2022高考物理电学实验(二)--描绘小灯泡的伏安特性曲线(含解析)

一．器材的选择方法 器材 选择方法 U2已知灯泡的额由P与PI2R估算灯泡两端的电压与通过其中的R定功率与大约电流最大值,再确定需选用的电压表与电流表的量程. 阻值 注:需保证电表读数至少能达到满偏的三分之一以上. ①从给定电源的电动势估测灯泡的最大电压,以此确定电压表的量程; 电流表和电②从选定的电压表量程或电源电动势(二者中较小者)及灯泡的规格未压表 灯泡的大约阻值来估算通过灯泡的电流最大值,从而选择给定 电流表的量程; 注:若灯泡的阻值较小,估算电流时还需考虑电流表内阻带来的影响. 题目中已有测电压表或电压表的量程应大于表格或图像中所给数据的出的数据表或最大值. 图像 给定的电表量需考虑电表的扩程,可以考虑将已知内阻的电表与阻值已程太小不满足知的定值电阻进行串联可以改装成大量程的电压表,与阻测量要求 值已知的定值电阻进行并联可以改装成大量程的电流表. ①针对电源的保护电路:一般情况下保护电阻R0E/Im，(E为电源电动势，Im为最大允许的放电电流),同时需注定值电阻 保护电阻的选择 意保护电阻的最大允许电流应不小于电源的最大放电电流 ②针对电流表的保护电阻:需保证保护电阻R0U/Ig(U为其两端可获得的最大电压,Ig为满偏电流) ③针对电路中其他部分的阻值:保护电阻的阻值可比计算值略小一些. 因为电压需要从0开始调节，选用最大阻值相比待测电阻较小、额定电流较大的滑动变所以只能用分阻器 压式接法 滑动变阻器

二、非线性元件实际功率的求解技巧

1.若该元件直接接在电源两端,一般是在该元件的伏安特性曲线中作出电源的路端电压随电流变化的关系图线,得到两图线的交点对应的U、I值,再利用PUI即可求出该元件

1

的实际功率.

2.若元件与某定值电阻R0串联后,再接入电源两端,则可将该定值电阻和电源等效为电源电动势为E、内电阻为rR0的电源再进行分析.

三、针对训练

1. 某同学想要描绘标有“3.8V 0.3A”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(0～3V, 内阻等于3k) 电压表V2(0～15V, 内阻等于15k) 电流表A1(0～200mA，内阻等于10) 电流表A2(0～3A，内阻等于0.1) 滑动变阻器R1(0～10,额定电流2A) 滑动变阻器R2(0～1k，额定电流0.5A) 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1k)、电源E(E=6V,内阻不计)。①请在方框中画出实验电路图，并将各元件字母代码标在元件的符号旁；

②该同学描绘出的I-U图象应是图中的_____

2. 某同学找来一个标有“2.5V,1.2W”字样的小灯泡,他计划通过实验描绘其伏安特性曲线,现有如下器材: A.电流表(0～0.6A,内阻约1) B.电流表(0～3A,内阻约0.2) C.电压表(0～2V,内阻为2k) D.滑动变阻器(0～10,2A) E.滑动变阻器(0～300,0.5A)

F.三个定值电阻(R11k,R15k,R110k)

G.

直流电源(电动势3V,内阻不计) H.开关、导线若干

(1)该同学发现电压表的量程不能满足实验的要求,为了完成测量,他用定值电阻对电压表进行了改装,在给定的三个电阻中,应该选用________(填写对应电阻的符号).

(2)实验时要使伏安特性曲线描绘得完整,需要让电压从零调到2.5V,实验中电流表应该选用_______,滑动变阻器应该选用_______(都填写序号).

(3)该同学设计好实验后,如图是连接的部分电路,请用笔画线代替导线将电路连接完整.

2

(4)如果该同学连接好电路,闭合开关,对滑动变阻器进行调节,发现电流表和电压表的示数都变化,但无论怎么调节,电表的示数都不能调到零,后来检测发现有一根导线内部出现了断路,这根导线的序号是图中的_________.

3.某探究小组要描绘一个标有“4V,1W”的小灯泡的RU曲线,所供选择的器材除了导线和开关外,还有以下一些器材可供选择: A.电压表V(量程5V,内阻约为5k) B.直流电源E(电动势4.5V,内阻不计) C.电流表A1(量程150mA,内阻约为2) D.电流表A2(量程300mA,内阻约为1) E.滑动变阻器R1(阻值0～10) F.滑动变阻器R2(阻值0～200)

(1)实验中要求小灯泡电压从零逐渐增大到额定电压,测量误差尽可能小且方便调节,电流表应选用______,滑动变阻器应选用_____(填写仪器符号),请在虚线框中画出该实验的电路图. (2)根据实验数据,计算并描绘出了RU图像,如图1所示.由图像可知,当所加电压为3.0V时,小灯泡实际消耗的电功率为_______W(结果保留2位有效数字).

