高中物理粤教版选修3-1学案：第2章 实验1　测绘小灯泡的伏安特性曲线 Word版含解析

实验1　测绘小灯泡的伏安特性曲线
[学习目标]　1.理解电流表的内接法和外接法，并会进行正确选择．　2.理解滑动变阻器的两种接法，能进行正确地应用．　3.学会描绘小灯泡的伏安特性曲线并掌握分析图线的方法．
一、电流表的内接法和外接法的比较
1．两种接法的比较
内接法
外接法
电路
误差分析
电压表示数
UV＝UR＋UA>UR
电流表示数IA＝IR
R测＝>＝R真
电压表示数
UV＝UR
电流表示数
IA＝IR＋IV>IR
R测＝<＝R真
误差来源
电流表的分压作用
电压表的分流作用
2.电流表内、外接的选择方法
(1)直接比较法：当RxRA时，采用内接法，当RxRV时，采用外接法，即大电阻用内接法，小电阻用外接法，可记忆为“大内小外”．
(2)公式计算法
当Rx>时，电流表用内接法，当Rx<时，电流表用外接法，当Rx＝时，两种接法效果相同．
(3)试触法：如图，把电压表的可动接线端分别试接b、c两点，观察两电表的示数变化，若电流表的示数变化明显，说明电压表的分流作用对电路影响大，应选用内接法，若电压表的示数有明显变化，说明电流表的分压作用对电路影响大，所以应选外接法．
二、滑动变阻器两种接法的比较
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
～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
(2)负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器的总电阻R
三、测绘小灯泡的伏安特性曲线
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，即得小灯泡的伏安特性曲线，电路图如图所示．
2．实验器材
学生电源(4～6 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．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．
4．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．
5．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．
6．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】　在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，除有一标有“3 V　1.8 W”的小灯泡、电源、导线和开关外，还有：电流表A(0～0.6 A，内阻约为0.1 Ω)、电压表V(0～3 V，内阻约为4 kΩ)、滑动变阻器R(0～10 Ω，2 A)．实验要求保证器材的安全，灯泡两端的电压能从0连续调节，测量结果尽量准确．
(1)为尽可能地减小误差，实验中采用电流表________(选填“内接”或“外接”)，采用正确的方式测出的电阻值________(选填“大于”“小于”或“等于”)电阻的真实值．
(2)设计并画出一个合理的电路图．
(3)某同学根据电路图连接实物图时，并未连接完整，请用笔画线代替导线完成实物图的连接．
(4)根据实物图，开关S闭合之前，图中滑动变阻器的滑片应该置于________(选填“左端”“右端”或“中间”)．
[解析]　(1)灯泡正常发光时电阻R＝＝ Ω＝5Ω，>，故电流表采用外接法．采用外接法时，通过灯泡的实际电流小于电流表读数，根据欧姆定律R＝得，测出的电阻值小于电阻的真实值．
(2)电压与电流从零开始变化，则滑动变阻器应采用分压接法，电路图如图所示．
(3)根据电路图连接实物图：
(4)闭合开关前，分压电路分得的电压应为零，所以滑片应置于右端．
[答案]　(1)外接　小于　(2)见解析图
(3)见解析图　(4)右端
【例2】　在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，要测量一个标有“3 V　1.5 W”的灯泡两端的电压和通过它的电流，现有如下器材：
A．直流电源3 V(内阻可不计)；
B．直流电流表0～600 mA(内阻约0.5 Ω)；
C．直流电压表0～3 V(内阻约3 kΩ)；
D．滑动变阻器(10 Ω，1 A)；
E．滑动变阻器(1 kΩ，300 mA)；
F．开关、导线若干．
(1)本实验中滑动变阻器选用________(选填“D”或“E”)．
(2)某同学用导线a、b、c、d、e、f、g和h连接的电路如图甲所示，电路中所有元器件都是完好的，且电压表和电流表已调零．闭合开关后发现电压表的示数为2 V，电流表的示数为零，小灯泡不亮，则可确定断路的导线是__________；若电压表示数为零，电流表的示数为0.3 A，小灯泡亮，则断路的导线是________；若反复调节滑动变阻器，小灯泡亮度发生变化，但电压表、电流表示数不能调为零，则断路的导线是________．
甲
(3)下表中的各组数据是该同学在实验中测得的，根据表格中的数据在如图乙所示的坐标系中作出该灯泡的伏安特性曲线．
U/V
I/A
乙
0
0
0.5
0.17
1.0
0.30
1.5
0.39
2.0
0.45
2.5
0.49
[解析]　(1)由题图甲所示电路图可知，滑动变阻器采用分压式接法，为方便实验操作，滑动变阻器应选D.
(2)根据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，发现电压表的示数为2 V，电流表的示数为零，小灯泡不亮，则断路的导线为d；若电压表的示数为零，电流表的示数为0.3 A，小灯泡亮，则断路的导线为h；若反复调节滑动变阻器，小灯泡亮度发生变化，但电压表、电流表的示数不能调为零，则断路的导线为g.
