第10章 实验十三 描绘I U特性曲线-【优化探究】2025年高考物理一轮复习高考总复习配套课件（教科版2019）

实验十三　描绘I-U特性曲线 第十章　电路及其应用 实验技能 自主学习 实验要点 互动探究 达标检测 巩固提高 命题点一　教材原型实验 命题点二　实验创新设计 内容索引 实验技能 自主学习 一 3 一、实验设计 1．测量电路：用电流表测量通过小灯泡的电流，用电压表测量小灯泡两端的电压。由于小灯泡的电阻远小于电压表的内阻，实验时采用电流表外接法。 2．控制电路：利用两节干电池作为电源，使用滑动变阻器改变通过小灯泡的电流和它两端的电压。实验时，我们希望小灯泡两端的电压在零至额定电压之间变化，因此控制电路中滑动变阻器采用分压接法。 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。 三、实验操作 1．如图1所示连接电路。 2．将滑动变阻器的滑片P置于A端，使小灯泡L两端的电压为零，检查电路无误后，闭合开关S。 3．将滑片P逐渐向B端移动，让电压表每次读数的变化量相等，直到达到小灯泡的额定电压。读出若干组电压表的示数U及相应的电流表的示数I，记录在下面的表格中。 4.断开开关S，拆除电路，整理器材。 5．如图2所示，在坐标纸上建立平面直角坐标系。以纵坐标表示电流I，横坐标表示电压U，根据实验得到的数据在坐标系上描点，并用平滑曲线连接起来，便得到小灯泡的I－U特性曲线。 一、数据处理 1．在坐标纸上以U为横轴、I为纵轴建立直角坐标系。 2．在坐标纸中描出各组数据所对应的点。 3．将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线。 4．结果：描绘出的小灯泡灯丝的伏安特性曲线不是直线，而是向横轴弯曲的曲线。 5．分析：灯泡灯丝的电阻随温度变化而变化。曲线向横轴弯曲，即曲线上的点与原点的连线的斜率变小，电阻变大，说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大。 二、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，电流表外接，由于电压表的分流，使测得的电流值大于真实值。 2．测量时读数带来误差。 3．在坐标纸上描点、作图带来误差。 三、注意事项 1．电路的连接方式 (1)电流表应采用外接法：因为小灯泡的电阻很小，与量程为0.6 A的电流表串联时，电流表的分压影响很大。 (2)滑动变阻器应采用分压式接法：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，滑动变阻器的触头应移到使小灯泡分得电压为0的一端，使开关闭合时小灯泡的电压能从0开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小灯泡两端电压过大而烧坏灯丝。 3．I－U图线在U0＝1.0 V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0 V左右绘点要密，以防出现较大误差。 二 实验要点 互动探究 13 命题点一　教材原型实验 考向1　实验原理与连图作 [典例1]　现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V　0.6 W”小灯泡的I－U图线，有下列器材供选用： A．电压表(0～3 V，内阻3 kΩ；0～15 V，内阻10 kΩ) B．电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω；0～3 A，内阻0.1 Ω) C．滑动变阻器(10 Ω，2 A) D．滑动变阻器(100 Ω，1.0 A) E．蓄电池(电动势6 V，内阻不计) (1)为了减小测量误差，图甲中的S1应接________(选填“M”或“N”)，滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)。 M C (1)由电路图可知，电路采用了滑动变阻器分压接法；因灯泡内阻较小，故电流表采用外接法，故S1应接在M点；因采用分压接法，故滑动变阻器采用小电阻，应选用C。 (2)根据你选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需电路图。 [答案]　(2)图见解析 (2)根据实验原理图画出实物图如图所示。 (3)开关S闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于________(选填“A”“B”或“AB正中间”)端。闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，电压表示数变化明显，但电流表示数始终为0，则电路故障为______________。 A 小灯泡断路 (3)为了保证实验安全，开始时灯泡两端的电压应为最小，故滑动变阻器的滑片应在A端；由题意可知，电压表示数变化明显，说明电压表与电源相连，且滑动变阻器连接正常，而电流表没有示数说明电路是断开的，由电路图可知，只能是灯泡发生了断路故障。 考向2　实验数据处理与分析 [典例2]　(2021·河北卷)某同学研究小灯泡的伏安特性，实验室提供的器材有：小灯泡(6.3 V　0.15 A)、直流电源(9 V)、滑动变阻器、量程合适的电压表和电流表、开关和导线若干。设计的电路如图1所示。 (1)按照图1，完成图2中的 实物连线。 [答案]　(1)图见解析 (1)根据电路图连接实物图如图所示。 (2)按照图1连线后，闭合开关，小灯泡闪亮一下后熄灭，观察发现灯丝被烧断，原因可能是________(单项选择，填正确答案标号)。 A．电流表短路 B．滑动变阻器的滑片接触不良 C．