高中物理精编导学案选修3-1【教科版】第二章直流电路学案2　学生实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线（含经典例、习题）

学案2　学生实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线
[学习目标定位]
1.会正确地选择实验器材和实验电路.
2.描绘小灯泡的伏安特性曲线，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，用一条平滑的曲线将这些点连起来．
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.
一、实验电路的设计
[问题设计]
1．如图1是伏安法测电阻的两种电路，什么情况下选择甲图误差比较小？什么情况下选择乙图误差比较小？测量时如何选择呢？
图1
答案　用甲图测量时误差产生的原因是的分流，所以内阻越大或Rx越小，分流越小，测量误差越小，所以当Rx RV时误差较小，用乙图测量时误差产生的原因是的分压，所以内阻越小或Rx越大，测量误差越小，所以当Rx RA时误差较小．具体选择时可用比较法．当＞时，说明Rx RA应选择电流表内接法，乙图．当＞时，说明RV Rx，应选择电流表外接法，甲图．
2．控制电路有滑动变阻器的限流式接法和分压式接法，如图2甲、乙所示．那么什么情况下选择甲图？什么情况下选择乙图？
答案　用甲图测量时≤Ux≤U，电压不能从零开始调节，用乙图测量时0≤Ux≤U，电压可以从0开始调节．两种接法选择的原则是：
图2
(1)负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器的总电阻R，须用分压式接法(乙图)；
(2)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，须用分压式接法(乙图)；
(3)负载电阻的阻值Rx小于滑动变阻器的总电阻R或相差不多，且电压、电流变化不要求从零开始时，可采用限流式接法(甲图)；
(4)两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法总能耗较小．
[要点提炼]
1．电流表内、外接法的选择：
(1)待测电阻较小时，采用电流表外接法测量误差较小(填“较大”或“较小”)，采用电流表内接法测量误差较大(填“较大”或“较小”)，故此时采用电流表外接法．
(2)待测电阻较大时，采用电流表外接法测量误差较大(填“较大”或“较小”)，采用电流表内接法测量误差较小(填“较大”或“较小”)，故此时采用电流表内接法．
2．滑动变阻器的限流式接法和分压式接法的选择：
(1)负载电阻的阻值远大于滑动变阻器的总电阻，须用分压式接法．
(2)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，须用分压式接法．
(3)负载电阻的阻值小于滑动变阻器的总电阻或相差不多，且电压、电流变化不要求从零开始时，可采用限流式接法．
(4)两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法总能耗较小．
二、实验步骤
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，按图3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.
图3
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，而是向横轴弯曲的曲线．
(2)分析：小灯泡的电阻随温度变化而变化．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．
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
图4
(1)实验时，选用图4中甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：____________________________________________________________________.
(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5中所示的实验器材用实线连接成实物电路图．
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，故采用甲图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，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
图5
8
Ω，调节不方便，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，故电流表采用了外接法．
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)如右图所示．
例2　某同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，得到如下表所示的一组U－I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
发光情况
不亮
微亮
逐渐变亮
正常发光
(1)试在图6上画出U－I图线．当U＜1.40
V时，灯泡电压与电流成______比，灯丝电阻_______(填“不变”或“变化”)；当U＞1.40
V时，灯丝的温度逐渐升高，其电阻随温度升高而________．
(2)从图线上可以看出，当小灯泡两端电压逐渐地增大时灯丝电阻的变化是________________．
解析　(1)根据给出的数据描点，用平滑的曲线连接各点，如图所示，可以看出当U＜1.40
V时，灯泡电压与电流成正比，灯丝电
阻不变；当U＞1.40
V时，由U－I图线可知，图线斜率逐渐增大，
图6
故其电阻随温度升高而增大．
(2)从图线可知，当U＜1.40
V时，图线斜率基本不变；当U＞1.40
V时，图线斜率逐渐增大，所以灯丝电阻的变化是开始不变后来逐渐增大．
答案　(1)U－I图线见解析图　正　不变　增大
(2)开始不变后来逐渐增大
图7为“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡的额定电压为2.5
V.
图7
(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．