1、1第 4 讲 实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线微知识 1 实验目的1描绘小灯泡的伏安特性曲线。2分析曲线的变化规律。微知识 2 实验原理1用电流表测出流过小灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多组( I， U)值，在 U I 坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连接起来。2电流表采用外接法(填“内接”或“外接”)，因为小灯泡电阻很小，如果内接电流表，分压明显。滑动变阻器采用分压式，使电压能从 0 开始连续变化。微知识 3 实验器材小灯泡，46 V 学生电源，滑动变阻器，电压表，电流表，开关，导线若干。微知识 4 实验步骤1连接电路将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、电源、开
2、关用导线连接成如图所示电路。2测出小灯泡在不同电压下的电流移动滑动变阻器触头位置，测出 12 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。3画出伏安特性曲线(1)在坐标纸上以 I 为纵轴，以 U 为横轴，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)将描出的点用平滑曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线。(4)拆除电路、整理仪器。2微知识 5 注意事项1电路的连接方式。(1)电流表应采用外接法，因为小灯泡(3.8 V 0.3 A)的电阻很小，与量程为 00.6 A 的电流表串联后，电流表的分压影响
3、很大。(2)滑动变阻器应采用分压式连接，目的是使小灯泡两端的电压能从 0 开始连续变化。2闭合开关 S 前，滑动变阻器触头应移到使小灯泡分得电压为 0 的一端，可以使开关闭合时小灯泡电压能从 0 开始变化，同时，也为了防止开关刚闭合时小灯泡两端因电压过大而烧坏灯丝。3 U I 图线在 U01.0 V 左右将发生明显弯曲，故在 U1.0 V 左右描点要密，以防止出现较大误差。4电流表选择 0.6 A 量程，电压表量程的选择视小灯泡的额定电压而定，即使用的若是“3.8 V 0.3 A”的小灯泡，选用电压表的 15 V 量程，若使用“2.5 V 0.6 A”的小灯泡，则选用电压表的 3 V 量程。5
4、保持小灯泡电压接近额定值时要缓慢增加，到额定值时，记录 I 后马上断开开关。6误差较大的点要舍去， U I 图象应是平滑曲线而非折线。微知识 6 误差分析1由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，对电路的影响会带来误差。2测量时读数带来误差。3在坐标纸上描点、作图带来误差。一、思维辨析(判断正误，正确的画“” ，错误的画“” 。)1灯泡的电阻较小，用伏安法测电阻时应采用电流表外接法。()2为了多测几组数据，滑动变阻器应用分压式接法。()3用电流表外接法测电阻时，由于电压表的分流作用，致使电阻测量值偏大。()二、对点微练1(伏安法测电阻)在伏安法测电阻的实验中，待测电阻 Rx约为 200 ，电压
5、表 V 的内阻约为 2 k，电流表 A 的内阻约为 10 ，测量电路中电流表的连接方式如图甲或乙所示，结果由公式 Rx 计算得出，式中 U 与 I 分别为电压表和电流表的读数；若将图甲和图乙UI中电路测得的电阻值分别记为 Rx1和 Rx2，则_(填“ Rx1”或“ Rx2”)更接近待测电阻的真实值，且测量值 Rx1_(填“大于” “等于”或“小于”)真实值，测量值Rx2_(填“大于” “等于”或“小于”)真实值。3解析 因为 Rx200 ，而 RV2 k， RA10 ，有 Rx ，所以选用电流表内接法RARV误差较小，即 Rx1更接近于真实值。根据“大内小外”可知 Rx1大于真实值， Rx2小
6、于真实值。答案 Rx1 大于 小于2(图象法处理数据)在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，某同学测得电流电压的数据如下表所示：(1)用上表数据描绘电压随电流的变化曲线。(2)为了探究灯丝电阻与温度的关系，已作出电阻随电流的变化曲线如图所示；请指出图线的特征，并解释形成的原因。4答案 (1)如图所示(2)电阻随电流增大存在三个区间，电阻随电流的变化快慢不同。第一区间电流很小时，电阻变化不大；第二区间灯丝温度升高快，电阻增大快；第三区间部分电能转化为光能，灯丝温度升高变慢，电阻增大也变慢。见学生用书 P130微考点 1 实物图连接和数据处理核|心|微|讲1各导线都应连接在接线柱上。2不应在导线
