实验：描绘小灯泡伏安特性曲线和测定金属电阻率-2023年高考物理一轮复习

专题8.3实验：描绘小灯泡伏安特性曲线和测定金属电阻率【讲】

【讲核心素养】

科学探究：

通过实验，描绘小电珠的伏安特性曲线

【讲考点题型】

【知识点一】测量仪器、仪表的读数

1.游标卡尺

游标卡尺的读数应注意以下几点

（1）第一看：看清精确度

刻度格数刻度总每小格与精确度

（分度）长度1mm的差值（可精确到）

109mm0.1mm0.1mm

2019mm0.05mm0.05mm

5049mm0.02mm0.02mm

如图

易错成11mm+4x0.1mm=11.40mm

正确的应为11.4mm,游标卡尺不需要估读，后面不能随意加零或去零。

（2）第二看：游标尺•上的0刻度线位置，区分零刻度与标尺最前端。如图

易错成13mm+10x0.05mm=13.50mm

正确读数为14mm+10x0.05mm=14.50mm。

（3）第三看：主尺上的单位

主尺上标识的1、2、3等数字道常是指厘米，读数时应将毫米和厘米分清，游标卡尺主尺上的最小

刻度是1mnio如图

易借成5mm+4x0.05mm=5.20mm

正确的应为50mm+4x0.05mm=50.20mm。

2.螺旋测微器的使用

（1）构造：如图所示，8为固定刻度，E为可动刻度。

（2）原理：测微螺杆/与固定刻度B之间的精密螺纹的螺距为0.5mm,即旋钮。每旋转一周，

尸前进或后退0.5mm,而可动刻度£上的刻度为50等份，每转动一小格，尸前进或后退0.01mm,

即螺旋测微器的精确度为0.0inim。读数时估读到亳米的千分位上，因此，螺旋测微器又叫千分尺。

（3）读数：测量值（mm）=固定刻度数（mm）（注意半毫米刻度线是否露出）+可动刻度数（估

读一位)xO.Ol(mm)o

如图所示

固定刻度示数为2.0mm,半亳米刻度线未露出，而从可动刻度上读的示数为15.0,最后的读数为：

2.0imn+15.0x0.01nim=2.150mnio

3.电压表和电流表

(1)0〜3V的电压表和0〜3A的电流表读数方法相同，此量程下的精确度是0.1V或0.1A,看

清楚指针的实际位置，读到小数点后面两位。

(2)对于0〜15V量程的电压表，精确度是0.5V,在读数时只要求读到小数点后面一位，即读到

0.1Vo

(3)对于0〜0.6A量程的电流表，精确度是0.02A,在读数时只要求读到小数点后面两位，这时

要求“半格估读”，即读到最小刻度的一半0.01A。

4.电流表、电压表测电阻两种方法的比较

电流表内接法电流表外接法

——

电路图

————

R,R.

误差原因电流表分压。测=&+。八电压表分流/«=/.i+/v

rjuR测=华=耀片V心,测量值小

R»-J—旦+以＞&,测量值大

电阻测量值/测/测Kv-TAV

于真实值于真实值

适用条件Rv》Rx

大内偏大(大电阻用内接法测量，小外偏小(小电阻用外接法测量，

口诀

测量值偏大)测量值偏小)

5、滑动变阻器两种接法的对比

限流接法分压接法对比说明

内

两种接法电

串、并联关系不同

路图E°'

负载R上

电压调节

RE「

R+RyE0<U<E分压电路调节范围大

范围（电源

内阻不计）

【例1】（2022•江苏・阜宁实验高中模拟预测）用游标卡尺测量一圆柱体的长度/,用螺旋测微器测

量该圆柱体的直径d。由图可读出/=cm,d=mm。

【素养提升】本题考察的学科素养主要是科学探究。

甲

乙

（2）滑动变阻器滑片从右端直左滑动到中点，小组同学发现电流表示数变化范围很小，当滑片滑

至左端点时电流表示数突然变大超过量程，造成这样的原因可能是。

A.滑动变阻器最大阻值过小

B.滑动变阻器最大阻值过大

（3）换用毫安表进行实验，首先将灵敏电流计改装成量程为6V的电压表，则需要将灵敏电流计与

电阻箱串联并将电阻箱阻值调整为C。

次数123456

改装后的电压表读数

5.825.705.565.425.285.15

U/V

电流表A读数I/mA20406080100120

（5）根据图丙所作图像，可得每节电池的内阻”C（结果保留三位有效数字），每节电池

电动势E=Vo（结果保留三位有效数字）

【方法总结】

1、电流表两种接法的选择

①阻值比较法：先将待测电阻的估计值与电压表、电流表内阻进行比较，若&较小，宜采用电流

表外接法；若R较大，宜采用电流表内接法.简单概括为“大内偏大，小外偏小”.