滑动变阻器滑片的初始位置在b端 C (2)小灯泡闪亮一下后熄灭，灯丝被烧断，说明通过小灯泡的电流过大，电流表的内阻很小，故电流表短路不会使通过小灯泡的电流过大，A错误；滑动变阻器的滑片接触不良不会使通过小灯泡的电流过大，B错误；滑动变阻器滑片的初始位置在b端时，小灯泡两端的电压过大，通过小灯泡的电流过大，C正确。 (3)更换小灯泡后，该同学正确完成了实验操作，将实验数据描点作图，得到I－U图像，其中一部分如图3所示。根据图像计算出P点对应状态下小灯泡的电阻为________Ω (保留三位有效数字)。 27.0 命题点二　实验创新设计 [典例3]　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“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) [答案]　(1)图见解析 (1)连线如图所示。 (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。 10 (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。 (3)实验结束，断开开关，拆除电池两端导线，以防电源短路。 电池 (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。请指出图像中不恰当的地方。 [答案]　(4)图线不应画为直线；横坐标的标度不恰当。 (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。 [典例4]　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。 (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0～50 Ω)、电动势为6 V的电源(不计内阻)、小灯泡、电键、导线若干。 [答案]　(1)实验电路图如图所示。 (1)由于要画出U－I关系的完整曲线，必须用分压接法画出实验电路图。 (2)如果将该小灯泡分别接入丙、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 Ω，定值电阻R＝18 Ω，则接入________(选填“丙”或“丁”)电路时，小灯泡较亮些。 丙 (2)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。显然接入图丙电路时，灯泡中电流较大，小灯泡较亮些。 (3)在电路丁中，小灯泡消耗的电功率为__________W。 (3)在电路丁中，小灯泡消耗的电功率为P＝UI＝1×0.15 W＝0.15 W。 0.15 (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。 0.30 (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，可等效为电动势为2.25 V、内阻为2.25 Ω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 Ω)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I＝0.26 A，此时电源内部的发热功率为P＝I2r＝0.262×4.5 W≈0.30 W。 三 达标检测 巩固提高 2 3 4 5 1 1．小华和小明在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，将实验数据记录在下表中： 电压U/V 0.00 0.20 0.40 0.70 1.00 1.30 1.70 2.10 2.50 电流I/A 0.00 0.14 0.24 0.26 0.37 0.40 0.43 0.45 0.46 2 3 4 5 1 (1)实验室有两种滑动变阻器供选择： A．滑动变阻器(阻值范围0～10 Ω、额定电流3 A) B．滑动变阻器(阻值范围0～2 000 Ω、额定电流1 A) 实验中选择的滑动变阻器是________。(填写字母序号) (1)由于灯泡的电阻大约在几欧左右，为了便于测量，滑动变阻器选择0～10 Ω的。 A 2 3 4 5 1 (2)在图甲中用笔画线代替导线，将实验电路连接完整。 答案：(2)图见解析 2 3 4 5 1 (2)由于灯泡的电压和电流从零开始测起，则滑动变阻器采用分压式接法；电流表采用外接法。实物连线图如图所示。 2 3 4 5 1 (3)开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至________(选填“左”或“右”)端。 (3)为了保护测量电路，开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至最左端。 左 2 3 4 5 1 (4)利用表中数据，在图乙中画出小灯泡的U－I图线。 答案：(4)图见解析 2 3 4 5 1 (4)小灯泡的U－I图线如图所示。 2 3 4 5 1 (5)他们在U－I图像上找到小灯泡工作电压为2.0 V时坐标点，计算此状态的电阻值时，小明提出用图像上该点曲线斜率表示小灯泡的阻值；小华提出该点与坐标原点连线的斜率表示小灯泡的阻值。你认为________(选填“小华”或“小明”)的方法正确。 小华 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2．某实验小组的同学在学校实验室中发现一电学元件，该电学元件上标有“最大电流不超过6 mA，最大电压不超过7 V”，同学们想通过实验描绘出该电学元件的伏安特性曲线，他们设计的一部分电路如图所示，图中定值电阻R＝1 kΩ，用于限流；电流表量程为10 mA，内阻约为5 Ω；电压表(未画出)量程为10 V，内阻约为10 kΩ；电源电动势E为12 V，内阻不计。 2 3 4 5 1 (1)实验时有两个滑动变阻器可供选择： A．