实验1：描绘小灯泡的伏安特性曲线 学案（2020年鲁科版高中物理选修3-1）

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1、实验 描绘小灯泡的伏安特性曲线 一、实验原理 1.实验方法原理 由于灯丝的电阻率随温度的升高而增大，因此灯丝的电阻随温度的升高而增大。 由 RU I 得，在 IU 坐标系中，图线上点与原点连线的斜率等于电阻的倒数，故 画出的小灯泡的 IU 图线为曲线。 2.实验电路选择原理 (1)电流表的内接法和外接法的比较 内接法 外接法 电路图 误差原因 电流表的分压 电压表的分流 测量值和 真实值的 比较 R测U 测 I测 RxRA 测量值大于真实值 R测U 测 I测 U测 IxIV 测量值小于真实值 适用于 测量 测大电阻或Rx RA RV Rx 测小电阻或RV Rx Rx RA 两种电路的选择 阻值

2、比较法： 当RV Rx Rx RA时， 选用电流表外接法； 当 Rx RA RV Rx时， 选用电流表内接法。 临界值计算法：当 Rx RARV时，用电流表外接法；当 Rx RARV时，用电流 表内接法。 (2)滑动变阻器的两种接法比较 接法 项目 限流式 分压式 电路 组成 变阻器 接入电 路的特点 采用“一上一下”的接法 采用“两下一上”的接法 调压 范围 Rx RRxEE (不计电源内阻) 0E (不计电源内阻) 适用情况 负载电阻的阻值 Rx与滑动变阻 器的总电阻 R 相差不多，或 R 稍大，且电压、电流变化不要 求从零调起 (1)要求负载上电压或电流变化 范围较大，且从零开始连续可调

3、 (2)负载电阻的阻值 Rx远大于滑 动变阻器的总电阻 R 二、实验器材 学生电源(46 V 直流)或电池组、小灯泡(“4 V，0.7 A”或“3.8 V，0.3 A”)、 滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干、铅笔、坐标纸。 三、实验过程 1.实验步骤 (1)根据小灯泡上所标的额定值，确定电流表、电压表的量程，在方框中画出实验 的电路图，并按图 1 所示的电路图连接好实物图。 图 1 (2) 把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关 S，调 节滑动变阻器， 使电流表、 电压表有较小的明显示数， 记录一组电压 U 和电流 I。 (3)用同样的方法测量并记录几组 U

4、和 I，填入下表。 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 电压 U/V 电流 I/A (4)断开开关，整理好器材。 2.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。 (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)将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线。 3.实验结果与数据分析 (1)结果：描绘出的小灯泡的伏安特性曲线不是直线，而是曲线。 (2)分析：曲线的斜率变小，即电阻变大，说明小灯泡的电阻随温度升高而增大。 四、误差分析 (1)系统误差：由于电压表不是理想电表，内阻并非无

5、穷大，对电路的影响会带来 误差。 (2)测量误差：测量时读数带来误差。 (3)作图误差：在坐标纸上描点、作图带来误差。 五、注意事项 (1)本实验要作 IU 图线，要求测出多组包括零在内的电压值、电流值，因此滑 动变阻器应采用分压式接法。 (2)由于小灯泡的电阻较小，故采用电流表外接法。 (3)画 IU 图线时纵轴、 横轴的标度要适中， 以所描绘图线占据整个坐标纸为宜， 不要画成折线，应该用平滑的曲线连接，对个别偏离较远的点应舍去。 精典示例 一、实验原理和实验数据的处理 例 1 图 2 为“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额 定电压为 3 V。 图 2 (1)在方框图中

6、画出与实物电路相应的电路图。 (2)完成下列实验步骤 闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，应停留在滑动变阻器_端；(选填 “左”或“右”) 闭合开关后，逐渐移动变阻器的滑片，增加小灯泡两端的电压，记录电流表和 电压表的多组读数，直至电压达到额定电压； 记录如下 8 组 U 和 I 的数据，断开开关。根据实验数据在图 3 中作出小灯泡灯 丝的伏安特性曲线。 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 U/V 0.20 0.60 1.00 1.40 1.80 2.20 2.60 3.00 I/A 0.020 0.060 0.100 0.140 0.170 0.190 0.200 0.205 灯泡发光情况

7、不亮 微亮 逐渐变亮 正常发光 图 3 (3)数据分析 从图线上可以得出，当电压逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是_。 图线表明导体的电阻随温度升高而_。 小灯泡正常工作时的电阻约为_。(保留小数点后一位有效数字) 解析 (1)描绘小灯泡的伏安特性曲线，电压与电流要从零开始变化，滑动变阻器 应采用分压式接法， 灯泡电阻较小， 约为几欧姆到十几欧姆， 远小于电压表内阻， 电流表应采用外接法。 (2)为保护电路安全，开关闭合之前，图乙中滑动变阻器的滑片应该置于左端。 根据表格中的数据，画出小灯泡的 IU 图线 (3)从图线上可以得出，当电压逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是先不变，后 逐渐增大。 图线