7、中间出现交叉，导线不能跨过仪器。3连接电表应注意量程选用正确，正、负接线柱不要接错。4开关要控制整个电路。典|例|微|探【例 1】 某学习小组欲探究小灯泡(“3 V、1.5 W”)的伏安特性，可提供的实验器材如下：5A电池组：电动势约 4.5 V，内阻可不计；B双量程的电压表：V 1：量程为 03 V、内阻约为 3 k；V 2：量程为 015 V、内阻约为 15 kC双量程的电流表：A 1：量程为 00.6 A、内阻约为 1 ；A 2：量程为 03 A、内阻约为 0.1 D滑动变阻器 R：阻值范围为 010 、允许通过的最大电流为 2 A；E开关 S，导线若干。在尽量提高测量精度的情况下，请回
8、答下列问题：(1)根据以上器材，用笔画线代替导线将图甲中的实物图连接成完整电路。(2)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应移到_(填“ A”或“ B”)端。(3)调节滑动变阻器得到电压、电流数据如下表，请在如图乙所示的坐标纸上画出小灯泡的U I 图线。(4)根据图线可估得小灯泡在常温下的电阻约为_。(结果保留两位有效数字)【解题导思】(1)本实验中电流表采用内接法还是外接法误差更小？为了便于调节滑动变阻器，应采用限流式接法还是分压式接法？答：电流表采用外接法误差小，滑动变阻器采用分压式接法。(2)如何利用 U I 图象求电阻的阻值？答：过原点的 U I 图象的斜率表示电阻的阻值。解析 (1)因待测灯
9、泡的阻值较小，故采用电流表外接；滑动变阻器用分压电路；连接如图6所示。(2)闭合开关前，滑动变阻器的滑动片应移到 A 端；(3)小灯泡的 U I 图线如图。(4)作出过 O 点的切线，如图所示；常温下的电阻图线是过原点的切线的斜率，故 R 0.280.12.8 。答案 (1)见解析图 (2) A (3)见解析图(4)2.8(2.73.0 均正确)题|组|微|练1在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，除有一标有“6 V,1.5 W”的小灯泡、导线和开关外，还有：A直流电源 6 V(内阻不计)7B直流电流表 03 A(内阻 0.1 以下)C直流电流表 0300 mA(内阻约为 5 )D直流电压表
10、 010 V(内阻约为 15 k)E滑动变阻器 10 ，2 AF滑动变阻器 1 k，0.5 A实验要求小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。(1)实验中电流表应选用_，滑动变阻器应选用_。(均用字母表示)(2)在下列虚框中画出实验电路图。(3)试将如图所示器材连成实物电路。解析 由 I 额 A250 mA，故选 C 项。因要求电压从零开始变化，变阻器用分压接法，1.56应选小阻值的 E。答案 (1)C E(2)实验电路如图所示8(3)实验电路如图所示2为探究小灯泡的电功率 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“
11、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 。(1)准备使用的实物电路如图所示。请将滑动变阻器接入电路的正确位置。(用笔画线代替导线)(2)现有 10 、20 和 50 的定值电阻，电路中的电阻 R1应选_ 的定值电阻。9(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，如图所示。请指出图象中不恰当的地方。解析 (1)连线如图所示。(2)小灯泡电阻大约为 5 ，当滑动变阻器阻值最大时，小灯泡与滑动变阻器的并联电阻值约为 3.3 ，则 12 V3 V R1，解
12、得 R19.9 ，所以 R1应取 10 的定值3 V3.3 电阻。(3)实验结束，断开开关，拆除电池两端导线，以防电源短路。(4)在坐标纸上描出的点并不是在一条直线上，图线应为曲线；横坐标的标度值取得太大，应适当减小。答案 (1)见解析图 (2)1010(3)电池(4)图线不应画为直线；横坐标的标度不恰当微考点 2 实验的迁移、拓展和创新核|心|微|讲以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器等设置题目，体现开放性、探究性的特点。1以实验原理及实验方法为基础，探究小灯泡功率与电压的关系。2采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理。3与原数据处理方式的比较(1)原方案优点：由学生读出
13、电压表、电流表的数据，并亲自动手绘出伏安特性曲线，可锻炼学生的读数、动手操作能力。缺点：学生读数、绘图带来较大误差。(2)改进方案优点：电压、电流由传感器测出，由电脑进行数据分析，再进行绘图，快捷、准确，误差较小。缺点：一切在电脑上运行，学生的动手能力得不到锻炼。典|例|微|探【例 2】 某同学利用图甲所示电路测量量程为 2.5 V 的电压表 V 的内阻(内阻为数千欧姆)，可供选择的器材有：电阻箱 R(最大阻值 99 999.9 )，滑动变阻器 R1(最大阻值 50 )，滑动变阻器 R2(最大阻值 5 k)，直流电源 E(电动势 3 V)，开关 1 个，导线若干。实验步骤如下：11按电路原理图