②临界值计算法：RK幅芯时，用电流表外接法；RO病总时,用电流表内接法.

③实验试探法：

按如图所示接好电路，让连接电压表的导线尸先后与。、人处接触一下，如果电压表的示数有较大

的变化，而电流表的示数变化不大，则可采用电流表外接法；如果电流表的示数有较大的变化，而

电压表的示数变化不大，则可采用电流表内接法.

2、滑动变阻器必须接成分压方式的几种情况

①要求电压表能从零开始读数；

②当待测电阻（滑动变阻器的最大阻值）时；

③若采用限流式接法，电路中的最小电流仍超过电路中电表、电阻允许的最大电流.

⑷滑动变阻器的最大阻值和用电器的阻值差不多且耍求电压不从零开始变化，通常情况下，由于限

流式结构简单、耗能少，优先使用限流式.

【知识点二】描绘小电珠的伏安特性曲线

1.实验原理

（1）实验原理图：如图中；

（2）测多组小电珠的U、/的值，并绘出/一（7图象；

（3）由图线的斜率反映电流与电压和曳阻的关系.

2.实验器材

小电珠”3.8V,0.3A”、电压表“0〜3V〜15V”、电流表“0~0.6A~3A”、滑动变阻器、学

生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔.

3.进行实验及数据处理

（1）将小电珠、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如图乙所示的电路.

（2）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/,并将测量数据填入自

己设计的表格中.

（3）数据处理

①在坐标纸上以。为横轴，/为纵轴，建立直角坐标系.

②在坐标纸上描出各组数据所对应的点.

③将描出的点用包的曲线连接起来，得到小电珠的伏安特性曲线.

4.注意事项

（1）电路的连接方式：

①电流表应采用处接法：因为小电珠（3.8V,0.3A）的电阻很小，与量程为0.6A的电流表串联

时，电流表的分压影响很大.

⑨滑动变阻器应采用分压式接法:目的是使小电珠两端的电压能从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电珠分得电压为0的一端，使开关闭合时小电

珠的电压能从0开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏灯丝.

（3）/一（7图线在Uo=l.OV左右将发生明显弯曲，故在U=1.（）V左右绘点要密，以防出现较大

误差.

5.误差分析

（1）由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，会带来误差，电流表外接，由于电压表的分流，

使测得的电流值人于真实值.

（2）测量时读数带来误差.

（3）在坐标纸上描点、作图带来误差.