(3)小灯泡的PU图像及IU图像如图2、3所示.则小灯泡的电功率P随电压U变化的曲线是_____；小灯泡的伏安特性曲线是_______.(填“a”“b”“c或“d”)

4.(2017· 新课标Ⅰ)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3.8V,额定电流0.32A)、电压表V(量程3V,内阻3k)、电流表A(量程0.5A，内阻0.5)、固定电阻R0(阻值1000)、滑动变阻器R(阻值0～9.0)、电源E(电动势5V,内阻不计)；开关S；导线若干.

(1)实验要求能够实现在0～3.8V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。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”)

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(3)用另一电源E0(电动势4V,内阻1.00)和题给器材连接成图(b)所示的电路图，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)

5. 要测绘一个标有“3V, 0.6W”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3V，并便于操作.已选用的器材有:

电池组(电动势为4.5V，内阻约1)；电流表(量程为0～250mA.内阻约5)； 电压表(量程为0～3V.内阻约3k) ；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，额定电流1A) B.滑动变阻器(最大阻值1750，额定电流0.3A) ②实验的电路图应选用图1中____(填字母代号) ③实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图2所示.

如果将这个小灯泡接到电动势为1.5V,内阻为5.0的电源两端，小灯泡消耗的功率是_________W.

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6. 用伏安法测量某一灯泡的伏安特性曲线,现有实验器材如下:

A.小灯泡(额定电压2.5V,额定电流0.3A) B.电流表(量程0.6A,内阻约0.125) C.电流表(量程3A,内阻约0.025) D.电压表(量程3V,内阻约3k)

E.滑动变阻器(0～10) F.滑动变阻器(0～2000) G.电源(电动势3V,内阻不计) H.开关和导线若干

(1)为了方便测量且测量结果尽量准确,电流表应选_______；滑动变阻器应选_______.(填器材前的字母)

(2)为了获得更准确的伏安特性曲线,实验电路应选用下图中的________.(填选项字母)

(3)闭合开关前电路图的滑动变阻器的滑片应该置于最______端.(填“左”或“右”)

(4)闭合开关,移动滑动变阻器的滑片的位置,发现电压表的示数逐渐增大,但电流表指针却几乎不动,电路的故障可能为_____________________________________.

(5)读出图1中的电压表和电流表的示数，并将该组数据标注在图2的IU坐标系中,然后画出小灯泡的IU曲线.

(6)将本实验中的小灯泡两端加2.5V的电压,则小灯泡的实际功率约为_______W,若直接接在电动势为2.0V,内阻为2.0的直流电源两端,则小灯泡的实际功率约为_________W.(结果均保留2位有效数字)

7.小明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3.8V)；电压表V(量程4V,内阻4k)；电流表A(量程0.3A,内阻1)；定值电阻R0(阻值1)；滑动变阻器R(阻值0～9.0)；电源E(电动势5V,内阻不计)；开关S；导线若干.实验测得该小灯泡的伏安特性曲线如图1所示.

(1)

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实验要求能够实现在0～3.8V的范围内对小灯泡的电压进行测量,用笔画线代替导线,在实物图上完成导线的连接.

(2)用另一电源E0(电动势6V,内阻1.0),两个相同的小灯泡和题给的滑动变阻器R连接成图2所示的电路.闭合开关S,则滑动变阻器连入电路的最小阻值为______.(结果保留2位小数)

(3)在(2)的情况下,调节滑动变阻器R的阻值,在R的变化范围内,小灯泡的最小功率为________W.(结果保留2位小数)

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答案

1.（1）如右图 （ 2 ）②

2.（1）R1 （2）A ；D （3）如图所示 （4）③

解析：(1)由题意知小灯泡的额定电压为2.5V,要描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压表的量程需大于2.5V,题中所给电压表的量程为2V,所以需给电压表串联一个电阻将电压表量程扩大,流过电压表的最大电流Ig2A0.001A,则串联的电阻最小值为2000R2.52500,为了测量更加准确选取电阻大于且接近最小阻值即选取R1. IgP额U额0.48A,为了测量读数更加准确,电流表的量程

(2)由题意知电灯泡的额定电流为I额应大于且接近电灯泡的额定电流,故选量程为0.6A的电流表,即选A；描绘小灯泡的伏安特性曲线,需要电压从零开始变化,所以采用分压式接法,为了方便调节,选取最大阻值较小的电阻D. (3)改装后的电压表的电阻RV3000,电流表内阻RA1,正常发光时灯泡的电阻RU额I额5.2,代人数值得RARVR2,所

以电流表外接误差更小,综上,连线如图所示.

(4)有一条线断路之后,无论怎么调节滑动变阻器电压都不为零,则电路依然是通路,经过分析只有③断路后满足,此时电路变为限流式,因此最小电压不为零.