14、甲连接线路。将电阻箱阻值调节为 0，将滑动变阻器的滑片移到与图甲中最左端所对应的位置，闭合开关 S。调节滑动变阻器，使电压表满偏。保持滑动变阻器滑片的位置不变，调节电阻箱阻值，使电压表的示数为 2.00 V，记下电阻箱的阻值。回答下列问题：(1)实验中选择滑动变阻器_(填“ R1”或“ R2”)。(2)根据图甲所示电路将图乙中实物图连线。(3)实验步骤中记录的电阻箱阻值为 630.0 ，若认为调节电阻箱时滑动变阻器上的分压不变。计算可得电压表的内阻为_ 。(结果保留到个位)(4)如果此电压表是由一个表头和电阻串联构成的，可推断该表头的满刻度电流为_。(填选项字母)12A100 A B250 A
15、C500 A D1 mA【解题导思】滑动变阻器滑片的位置不变，当电压表的示数为 2.00 V 时，电阻箱两端电压为多少？答：电阻箱两端电压为 2.50 V2.00 V0.50 V。解析 (1)为了使电阻箱调节时，滑动变阻器分得的电压变化很小，分压电路中滑动变阻器的最大阻值越小越好，因此应选用 R1。(3)如果认为滑动变阻器分得的电压不变，则调节电阻箱后，电压表两端的电压为 2.00 V，电阻箱两端的电压为 0.5 V，根据串联电路的分压原理， ，求得电压表的内阻 RV4630.0 2 520 。(4)如果此电压表由RVR 2.000.5一个表头与一个电阻串联组成，可知此表头的满偏电流为 Ig
16、1 mA，D 项正确。2.5 V2 520 答案 (1) R1 (2)连线如图所示(3)2 520 (4)D题|组|微|练3如图甲所示为某同学实验得到的小灯泡灯丝电阻的 U I 关系曲线图。13(1)在图乙中画出实验电路图(根据该电路图可得到 U I 关系的完整曲线)，可用的器材有：电压传感器、电流传感器、滑动变阻器(变化范围 050 )、电动势为 6 V 的电源(不计内阻)、小灯泡、开关、导线若干。(2)如果将该小灯泡分别接入图丙、丁两个不同电路，其中丙电路的电源为一节干电池，丁电路的电源为三节干电池，每节干电池的电动势为 1.5 V，内电阻为 1.5 ，定值电阻R18 。则接入_(填“丙”
17、或“丁”)电路时，小灯泡较亮些。(3)在电路丁中，小灯泡消耗的电功率为_ W。(4)若将电路丁中的电阻 R 替换为另一个完全相同的小灯泡，其他条件不变，则此时电源内部的发热功率为_ W。解析 由于要画出 U I 关系的完整曲线，必须用滑动变阻器分压式接法画出实验电路图。分别在小灯泡灯丝电阻的 U I 关系曲线图上画出电源的伏安特性曲线，与小灯泡灯丝电阻的 U I 关系的曲线交点即为工作点。显然接入丙电路时，灯泡中电流较大，小灯泡较亮些。在电路丁中，小灯泡消耗的电功率为 P UI10.15 W0.15 W。若将电路丁中的电阻 R替换为另一个完全相同的小灯泡，其他条件不变，可等效为电动势为 2.2
18、5 V、内阻为 2.25 的电池连接一个灯泡，在小灯泡灯丝电阻的 U I 关系曲线图上画出电源(电动势 2.25 V，内阻 2.25 )的伏安特性曲线，与小灯泡灯丝电阻的 U I 关系曲线交点对应的横坐标值为电源输出电流 I0.26 A，此时电源内部的发热功率为 P I2r0.26 24.5 W0.30 W。14答案 (1)实验电路图如图所示。(2)丙 (3)0.15 (4)0.304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量程选用 3 V，内阻为
19、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。15(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、V 2的示数U1、 U2。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。(结果保留两位小数)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 Ix Ux坐标系，标出了与表中前
20、 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。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。解析 V 1选用的是 3 V 量程，则刻度盘的最小分度为 0.1 V，根据电表的读数原则知16U114.00.1 V1.40 V， I1 0.23 mA。描点与绘图如图所示。由于绘出的 Ix UxU1RV1图象不是直线，即 Ix与 Ux成非线性关系。甲乙答案 (1)连线见解析图甲(2)1.40 0.23 描点绘出 Ix Ux，图线见解析图乙 非线性见学生用书 P1321某同学想要描绘标有“3.