6.描绘小灯泡伏安特性曲线的拓展性试验

以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥教材，体现开放

性、探究性等特点，常见创新点如下：

实验原理

的创新

i.分析小灯泡的电阻、电阻率的变化情况。

2借.助伏安特性曲线进行实验数据处理，计算小灯泡的最小功率和最大功率。

c1.电路中增加&和S2,作用是实验前使电容器所带

[―<v）—I

实验器材।।的电荷中和。

J：2.实物连线图随之发生变化。

及目的的

二）二>」3.将测小电珠的伏安特性曲线改为测电容器充电时

创新

品E&两极间的U-f图线。

实验方案1.由测小灯泡换成分析电源。

创新2由.伏安法测小灯泡伏安特性曲线，改为利用伏安特性曲线分析。

【例2】（2022•山西吕梁•二模）某物理学习小组的同学在研究性学习过程中，用伏安法研究一小

灯泡（4V,0.45W）的伏安特性，要求多次测量尽可能减小实验误差，备有下列器材：

A.直流电源（6V,内阻不计）

B.电流表Ai（量程0〜3A,内阻等于0.5Q）

C.电流表A2（量程0〜60mA,内阻等于25C）

D.电压表Vi（量程0〜15V,内阻等于15kC）

E.电压表V2（量程0〜3V,内阻等于3kQ）

F.滑动变阻器R/（0〜20Q,5A）

G.滑动变阻器&（0〜200Q,1A）

H.定值电阻76（阻值25Q）

I.定值电阻&（阻值1k。）

J.开关与导线若干

（1）实验中电压表应选_____,电流表应选_______,滑动变阻器应选_______（均填写器材前面

的序号）；

（2）请在虚线框内画出实验电路图

（3）该小组通过实验描出了电流表示数与电压表示数的关系如图甲所示；

（4）该小组将实验用小灯泡、阻值为50C的定值电阻和内阻不计、电动势为4V的电源连成图乙

电路，此时小灯泡的功率为W（保留2位有效数字）。

【素养提升】本题考察的学科素养主要是科学探究。

【变式训练2]（2022•黑龙江,哈尔滨三中模拟预测）某同学做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实

验，已知小灯泡L“③”标称值为“5V；2.5W”，实验室中除导线和开关外，还有以下器材可

供选择：

电压表Vi（量程为3V,内阻为3kC）

电流表Ai（量程为0.6A,内隹约为10。）

电流表A2（量程为3A,内阻约为0.1Q）

滑动变阻器Q（0〜10Q,额定电流为2A）

滑动变阻器R2（0〜IkC,额定电流为0.5A）

定值电阻后（阻值为10Q）

定值电阻处（阻值为3kQ）

电源£（E=12V,内阻不计）

（1）实验中滑动变阻器应选用,电流表应选用,定值电阻应选用

（均填器材的符号）

（2）实验中得到的该灯泡的伏安特性曲线如图2所示，如果将小灯泡与另一个电动势为4V,内阻

为8c的电源直接相连，则小灯泡的实际功率为Wo（保留两位有效数字）

【方法总结】伏安特性曲线的应用

当将伏安特性曲线已知的器件接入电路时，器件两端电压与通过器件的电流之间的关系既要受到

伏安特性曲线的限制，又要受到闭合电路欧姆定律的限制，从数学角度说，器件两端电压与通过器

件的电流是两方程组成的方程组的解，而从图线角度说，即为两图线交点的坐标，故在求解非线性

元件的阻值、功率时，可通过作图解决。

【知识点三】测量电阻丝的电阻率

1.实验原理（如图所示）

由R=P々得P=号,因此，只要测出金属丝的长度人横截面积S和金属丝的电阻凡即可求出金

属丝的电阻率p.

2.实验器材

被测金属丝，直流电源（4V）,电流表（0-0.6A）,电压表（0〜3V）,滑动变阻器（0〜50。），

开关，导线若干，螺旋测微器,毫米刻度尺.

3.实验过程

（1）用螺旋测微器在被测金属丝上的三个不同位置各测一次直径，求出其平均值d.

（2）连接好用伏安法测电阻的实验电路.

（3）用毫米刻度尺测量接入电路中的被测金属丝的有效长度，反复测量三次，求出其平均值/.

（4）把滑动变阻器的滑片调节到使接入电路中的电阻值最X的位置.

（5）闭合开关，改变滑动变阻器滑片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数/和U的值，

填入记录表格内.

（6）将测得的/?、/、d值，代入公式〃=骞中，计算出金属丝的电阻率.

4.求R的平均值时可用两种方法

（1）用/?=景分别算出各次的数值，再取平均值.

（2）用U—/图线的斜率求出.

5.注意事项

（1）本实验中被测金属丝的电阻值较小，因此实验电路♦般采用电流去处接法.

（2）实验连线时，应先从电源的正极出发，依次将电源、开关、电流表、被测金属丝、滑动变阻

器连成主干线路，然后再把电压表并联在被测金属丝的两端.

（3）测量被测金属丝的有效长度，是指测量被测金属丝接入电路的两个端点之间的长度，亦即电

压表两端点间的被测金属丝长度，测量时应将金属丝拉直，反复测量三次，求其平均值.

（4）测金属丝直径一定要选三个不同部位进行测量，求其平均值.

（5）闭合开关之前，一定要使滑动变阻器的滑片处在有效电阻值地大的位置.

（6）在用伏安法测电阻时，通过被测金属丝的电流不宜过大（电流表用。〜0.6A量程），通电时

间不宜过长，以免金属丝的温度明显升高，造成其电阻率在实验过程中逐渐增大.

（7）若采用图象法求电阻阻值的平均值，在描点时，要尽量使各点间的距离拉大一些，连线时要

尽可能地通过较多的点，不在直线上的点均匀分布在直线的两侧，个别明显偏离较远的点应舍去.