(3)根据表中实验数据在坐标系内描出对应点，然后作出图象．
[答案]　(1)D　(2)d　h　g　(3)如图所示
仪器选择和电路设计的原则
(1)安全原则：所选电器元件在电路中不能被损坏，如电压表或电流表在电路中时，各对应物理量应不超过它们的量程．
(2)目的性原则：所设计的电路应能够达到实验的目的．
(3)准确性原则：选取仪器或器材时应考虑减小系统误差，如电压表或电流表的指针偏转应尽可能指在中间刻度附近．
(4)方便操作原则：所设计的实验容易达到实验目的，且又简捷、方便．
1．如图所示，甲、乙两图分别为测灯泡电阻R的电路图，下列说法不正确的是(　　)
甲　　　　　　　　　乙
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，为了减小误差，应使RRA，故此法测较大电阻好
B　[甲图的接法叫电流表外接法，其R测R真，当RRA时，电流表分压越小，测量结果越准确，故选项A、C、D均正确，B错误．]
2．(多选)用伏安法测未知电阻Rx时，若不知Rx的大约数值，为了选择正确的电流表接法以减小误差，可将仪器按图所示接好，只空出一个电压表的一个接头K，然后将K分别与a、b接触一下，观察电压表和电流表示数变化情况，则(　　)
A．若电流表示数有显著变化，K应接a
B．若电流表示数有显著变化，K应接b
C．若电压表示数有显著变化，K应接a
D．若电压表示数有显著变化，K应接b
BC　[若电流表示数有显著变化，说明电压表分流明显，电流表应采用内接法，K应接在b处，故A错误，B正确；若电压表示数有显著变化，说明电流表的分压明显，电流表应采用外接法，K应接在a处，故C正确，D错误．]
3.如图是某同学经过实验描绘的一个小灯泡的伏安特性曲线，分析该曲线，下列说法正确的是(　　)
A．小灯泡的伏安特性曲线的斜率随着电压的升高而增大
B．小灯泡灯丝的电阻随着电压的升高而增大
C．欧姆定律适用于小灯泡，所以小灯泡是个线性元件
D．小灯泡灯丝的电阻随着电压的升高而减小
B　[由图象可知小灯泡的伏安特性曲线的斜率随着电压的升高而减小，A错误；小灯泡的电阻随着电压的升高而增大，B正确，D错误；小灯泡的伏安特性曲线是曲线，不是过原点的直线，所以小灯泡不是线性元件，欧姆定律只对小灯泡的某一状态适用，C错误．]
4．如图所示是小组同学在做“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图．
(1)根据实物图在虚线框中画出实验电路图；
(2)调节滑动变阻器得到了两组电流表与电压表的示数如图中的①、②、③、④所示，电流表量程为0.6 A，电压表量程为3 V．读数为：①________、②________、③________、④________．两组数据得到的电阻分别为________和________．
[解析]　(1)由实物连接图可知电路图如图所示．
(2)电流表量程为0.6 A时，最小刻度为0.02 A，读数读到小数点后两位，所以①表示数为0.10 A．②表示数为0.24 A；电压表量程为3 V．最小刻度为0.1 V，应估读到0.01 V，所以③表示数为2.00 V，④表示数为0.28 V．灯泡两端电压小，电流就小，故①④为同一组数据，②③为另一组数据，根据欧姆定律R1＝＝≈8.3 Ω，R2＝＝ Ω＝2.8Ω.
[答案]　见解析
5．“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(0～0.6 A，内阻约为0.5 Ω)
C．电压表V(0～6 V，内阻约为5 kΩ)
D．滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)
E．滑动变阻器R2(0～100 Ω，0.2 A)
F．电源(6 V，内阻不计)
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.请在图甲中用笔画线代替导线将实验电路连接完整．
(3)该同学根据实验数据作出了如图乙所示的U-I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
6．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．现有下列器材供选用：
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)把图丙中所示的实验器材用实线连接成实物电路图．
[解析]　(1)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．
(2)因小灯泡额定电压为4 V，则电压表选0～5 V的电压表A，而舍弃0～15 V的电压表B，因为15 V的量程太大，读数误差大．小灯泡的额定电流I＝＝ A＝0.5 A，则电流表选D.由于采用分压式电路，且小灯泡电阻为R＝＝Ω＝8 Ω，故滑动变阻器选用E.
(3)小灯泡电阻为电流表内阻的＝20倍，电压表内阻是小灯泡电阻的＝1 250倍，故电流表采用外接法．
[答案]　(1)描绘灯泡的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
7．图甲为“测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3 V.
(1)在图乙方框图中画出与实物电路相对应的电路图．
(2)完成下列实验步骤：
①闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，滑片应停留在滑动变阻器的最________(选填“左”或“右”)端；
②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；
③记录如下8组U和I的数据，断开开关．根据实验数据在图丙方格纸上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
小灯泡发光情况
不亮　　微亮　　逐渐变亮　　正常发光
(3)数据分析：
①从图线上可以得知，当电压逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是___________________________．
②图线表明导体的电阻随温度的升高而________．
③小灯泡正常工作时的电阻约为________．(保留到小数点后一位)
[解析]　(1)与实物电路相对应的电路图如图所示．
(2)①为保护电路安全，开关闭合之前，题图甲中滑动变阻器的滑片应该置于最左端．③根据表格中的数据，画出小灯泡的I-U图线如图所示．
(3)①从图线上可以得知，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．
②图线表明导体的电阻随温度的升高而增大．
③根据I-U图线可得电压U＝3 V时，I＝0.205 A，所以小灯泡正常工作时的电阻约为R＝Ω≈14.6 Ω.
[答案]　(1)见解析图　(2)①左　③见解析图
(3)①先不变，后逐渐增大　②增大　③14.6 Ω