21、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 03 V，内阻等于 3 k)电压表 V2(量程 015 V，内阻等于 15 k)电流表 A1(量程 0200 mA，内阻等于 10 )电流表 A2(量程 03 A，内阻等于 0.1 )滑动变阻器 R1(010 ，额定电流 2 A)滑动变阻器 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(E6 V，内阻不计)(1)请画出实验电路图，并将各元件字母代
22、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_。(填选项字母)17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。给出的器材电压表 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 k 的定值电阻 R5，改装成最大量程为 4 V 的电压表。给出的器材电流表 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 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
23、学绘出的小灯泡的I U 图象应是 B 项。答案 (1)如图所示 (2)B2(2017全国卷)某同学利用如图甲所示的电路测量一微安表(量程为 100 A，内阻大约为 2 500 )的内阻。可使用的器材有：两个滑动变阻器 R1、 R2(其中一个阻值为 20 ，另一个阻值为 2 000 )；电阻箱 Rz(最大阻值为 99 999.9 )；电源 E(电动势约为1.5 V)；单刀开关 S1和 S2。 C、 D 分别为两个滑动变阻器的滑片。18(1)按原理图甲将图乙中的实物连接起来。(2)完成下列填空： R1的阻值为_(填“20”或“2 000”)。为了保护微安表，开始时将 R1的滑片 C 滑到接近图甲中
24、的滑动变阻器的_(填“左”或“右”)端对应的位置；将 R2的滑片 D 置于中间位置附近。将电阻箱 Rz的阻值置于 2 500.0 ，接通 S1。将 R1的滑片置于适当位置，再反复调节R2的滑片 D 的位置。最终使得接通 S2前后，微安表的示数保持不变，这说明 S2接通前 B与 D 所在位置的电势_(填“相等”或“不相等”)。将电阻箱 Rz和微安表位置对调，其他条件保持不变，发现将 Rz的阻值置于 2 601.0 时，在接通 S2前后，微安表的示数也保持不变。待测微安表的内阻为_。(结果保留到个位)(3)写出一条提高测量微安表内阻精度的建议：_。解析 (1)实物连线如图：19(2)滑动变阻器 R
25、1要接成分压电路，则要选择阻值较小的 20 的滑动变阻器；为了保护微安表，开始时将 R2的滑片 C 滑到接近图甲中滑动变阻器的左端对应的位置；将电阻箱 RZ的阻值置于 2 500.0 ，接通 S1；将 R1的滑片置于适当位置，再反复调节 R2的滑片 D 的位置；最终使得接通 S2前后，微安表的示数保持不变，这说明 S2接通前后在 BD 中无电流流过，可知 B 与 D 所在位置的电势相等；设滑片 P 两侧电阻分别为 R21和 R22，因B 与 D 所在位置的电势相等，可知； ；同理当 Rz和微安表对调后，仍有Rz1R21 RAR22 ；联立两式解得 RA 2 550 。RAR21 Rz2R22
26、Rz1Rz2 2 500.02 601.0(3)为了提高测量精度，调节 R1上的分压，尽可能使微安表接近满量程。答案 (1)连线见解析(2)20 左 相等 2 550(3)调节 R1上的分压，尽可能使微安表接近满量程3小明同学通过实验探究某一金属电阻的阻值 R 随温度 t 的变化关系。已知该金属电阻在常温下的阻值约 10 ， R 随 t 的升高而增大。实验电路如图所示，控温箱用以调节金属电阻的温度。实验时闭合 S，先将开关 K 与 1 端闭合，调节金属电阻的温度，分别记下温度 t1、 t2、和电流表的相应示数 I1、 I2、。然后将开关 K 与 2 端闭合，调节电阻箱使电流表的示数再次为 I1