6.误差分析

（1）金属丝的横截面积是利用直径计算得到的，直径的测量是产生误差的主要来源之一.

（2）采用伏安法测量金属丝的电阻时，由于采用的是电流表外接法，测量值小于真实值，使电阻

率的测量值偏小.

（3）金属丝长度的测量、电流表和电压表的读数等会带来偶然误差.

（4）由于金属丝通电后发热升温，会使金属丝的电阻率变大，造成测量误差.

【例3】（2022•湖北•模拟预测）某实验小组为了测量一段长度为L的电热丝的电阻率，进行了如

下实验操作：

（1）用螺旋测微器测量电热丝的直径，其中某次测量结果如图甲所示，则电热丝的直径

d=mmo

（2）先用欧姆表粗测其电阻值。选用“xlO”倍率的电阻挡正确测量时，发现欧姆表指针偏转角较

小，因此需重新选择（选填“xl”或“X100”）倍率的电阻挡，重新欧姆调零后再测

量时欧姆表示数如图乙所示，则电热丝的电阻值为Qo

（3）为更准确测量电热丝的电阻R,使用下列器材：

电源E,电动势约为6V,内阻可忽略不计；

滑动变阻器R,最大阻值为20Q；

单刀单掷开关S一个，导线若干。

①要求测量尽可能准确，并测量较多组数据，请在如图所示虚线框中画出测量电阻尺的实验电路

图（图中标明所选器材的符号）。

②由实验电路图计算电热丝的电阻率的表达式为夕.（电流表与电压表的示数分别用

/和U表示）。

③该电阻率的测量结果（选填“有”或“无”）系统误差。

【素养提升】本题考察的学科素养主要是科学探究。

【变式训练3】（2022•江苏苏州•三模）某实验小组为了测量自来水的电阻进而得出自来水的电阻

率，在粗细均匀的圆柱形玻璃管中注满自来水，玻璃管两端口用插有铁钉的橡皮塞塞住，进行如下

实验;

（1）注水前，用如图甲所示游标卡尺的（填A、B、C）测量爪测玻璃管内径，其示数如

图乙所示，则该玻璃管的内径为mm。

（2）用多用电表欧姆挡“xlk”倍率，对玻璃管中水的电殂进行测量，示数如图为kQ

（3）为了精确测量水柱的阻值，实验小组采用如图所示的实验电路进行实验。

①请在答题纸中根据该实物图完成对应的电路图o

②在闭合开关之前，应把滑动变阻器的滑片P置于最端（填“左”、“右”）O

③实验时电流表采用量程为0〜200R\（内阻约500Q）的微安表，电压表是量程为0〜3V（内阻不

祥）的伏特表。闭合开关后调节滑片P，测得的数据如下：

UN0.080.200.300.400.500.55

心A2578117145185195

请在坐标图上画出U—/关系图线,并求出待测电阻值kC。

（4）结果与多用电表的测量值比较差别很大，请分析出现这种情况的主要原因是：

【方法总结】实物图连接的要点

1、各导线都应连接在接线柱上。

2、不应在导线中间出现交叉，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。

【知识点四】电阻测量的常见模型方法

1、用“替代法”测电阻

⑴实验原理如图

⑵实验步骤

S先与2接，记录⑷的示数，再与1接，调R值使因示数与原值相等，则R、=R。

2.利用电流表半偏测量的内阻

（1）实验原理如图

（2）实验步骤

①凡调至阻值最大，闭合5,调Ri的阻值使公示数达到满偏值。

②保持用阻值不变，闭合S2,调通使®示数达到满偏值一半，同时记录凡的值。

③Rg测=&。

3.利用电压表半偏测⑨的内阻

（1）实验原埋如图

（2）如图所示，测量电压表®的内阻，操作步骤如下：

①滑动变阻器的滑片滑至最右端，电阻箱的阻值调到最大；

②闭合Si、S2,调节R。，使示数指到满偏刻度。

③断开S2,保持Ro不变，调节R,使®表指针指到满刻度的一半；

④由上可得Rv=R。

【例4】（2022・湖南•长郡中学模拟预测）近年来，我国打响了碧水保卫战，检测组在某化工厂的

排污管末端安装了如图1所示的流量计，用此装置测量污水（有大