学案6 实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线
[学习目标定位] 1.会正确选择实验器材和实验电路.2.描绘小灯泡的伏安特性曲线并掌握分析图线的方法．
1．实验原理
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(U，I)值，在I－U坐标系中描出各对应点，用平滑曲线将这些点连接起来就得到小灯泡的伏安特性曲线．
2．实验器材
学生电源(4 V～6 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．
3．在虚线框中画出小灯泡的伏安特性曲线的电路图．
一、电流表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＝＝Rx＋RA
测量值大于真实值
R测＝＝
测量值小于真实值
适用于测量
测大(填“大”或“小”)电阻或>
测小(填“大”或“小”)电阻或>
二、滑动变阻器两种接法的比较
限流式接法
分压式接法
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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
～E
(不计电源内阻)
0～E
(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相差不大，或R稍大，且电压、电流变化不要求从零开始
(1)要求负载上电压、电流变化范围较大，且从零开始连续可调
(2)负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器的总电阻R
三、实验过程
1．实验步骤
图1
(1)根据小灯泡上所标的额定值，确定电流表、电压表的量程，按图1所示的电路图连接好实物图．(注意开关应断开，滑动变阻器与小灯泡并联部分电阻为零)
(2)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：描绘出的小灯泡灯丝的伏安特性曲线不是直线，而是向横轴弯曲的曲线．
(2)分析：灯泡灯丝的电阻随温度的变化而变化．曲线向横轴弯曲，即斜率变小，电阻变大，说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大．
4．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．
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5．注意事项
(1)因I－U图线是曲线，本实验要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I－U图线时纵轴、横轴的标度要适中，使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．
例1 有一个小灯泡上标有“4 V 2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的I－U图线．现有下列器材供选择：
A．电压表(0～5 V，内阻10 kΩ)
B．电压表(0～15 V，内阻20 kΩ)
C．电流表(0～3 A，内阻1 Ω)
D．电流表(0～0.6 A，内阻0.4 Ω)
E．滑动变阻器(10 Ω，2 A)
F．滑动变阻器(500 Ω，1 A)
G．学生电源(直流6 V)、开关、导线若干
(1)实验时，选用图2中甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
图2
(2)实验中所用电压表应选用______，电流表应选用______，滑动变阻器应选用______．(用序号字母表示)．
(3)把图3所示的实验器材用实线连接成实物电路图．
图3
解析 因实验目的是要描绘小灯泡的伏安特性曲线，需要多次改变小灯泡两端的电压，故采用图甲所示的分压式电路合适，这样电压可以从零开始调节，且能方便地测多组数据．因小灯泡额定电压为4 V，则电压表选0～5 V的A而舍弃0～15 V的B，因15 V的量程太大，读数误差大，小灯泡的额定电流I＝0.5 A，则电流表只能选D.滑动变阻器F的最大阻值远大于小灯泡内阻8
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Ω，调节不方便，电压变化与滑动变阻器使用部分的长度线性关系差，故舍去．小灯泡内阻为电流表内阻的＝20倍，电压表内阻是小灯泡的＝1 250倍，故电流表采用外接法．
答案 (1)描绘小灯泡的I—U图线所测数据需从零开始，并要多取几组数据 (2)A D E
(3)如图所示
例2 某同学在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中得到如下表所示的几组U和I的数据：
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
(1)在图4中画出I—U图像．
图4
(2)从图像上可以看出，当电压逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是______________________．
(3)这表明小灯泡的电阻随温度的升高而________．
答案 (1)见解析图 (2)开始时不变，后来增大
(3)增大
解析 画出I－U图像如图所示，曲线开始呈直线状说明开始时电阻不变，后来逐渐靠近U轴说明电阻增大．
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要测绘一个标有“3 V 0.6 W”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3 V，并便于操作．已选用的器材有：
电池组(电动势为4.5 V，内阻约1 Ω)；
电流表(量程为0～250 mA，内阻约5 Ω)；
电压表(量程为0～3 V，内阻约3 kΩ)；
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 Ω，额定电流1 A)
B．滑动变阻器(最大阻值1 750 Ω，额定电流0.3 A)
(2)实验的电路图应选用下列的图________(填字母代号)．
答案 (1)A (2)B
解析 (1) 根据“灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3 V，并便于操作”可知控制电路必定为“分压电路”，而“分压电路”需要用总阻值较小的滑动变阻器，故选A.
(2)在(1)中已经明确了控制电路，继续要选择电流表的接法，题中＝＝3，而＝＝200，可知电压表的分流作用不如电流表的分压作用明显，故而应选择电流表的外接法，综上可知电路图应选用图B.
1．在描绘小灯泡的伏安特性曲线实验中，所用器材有：小灯泡L、量程恰当的电流表A和电压表V、直流电源E、滑动变阻器R、电键S等，要求小灯泡两端电压从0开始变化．
(1)实验中滑动变阻器应采用____________接法(填“分压式”或“限流式”)．
图1
(2)某同学已连接如图1所示的电路，在连接最后一根导线的c端到直流电源正极之前，请指出其中仅有的2个不当之处，并说明如何改正．
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①________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
②________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
答案 (1)分压式
(2)①电键S不应闭合，应处于断开状态
②滑动变阻器滑动触头P位置不当，应将其置于b端
2．图2为“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡的额定电压为2.5 V.
