小組的同學(xué)們從實驗室中找到一只小燈泡，其標(biāo)稱功率值為 0.75 W，額定電壓值已模糊不清。他們想測定其額定電壓值，于是先用歐姆表直接測出該燈泡的電阻約為2 ，然后根據(jù)公式計算出該燈泡的額定電壓 U V1.22 V。他們懷疑所得電壓值不準(zhǔn)確，于是，再利用下面可供選擇的實驗器材設(shè)計一個電路，測量通過燈泡的電流和它兩端的電壓并根據(jù)測量數(shù)據(jù)來繪制燈泡的U­I圖線，進而分析小燈泡的額定電壓。A電壓表V(量程3 V，內(nèi)阻約3 k)B電流表A1(量程150 mA，內(nèi)阻約2 )C電流表A2(量程500 mA，內(nèi)阻約0.6 )D滑動變阻器R1(020 )E滑動變阻器R2(0100 )F電源E(電動勢4.0 V，內(nèi)阻不計)G開關(guān)S和導(dǎo)線若干H待測燈泡L(額定功率0.75 W，額定電壓未知)(1)在下面的虛線框中畫出他們進行實驗的電路原理圖，指出上述器材中，電流表選擇_(選填“A1”或“A2”)；滑動變阻器選擇_(選填“R1”或“R2”)。 (2)在實驗過程中，一同學(xué)將燈泡兩端的電壓由零緩慢地增加，當(dāng)電壓達到1.23 V時，發(fā)現(xiàn)燈泡亮度很暗，當(dāng)達到2.70 V時，發(fā)現(xiàn)燈泡已過亮，便立即斷開開關(guān)，并將所測數(shù)據(jù)記錄在表格中：次數(shù)1234567U/V0.200.601.001.401.802.202.70I/mA80155195227255279310請你根據(jù)表中實驗數(shù)據(jù)在如圖所示坐標(biāo)系中作出燈泡的U­I圖線。(3)由圖像得出該燈泡的額定電壓應(yīng)為_ V；這一結(jié)果大于1.22 V，其原因是_。解析：(1)根據(jù)PI2R，估算出燈泡的額定電流大約是600 mA，因此電流表應(yīng)選A2；本實驗要描繪出燈泡的U­I圖線，需要測量多組數(shù)據(jù)，因此滑動變阻器應(yīng)采用分壓式接法，所以應(yīng)選阻值較小的R1；小燈泡電阻較小，電流表應(yīng)外接。原理圖如圖甲所示。(2)描點，并用平滑曲線連線，燈泡的U­I圖線如圖乙所示。(3)由PUI0.75 W，再結(jié)合圖像可知U額2.5 V；小燈泡的額定電壓大于1.22 V的原因是小燈泡的冷態(tài)電阻小于正常工作時的電阻。答案：(1)見解析圖甲A2R1(2)見解析圖乙(3)2.5(2.42.6均可)小燈泡的冷態(tài)電阻小于正常工作時的電阻(或小燈泡的電阻隨溫度的升高而變大)例1(2018·全國卷)某實驗小組利用如圖(a)所示的電路探究在25 80 范圍內(nèi)某熱敏電阻的溫度特性。所用器材有：置于溫控室(圖中虛線區(qū)域)中的熱敏電阻RT，其標(biāo)稱值(25 時的阻值)為900.0 ；電源E(6 V，內(nèi)阻可忽略)；電壓表(量程150 mV)；定值電阻R0(阻值20.0 )，滑動變阻器R1(最大阻值為1 000 )；電阻箱R2(阻值范圍0999.9 )；單刀開關(guān)S1，單刀雙擲開關(guān)S2。實驗時，先按圖(a)連接好電路，再將溫控室的溫度t升至80.0 。將S2與1端接通，閉合S1，調(diào)節(jié)R1的滑片位置，使電壓表讀數(shù)為某一值U0；保持R1的滑片位置不變，將R2置于最大值，將S2與2端接通，調(diào)節(jié)R2，使電壓表讀數(shù)仍為U0；斷開S1，記下此時R2的讀數(shù)。逐步降低溫控室的溫度t，得到相應(yīng)溫度下R2的阻值，直至溫度降到25.0 。實驗得到的R2­t數(shù)據(jù)見下表。t/25.030.040.050.060.070.080.0R2/900.0680.0500.0390.0320.0270.0240.0回答下列問題：(1)在閉合S1前，圖(a)中R1的滑片應(yīng)移動到_(填“a”或“b”)端。(2)在圖(b)的坐標(biāo)紙上補齊數(shù)據(jù)表中所給數(shù)據(jù)點，并作出R2­t曲線。(3)由圖(b)可得到RT在25 80 范圍內(nèi)的溫度特性。當(dāng)t44.0 時，可得RT_ 。(4)將RT握于手心，手心溫度下R2的相應(yīng)讀數(shù)如圖(c)所示，該讀數(shù)為_，則手心溫度為_。三步穩(wěn)解題1分析實驗?zāi)康模禾骄磕碂崦綦娮璧臏囟忍匦浴?