8、表明导体的电阻随温度升高而增大。 根据 IU 图线得当灯泡两端电压 U3 V 时，I0.205 A，所以小灯泡正常工 作时的电阻约为 R 3 0.205 14.6 。 答案 (1)见解析图 (2)左 见解析图 (3)先不变，后逐渐增大 增大 14.6 滑动变阻器必须采用分压式接法的四种情况 (1)要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时(如： 测定导体的 伏安特性、校对改装后的电表等电路)，或要求大范围内测量电压和电流时，必须 采用分压式接法。 (2)当待测用电器的电阻 R 远大于滑动变阻器的最大值 R0时，必须采用分压式接 法。 (3)当电压表或电流表的量程太小时，若采用限流接

9、法，电路中实际电压(或电流) 的最小值仍超过电压表或电流表的量程，只能采用分压式接法。 (4)在题目中有以下语言暗示时， 比如： 要求多测几组测量数据， 要求精确测量等， 一般也采用分压式接法。 二、实验器材的选择及实物图连线 例 2 有一个小电珠上标有“4 V，2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个电珠 的 UI 图线，有下列器材供选用： A.电压表(05 V，内阻 10 k) B.电压表(010 V，内阻 20 k) C.电流表(00.3 A，内阻 1 ) D.电流表(00.6 A，内阻 0.4 ) E.滑动变阻器(5 ，10 A) F.滑动变阻器(500 ，0.2 A) (1)实验中电压

10、表应选用_， 电流表应选用_。 (用序号字母表示) (2)为使实验误差尽量减小，要求小电珠两端的电压从零开始变化且多取几组数据， 滑动变阻器应选用_(用序号字母表示)。 (3)请在方框内画出满足实验要求的电路图，并把图 4 所示的实验器材用实线连接 成相应的实物电路图。 图 4 解析 (1)因小电珠的额定电压为 4 V，为了保证安全，选用的电压表量程应稍大 于 4 V，但不能大太多，量程太大则示数不准确，故只能选用 05 V 的电压表， 故选 A；由 PUI 得，小电珠的额定电流 IP U0.5 A，故应选择 00.6 A 量程 的电流表，故选 D。 (2)由题意可知，小电珠两端的电压要从零开

11、始变化且多取几组数据，故只能采用 滑动变阻器的分压式接法， 而分压式接法中应选总阻值小的滑动变阻器， 故选 E。 (3)小电珠内阻 RU 2 P 8 ，小于 R0 RVRA，故采用电流表外接法，故电路图 和实物连接图如图所示。 答案 (1)A D (2)E (3)见解析 1.(电流表内、外接法的选择)(多选)在图 5 中，甲、乙两图分别为测灯泡电阻 R 的 电路图，下列说法正确的是( ) 图 5 A.甲图的接法叫电流表外接法，乙图的接法叫电流表内接法 B.甲中 R测R真，乙中 R测R真 C.甲中误差由电压表分流引起，为了减小误差，应使 RRV，故此法测较小电阻 好 D.乙中误差由电流表分压引起

12、，为了减小误差，应使 RRA，故此法测较大电阻 好 解析 题图甲采用电流表外接法，题图乙采用电流表内接法，A 正确；题图甲由 于电压表的分流导致电流的测量值偏大，由 RU I 可知，R测R真；R 越大，电流表的分压越小， 误差越小，因此这种接法适用于测大电阻，B 错误，C、D 正确。 答案 ACD 2.(实验原理和实验方法的理解)“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中， 提供的实 验器材有： A.小灯泡(额定电压为 3.8 V，额定电流约为 0.3 A) B.电流表 A(00.6 A，内阻约为 0.5 ) C.电压表 V(06 V，内阻约为 5 k) D.滑动变阻器 R1(010 ，2 A) E.

13、滑动变阻器 R2(0100 ，0.2 A) F.电源(6 V) G.开关及导线若干 (1)实验中滑动变阻器选_(填“R1”或“R2”) (2)该同学设计了实验测量电路，通过改变滑动变阻器滑片的位置，使电流表的读 数从零开始变化，记录多组电压表的读数 U 和电流表的读数 I。请在图 6 甲中用 笔画线代替导线将实验电路连接完整。 图 6 (3)该同学根据实验数据作出了如图乙所示的 UI 图象，根据图象可知小灯泡的 电阻随着电流的增大而_(选填“增大”、“减小”或“不变”) 解析 “描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验应该设计成分压电路，滑动变阻器选 择阻值范围小的 R1。由于小灯泡电阻小，采用电流表外接电路。根据图象可知小 灯泡的电阻随着电流的增大而增大。 答案 (1)R1 (2)如图所示 (3)增大