图2
(1)完成下列实验步骤：
①闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，__________；
②闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，______；
③断开开关，…….根据实验数据作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线．
(2)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图．
答案 (1)①使它靠近滑动变阻器左端的接线柱 ②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 (2)见解析图
解析 (1)滑动变阻器为分压式接法，故闭合开关前，小灯泡两端的电压应为零，调节滑动变阻器的滑片，使它靠近滑动变阻器左端的接线柱．闭合开关后，逐渐移动滑动变阻器的滑片，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．
(2)与实物电路相应的电路图如图所示．
3．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的器材有：
A．小灯泡：规格为“3.8 V 0.3 A”
B．电流表：量程0～0.6 A，内阻约为0.5 Ω
C．电流表：量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω
D．电压表：量程0～5 V，内阻约为5 kΩ
E．滑动变阻器：阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A
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F．电池组：电动势6 V，内阻约为1 Ω
G．开关一只，导线若干
(1)为了使测量尽可能地准确，需要使小灯泡两端电压从0逐渐增大到3.8 V且能方便地进行调节，因此电流表应选________．(填器材前选项)
(2)根据你选用的实验电路，将图3所示的器材连成实物电路．
图3
答案 (1)B (2)见解析图
解析 (1)因小灯泡的额定电流为0.3 A，为减小读数误差，应让指针偏角大一些，故电流表选B.
(2)由电流表外接和滑动变阻器采用分压式接法知，电路图如图甲所示，由电路图连接的实物图如图乙所示．
4．如图4甲所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I－U关系曲线图．
甲 乙
丙 丁
图4
(1)为了通过测量得到如图甲所示I－U关系的完整曲线，在图乙和图丙两个电路中应选择的是图_______，简要说明理由：_____________________________________________.
(电源电压为9 V，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)
(2)在如图丁所示的电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250
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Ω.由热敏电阻的I－U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为______V；电阻R2的阻值为________ Ω.
答案 (1)乙 图乙加在热敏电阻两端的电压可以从零调到所需电压 (2)5.2 111.8
解析 (1)图乙的滑动变阻器用的是分压式接法，加在热敏电阻两端的电压可以从零调到所需电压，从而能够得到完整的I－U图线，故选图乙．
(2)通过R1的电流为I1＝＝ A＝36 mA，通过热敏电阻的电流I2＝I－I1＝(70－36) mA＝34 mA，由题图甲可知热敏电阻两端的电压为5.2 V，电阻R2＝ Ω≈111.8 Ω.
5．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的实验仪器如下：
小灯泡L，“3.8 V,0.3 A”
电压表V，量程0～5 V，内阻5 kΩ
电流表A1，量程0～100 mA，内阻4 Ω
电流表A2，量程0～500 mA，内阻0.4 Ω
滑动变阻器R1，最大阻值10 Ω，额定电流1.0 A
滑动变阻器R2，最大阻值5 Ω，额定电流0.5 A
直流电源E，电动势约为6 V，内阻约为0.5 Ω
(1)在上述器材中，滑动变阻器应选____________；电流表应选__________________．
(2)在虚线框内画出实验的电路图，并在图中注明各元件的符号．
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(3)某实验小组完成实验后利用实验中得到的实验数据在I－U坐标系中，描绘出如图5所示的小灯泡的伏安特性曲线．根据此图给出的信息，可以判断下图中正确的是(图中P为小灯泡的功率)( )
图5
答案 (1)R1 A2 (2)见解析图 (3)BD
解析 (1)本题变阻器采用分压式接法，通常应当选用最大阻值小的滑动变阻器，但本题中如果选用R2，则电路中的电流会超过R2允许通过的最大电流，故滑动变阻器应当选择R1.电流表A1的量程太小，故电流表应当选择A2.
(2)
电路如图所示，由于电压要从0开始调，滑动变阻器用分压式接法；因为灯泡的内阻比较小，电流表用外接法．
(3)随着通过小灯泡电流的增大，小灯泡消耗的功率增大，小灯泡的电阻也增大，由P＝知B图正确，由P＝I2R知D图正确．
6．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，用导线a、b、c、d、e、f、g和h按图6所示方式连接好电路，电路中所有元器件都完好，且电压表和电流表已调零．闭合开关后：
图6
(1)若不管怎样调节滑动变阻器，小灯泡亮度都能发生变化，但电压表、电流表的示数总不能为零，则可能是________导线断路．
(2)某同学在实验中还测出a、b、c三种元件的伏安特性曲线分别如图7中的(a)、(b)、(c)，下列说法正确的是( )
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图7
A．a可以作为标准电阻使用
B．b能作为标准电阻使用
C．b的阻值随电压升高而增大
D．c的阻值随电压升高而增大
答案 (1)g (2)AC
解析 (1)若调节滑动变阻器，小灯泡的亮度变化，但电压表、电流表示数总不能为零，说明滑动变阻器不起分压作用，所以可能是g导线断路．
(2)因a元件的I－U线是直线，说明电阻不随电压的变化而变化，故可作为标准电阻，故A对，B错．因I－U线上的点与原点的连线的斜率的倒数表示电阻值，故C对，D错．选A、C.
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