確定實驗原理：利用等效替代法測出不同溫度下熱敏電阻的阻值，描繪出溫度特性R2­t曲線，然后根據(jù)溫度特性曲線解決實際問題。3制定數(shù)據(jù)處理方案：采用等效替代法測量電阻的阻值，通過畫出的R2­t圖線可確定不同溫度下熱敏電阻的阻值，最后應(yīng)用顯示的電阻值，確定手心溫度。解析(1)閉合開關(guān)S1前，應(yīng)讓滑片移動到b端，使滑動變阻器連入電路的阻值最大。(2)把t60 和t70 對應(yīng)的兩組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上畫點，然后用平滑的曲線畫出R2­t曲線，使盡可能多的點位于曲線上，如圖所示。(3)由圖像可知t44.0 時，電阻的阻值約為450 。(4)由題圖(c)可得電阻箱阻值為620.0 ，由圖像可得溫度約為33.0 。答案(1)b(2)圖見解析(3)450(4)620.033.0例2(2017·全國卷)某同學(xué)研究小燈泡的伏安特性。所使用的器材有：小燈泡L(額定電壓3.8 V，額定電流0.32 A)；電壓表(量程3 V，內(nèi)阻3 k)；電流表(量程0.5 A，內(nèi)阻0.5 )；固定電阻R0(阻值1 000 )；滑動變阻器R(阻值09.0 )；電源E(電動勢5 V，內(nèi)阻不計)；開關(guān)S；導(dǎo)線若干。(1)實驗要求能夠?qū)崿F(xiàn)在03.8 V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進行測量，畫出實驗電路原理圖。 (2)實驗測得該小燈泡伏安特性曲線如圖(a)所示。由實驗曲線可知，隨著電流的增加小燈泡的電阻_(填“增大”“不變”或“減小”)，燈絲的電阻率_(填“增大”“不變”或“減小”)。(3)用另一電源E0(電動勢4 V，內(nèi)阻1.00 )和題給器材連接成圖(b)所示的電路，調(diào)節(jié)滑動變阻器R的阻值，可以改變小燈泡的實際功率。閉合開關(guān)S，在R的變化范圍內(nèi)，小燈泡的最小功率為_ W，最大功率為_ W。(結(jié)果均保留兩位小數(shù))三步穩(wěn)解題1分析實驗?zāi)康模貉芯啃襞莸姆蔡匦浴?確定實驗原理：題目中提供了小燈泡的伏安特性曲線，通過分析曲線的斜率判斷隨著電流增加時小燈泡的電阻的變化及燈絲電阻率的變化，然后小燈泡與另一電源連接，改變滑動變阻器，判斷小燈泡的最小、最大功率。3制定數(shù)據(jù)處理方案：要求小燈泡兩端電壓從零開始變化，故滑動變阻器用分壓式接法，求出小燈泡的電阻，比較電流表與電壓表的阻值可判斷電流表內(nèi)接或外接；伏安特性曲線的斜率越小，小燈泡的阻值越大，燈絲電阻率越大；小燈泡與另一電源連接，要判斷小燈泡的功率，可將滑動變阻器等效為電源的內(nèi)阻，畫出電源的路端電壓隨電流的變化圖線，圖線的交點即為小燈泡的電壓和電流。解析(1)要實現(xiàn)在03.8 V的范圍內(nèi)對小燈泡的電壓進行測量，則滑動變阻器需要設(shè)計成分壓接法；電壓表 應(yīng)與固定電阻R0串聯(lián)，將量程改為4 V。由于小燈泡正常發(fā)光時電阻約為12 ，所以需將電流表外接。電路圖如圖所示。(2)I­U圖像中隨著電流的增大，圖線的斜率變小，小燈泡的電阻增大。根據(jù)電阻定律R，得燈絲的電阻率增大。(3)當(dāng)滑動變阻器接入電路中的阻值最大為9.0 時，流過小燈泡的電流最小，小燈泡的實際功率最小，把滑動變阻器視為等效電源內(nèi)阻的一部分，在題圖(a)中畫出等效電源E0(電動勢4 V，內(nèi)阻1.00 9.0 10 )的伏安特性曲線，函數(shù)表達式為U410I(V)，圖線如圖中所示，故小燈泡的最小功率為PminU1I11.75×0.225 W0.39 W。當(dāng)滑動變阻器接入電路中的阻值最小為零時，流過小燈泡的電流最大，小燈泡的實際功率最大，在題圖(a)中畫出電源E0(電動勢4 V，內(nèi)阻1.00 )的伏安特性曲線，函數(shù)表達式為U4I(V)，圖線如圖中所示，故小燈泡的最大功率為PmaxU2I23.68×0.318 W1.17 W。答案(1)圖見解析(2)增大增大(3)0.391.17創(chuàng)新領(lǐng)悟測量對象的變化 1.驗證二極管的伏安特性曲線。2.加上直流電源E及滑動變阻器R，將電路圖連接完整。實驗結(jié)論的延伸1.