3.（1）A2； R1； 电路图如图所示 （2）0.75（0.74～0.76） （3）b ； c

解析：(1)待测小灯泡为“4V,1W”,故其额定电流IP0.25A=250mA,故电流表只能选U择A2；要描绘小灯泡的RU曲线,电压要从0开始连续可调,故滑动变阻器采用分压式接

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法,为方便实验操作滑动变阻器应选R1；灯泡正常发光时的电阻

RU416,电压表内阻约为5k,电流表内阻约为1I0.25,代人数值知RARVR2,因此选择电流表外接,连接电路如答

图所示.

(2)当电压为3V时,由;题图可知小灯泡的电阻为12,故此小灯泡消耗的实际功率

U2P0.75W

RU2(3)灯泡电功率P,由于灯泡电阻随温度的升高而增大,由小灯泡的RU图像可知,

RU变大,I变大,而PUI,因此PU图像的斜率应随电压的增大而增大,故b正确；由小

1灯泡的RU图像可知随电压的增大灯泡的电阻增大,故逐渐减小,故IU图像的斜率

R随电压的增大而减小,故c正确.

4.（1）如图；增大；增大 （2）0.41； 1.18

解析：(1)因本实验需要电流从零开始调节，因此应采用滑动变 阻器分压接法；因灯泡内阻与电流表内阻接近，故应采 用电流表外接法；另外为了扩大电压表量程，应用R0 和电压表串联，故原理图如图所示； （2）电阻、电阻率均增大

(3)当滑动变阻器阻值全部接入时，灯泡的功 率最小，将R等效为电源内阻，则电源电动势为 4V，等效内阻为10；则有:U=4-10I；作出 电源的伏安特性曲线如图a中实线所示；由图可 知，灯泡电压为U=1.8V，电流I=230mA=0.23A, 则最小功率P=Ul=1.8x0.23=0.41W;

当滑动变阻器接入电阻为零时，灯泡消耗的功 率最大；此时电源的内阻为1.0，作出电源的 伏安特性曲线如图a中虚线所示;如图a可知， 此时电压为3.70V，电流为320mA=0.32A;贝 可知最大功率Pmax=3.70x0.32=1.18W。

5.（1）A （2）B

（3）源与小灯泡直接串联，那么路端电压等于小灯泡两端的电压，画出内阻为5，电动势为1.5V的电源的路端电压与干路电流的关系图线和小灯泡的伏安特性曲线的交点即表示小灯泡与该电源直接串联；根据交点坐标(1.0V,0.1A)可以计算出小灯泡消耗的功率为: P=UI=1x0.1=0.1W

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6.（1）B； E （2）B （3）左 （4）灯泡短路 （5）如图 （6）0.75； 0.39（0.38～0.41）

解析：(1)小灯泡的额定电流为0.3A,故电流表应该选B；本实验应采用分压式接法,则应采用总阻值较小的滑动变阻器E.

(2)为了方便测量且测量结果尽量准确,即需要测量多组数据且数据变化范围较大,则电压应

从零开始调节,滑动变阻器采用分压式接法,因灯泡内阻远小于电压表的内阻,故电流表选用 外接法,故选择电路B.

(3)为了保护电路,闭合开关前电路图中的滑动变阻器接入电路的阻值应最大,即滑片应该置 于最左端.

(4)电压表有示数,说明电压表的两个接线柱和电源的两极连接的电路中无断路，电流表指针 几乎不动,说明电路中电阻很大,可能是断路了,故出现这种情况的可能性是小灯泡断路. (5)题图1中电压表读数U1.1V,电流表读数I0.24A,伏安特性曲线如图所示.

(6)由小灯泡的伏安特性曲线可知,小灯泡两端电压为2.5V时,电流为0.30A,故功率PUI=2.5V0.30A=0.75W,如图在小灯泡的IU图像上再作出表示小灯泡接在电动势为2.0V,内阻为2.0的直流电源两端后,干路中的IU图像,根据闭合电路欧姆定律有RUIr,则

E11则两图线的交点坐标对应的电压和电流分U,即I1U,IU图像如图所示，

rr2别为U1.45V,电流I0.27A,则小灯泡的功率为PUI≈0.39w. I

7.（1）如图（电流变内外接均可） （2）1.29（1.28～1.30） （3）0.25（0.22～0.28） 解析：(1)根据描绘小灯泡伏安特性曲线,小灯泡两端电压从0～3.8V开始调节,则滑动变阻器必须用分压式接法；根据伏安特性曲线知小灯泡的额定电流,而电流表量程小于小灯泡的额定电流因此电流表必须与定值电阻并联,以扩大电流表量程,实物如图1所示.

(2)当小灯泡两端的电压达到额定电压U3.8V时,滑动变阻器连入电路的阻值最小,根据小灯泡的伏安特性曲线可知,此时小灯泡的电流为I0.48A,由闭合电路欧姆定律有

E0U2I(Rr),解得R1.29.

(3)当滑动变阻器连入电路的阻值最大时,小灯泡消耗的功率最小,即小灯泡两端的电压与通过小灯泡的电流满足U620I,在题图1的坐标纸上作出图线如图2所示,与小灯泡的伏安特性曲线交点为(1V，0.25A),则小灯泡的最小功率为PUI0.25W.

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