27、、 I2、，分别记下电阻箱相应的示数 R1、 R2、。20(1)有以下两种电流表，实验电路中应选用_。(填选项字母)A量程 0100 mA，内阻约 2 B量程 00.6 A，内阻可忽略(2)实验过程中，要将电阻箱的阻值由 9.9 调节至 10.0 ，需旋转图中电阻箱的旋钮“a”“b”“c”，正确的操作顺序是_。(填序号)将旋钮 a 由“0”旋转至“1” 将旋钮 b 由“9”旋转至“0”将旋钮 c 由“9”旋转至“0”(3)实验记录的 t 和 R 的数据见下表：温度 t() 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0阻值 R() 9.6 10.4 11.1 12.1 12.8请根据表中数
28、据，在方格纸上作出 R t 图线。21由图线求得 R 随 t 的变化关系为 R_ 。解析 (1)电路中的最大电流可能为 I A150 mA，因此选用 A。1.510(2)要将电阻箱的电阻值由 9.9 调为 10.0 ，应先将 a 旋钮由“0”旋转至“1” ，再将c 由“9”旋转至“0” ，再将 b 由“9”旋转至“0” ，因此顺序为(或)。(3)由作出的图线可知，电阻 R 与温度 t 的关系为 R8.8 t()8.80.04 t()12.8 9.680答案 (1)A(2)(或)(3)如图所示 0.04 t8.8(0.04 t8.60.04 t9.0 都算对)224霍尔效应是电磁基本现象之一，近
29、期我国科学家在该领域的实验研究上取得了突破性发展。如图所示，在一矩形半导体薄片的 P、 Q 间通入电流 I，同时外加与薄片垂直的磁场B，在 M、 N 间出现电压 UH，这个现象称为霍尔效应， UH为霍尔电压，且满足 UH k ，式IBd中 d 为薄片的厚度， k 为霍尔系数。某同学通过实验来测定该半导体薄片的霍尔系数。(1)若该半导体材料是空穴(可视为带正电粒子)导电，电流与磁场方向如图所示，该同学用电压表测量 UH时，应将电压表的“”接线柱与_(填“ M”或“ N”)端通过导线连接。(2)已知薄片厚度 d0.40 mm，该同学保持磁感应强度 B0.10 T 不变，改变电流 I 的大小，测量相
30、应的 UH值，记录数据如下表所示。I/(103 A) 3.0 6.0 9.0 12.0 15.0 18.0UH/(103 V) 1.1 1.9 3.4 4.5 6.2 6.8根据表中数据在如图所示的坐标纸上画出 UH I 图线，利用图线求出该材料的霍尔系数为_103 VmA1 T1 。(保留两位有效数字)23(3)该同学查阅资料发现，使半导体薄片中的电流反向再次测量，取两个方向测量的平均值，可以减小霍尔系数的测量误差，为此该同学设计了如图所示的测量电路。S 1、S 2均为单刀双掷开关，虚线框内为半导体薄片(未画出)。为使电流自 Q 端流入， P 端流出，应将 S1掷向_(填“ a”或“ b”)
31、，S 2掷向_(填“ c”或“ d”)。为了保证测量安全，该同学改进了测量电路，将一合适的定值电阻串接在电路中，在保持其他连接不变的情况下，该定值电阻应串接在相邻器件_和_之间。(填器件代号)解析 (1)根据左手定则得正电荷在洛伦兹力作用下向 M 端移动，因此 M 端带正电，电压表的正接线柱与 M 端相连。(2)根据数据作出的 UH I 图线如图所示，由图象可确定图线的斜率 K0.38，而 K ，kBd将 d、 B 的数值代入解得 k1.510 3 VmA1 T1 。24(3)由题意知， Q 应接电源的正极， P 应接电源的负极，所以开关 S1应掷向 b，S 2应掷向c。该题的电路设计在操作时极易使电源短路，为了测量安全，可将一合适的定值电阻串接在 S1和电源 E 之间(或 S2和电源 E 之间)。答案 (1) M (2)如图所示15(1.41.6)(3)b c S 1 E(或 S2 E)