測量電容器充電時兩極板間的電壓隨時間的變化。2.電路中增加R2和S2，作用是實驗前使電容器所帶的電荷中和。創(chuàng)新考法1二極管的說明書上提供了它的伏安特性曲線(正向最大電流40 mA左右)，物理興趣小組想要驗證該二極管的伏安特性曲線。(1)選擇好實驗器材準(zhǔn)備連接電路時，發(fā)現(xiàn)二極管外殼正負極的標(biāo)識不清楚，于是就用多用電表歐姆擋判斷二極管的正負極，用歐姆表“×1 k”擋兩次實驗情況如圖甲、乙所示，由此可知_(填“A”或“B”)端為二極管的正極；(2)該物理興趣小組要對二極管加正向電壓時的伏安特性曲線進行驗證，實驗室提供的器材有：A直流電源E：電動勢3 V，內(nèi)阻忽略不計；B待測二極管D；C滑動變阻器R：020 ；D電壓表V：量程3 V，內(nèi)阻約20 k；E電流表A：量程50 mA，內(nèi)阻約5 ；F開關(guān)S，導(dǎo)線若干。請在下邊虛線框內(nèi)的實驗電路圖中加上直流電源E及滑動變阻器R，并將電路圖連接完整。解析：(1)題圖甲所示多用電表歐姆擋顯示電阻很大，說明圖甲中紅表筆接的是二極管正極，即B端為二極管的正極。(2)驗證二極管的伏安特性曲線實驗需要滑動變阻器連接成分壓接法。由于二極管正向電阻較小，電流表外接，電路圖如圖所示。答案：(1)B(2)實驗電路圖見解析2.某同學(xué)利用如圖甲所示電路測量電容器充電時兩極板間的電壓隨時間的變化。實驗中使用的器材為：電池E(內(nèi)阻很小)、開關(guān)S1和S2、電容器C(約100 F)、電阻R1(約200 k)、電阻R2(1 k)、電壓表V(量程6 V)、秒表、導(dǎo)線若干。(1)按圖甲所示的電路原理將圖乙中實物圖連線。(2)先閉合開關(guān)S2，再斷開開關(guān)S2，閉合開關(guān)S1，同時按下秒表開始計時。若某時刻電壓表的示數(shù)如圖丙所示，電壓表的讀數(shù)為_ V(保留兩位小數(shù))。(3)該同學(xué)每隔10 s記錄一次電壓表的讀數(shù)U，記錄的數(shù)據(jù)如表所示。在給出的坐標(biāo)紙上繪出U­t圖線，已知只有一個數(shù)據(jù)點誤差較大，該數(shù)據(jù)點對應(yīng)的表中的時間是_ s。時間t/s10.020.030.040.050.060.0電壓U/V2.143.454.234.515.005.18(4)電路中C、R2和S2構(gòu)成的回路的作用是_。解析：(1)根據(jù)電路原理圖，實物圖連線如圖所示。(2)電壓表的量程為6 V，分度值為0.1 V，所以讀數(shù)為3.60 V。(3)先描點，然后用平滑的曲線將所描的點連接起來，如圖所示。由圖可以看出t40 s對應(yīng)的點誤差較大。(4)電路中C、R2和S2構(gòu)成的回路，先閉合開關(guān)S2，再斷開開關(guān)S2，使電容器上所帶電荷量釋放干凈，不影響實驗。答案：(1)見解析圖(2)3.60(3)圖像見解析圖40(4)使每次實驗前電容器兩極板上的電荷相中和3.在做“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗時，所用的電流表內(nèi)阻為幾歐，電壓表內(nèi)阻為十幾千歐。實驗中得到了多組數(shù)據(jù)，通過描點連線在I­U坐標(biāo)系中得到了小燈泡的伏安特性曲線如圖甲所示。(1)在虛線框中畫出實驗電路原理圖，并在圖乙中用筆畫線代替導(dǎo)線連接電路。(2)根據(jù)圖甲，可確定小燈泡的功率P與U2和P與I2的關(guān)系，下列示意圖中合理的是_。(3)將被測小燈泡、定值電阻R和電源串聯(lián)成如圖丙所示的電路。電源電動勢為6.0 V，內(nèi)阻為1.0 。若電路中的電流為0.40 A，則定值電阻R所消耗的電功率為_ W。解析：(1)實驗時，由題圖甲可知電壓、電流從零開始可調(diào)，所以滑動變阻器采用分壓式接法，又由于燈泡的電阻與電流表阻值相差不大，與電壓表內(nèi)阻相差較大，所以電流表采用外接法，電路原理圖、實物圖如圖所示。(2)小燈泡的電阻隨溫度升高而增大，由功率PI2R，P­I2圖像的斜率逐漸增大，C錯誤，D正確；由P，P­U2圖像的斜率逐漸減小，A、B錯誤。(3)當(dāng)電路中的電流I0.40 A，由圖像可得小燈泡兩端的電壓U4 V，定值電阻R兩端的電壓U1EUIr1.6 V，所消耗的電功率PU1I0.64 W。答案：(1)見解析圖(2)D(3)0.64