阻值0～200 Ω，额定电流0.3 A B．阻值0～20 Ω，额定电流0.5 A 应选的滑动变阻器是________(选填“A”或“B”)。 正确接线后，测得数据如下表：   1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U/V 0.00 3.00 6.00 6.16 6.28 6.32 6.36 6.38 6.39 6.40 I/mA 0.00 0.00 0.00 0.06 0.50 1.00 2.00 3.00 4.00 5.50 A 2 3 4 5 1 (1)滑动变阻器A允许的最大电压为0.3×200 V＝60 V＞12 V，滑动变阻器B两端所能加的最大电压为0.5×20 V＝10 V＜12 V，为保证安全，滑动变阻器应选A。 2 3 4 5 1 (2)由以上数据分析可知，电压表应并联在M与________(选填“O”或“P”)之间。 P 2 3 4 5 1 (3)将电路图在线框中补充完整。 答案：(3)电路图见解析图 (3)描绘伏安特性曲线，电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，由(2)可知，电流表采用内接法，实验电路图如图所示。 2 3 4 5 1 (4)从表中数据可知，该电学元件的电阻的特点是： ______________________________________________________________________________________________________________。 当元件两端的电压小于6 V时，元件电阻非常大，不导电；当元件两端电压大于6 V时，随着电压的升高而电阻变小 2 3 4 5 1 (4)由表中实验数据可知，当元件两端的电压小于6 V时，电路电流很小，几乎为零，由欧姆定律可知，元件电阻非常大，不导电；当元件两端电压大于6 V时，随着电压的升高电流迅速增大，电压与电流的比值减小，电阻变小。 2 3 4 5 1 3．某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括电压表(内阻约为3 kΩ)、电流表(内阻约为1 Ω)、定值电阻等。 (1)使用多用电表粗测元件X的电阻，选择“×1”欧姆挡测量，示数如图(a)所示，读数为________ Ω。据此应选择图中的________(选填“(b)”或“(c)”)电路进行实验。 10 (b) 2 3 4 5 1 (1)由题图(a)可知，多用电表的读数为10 Ω，由于元件的电阻较小，电路应选用电流表外接法，即选择图(b)电路。 2 3 4 5 1 (2)连接所选电路，闭合S；滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，电流表的示数逐渐________(选填“增大”或“减小”)；依次记录电流及相应的电压，将元件X换成元件Y，重复实验。 (2)当滑动变阻器的滑片向右移时，滑动变阻器输出的电压增大，电流表的示数增大。 增大 2 3 4 5 1 (3)如图(d)是根据实验数据作出的U－I图线，由图可判断元件________(选填“X”和“Y”)是非线性元件。 Y 2 3 4 5 1 (3)由于元件Y的U－I图线是曲线，因此Y是非线性元件。 2 3 4 5 1 (4)该小组还借助X和Y中的线性元件和阻值R＝21 Ω的定值电阻，测量待测电池的电动势E和内阻r，电路图如图(e)所示，闭合S1和S2，电压表读数为3.00 V；断开S2，读数为1.00 V。利用图(d)可算得E＝________ V，r＝________ Ω(结果均保留两位有效数字，视电压表为理想电压表)。 3.2 0.50 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 答案：(1)如图1所示 2 3 4 5 1 (2)调节滑动变阻器，记录电压表和电流表的示数如下表： 请根据表中的数据，在方格纸上作出该元件的I－U图线。 电压U/V 0.000 0.250 0.500 0.650 0.700 0.725 0.750 电流I/mA 0.00 0.10 0.25 0.60 1.70 4.30 7.50 2 3 4 5 1 答案：(2)如图2所示 2 3 4 5 1 (3)根据作出的I－U图线可知，该元件是________(选填“线性”或“非线性”)元件。 非线性 2 3 4 5 1 (4)在上述测量中，如果用导线代替电路中的定值电阻R0，会导致的两个后果是________。 A．电压和电流的测量误差增大 B．可能因电流过大烧坏待测元件 C．滑动变阻器允许的调节范围变小 D．待测元件两端电压的可调节范围变小 BC 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 5．(2023·全国甲卷)某同学用伏安法测绘一额定电压为6 V、额定功率为3 W的小灯泡的伏安特性曲线，实验所用电压表内阻约为6 kΩ，电流表内阻约为1.5 Ω。实验中有图(a)和图(b)两个电路图供选择。 (1)实验中得到的电流I和电压U的关系曲线如图(c)所示，该同学选择的电路图是图________(选填“a”或“b”)。 a 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 (2)若选择另一个电路图进行实验，在图(c)上用实线画出实验中应得到的I－U关系曲线的示意图。 答案：(2)见解析 2 3 4 5 1 (2)若选用图(b)进行实验，则有U＝U灯＋IRA，则分别代入电流 100 mA、200 mA、300 mA、400 mA、500 mA，可知对应的电压应分别增加0.15 V、0.3 V、0.45 V、0.6 V、0.75 V，当小灯泡正常发光时，电流表示数为0.5 A，而电压表示数要为6.75 V，故描点连线得到的关系示意图应如图中实线所示。 $$