高中物理人教版选修3-1 实验　测绘小灯泡的伏安特性曲线学案 Word版含解析

实验　测绘小灯泡的伏安特性曲线
1．测绘小灯泡的伏安特性曲线。
2．分析伏安特性曲线的变化规律。
1.实验原理
如图所示，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。
2．实验器材
学生电源(4～6 V直流)、小灯泡“3.8 V　0.3 A”、电流表(内阻较小)、电压表(内阻很大)、开关和导线、滑动变阻器、坐标纸、铅笔。
3．实验步骤
(1)确定电流表、电压表的量程，按照电路图连好电路。注意连接电路时开关应断开，滑动变阻器与灯泡并联部分电阻为0。
(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的值。
(3)用同样的方法测量并记录约12组U值和I值。
(4)断开开关S，整理好器材。
(5)在坐标纸上，以U为横坐标、I为纵坐标建立直角坐标系，并根据表中数据描点，用平滑的曲线连接各点得到I-U图线。
课堂任务　测量过程·获取数据
仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。
活动1：本实验测量小灯泡的电流和电压时要注意什么？
提示：因为灯泡的电阻比电压表的电阻小得多，电压表分流较小，为减小实验误差，电流表选择外接法。此外，需要同时读数记录电流和对应的电压。
活动2：本实验滑动变阻器为什么不与灯泡串联在电路中，而是部分与灯泡并联在电路中？
提示：实验描绘灯泡的伏安特性曲线需要小灯泡两端的电压从0开始变化，滑动变阻器只有这样连接并调节才能达到要求。
活动3：本实验中，开关闭合前后应该如何调节滑动变阻器？
提示：(1)开关闭合前，滑动变阻器滑片移到使小灯泡分得电压为零处。
(2)开关闭合后，调节滑动变阻器滑片的位置，使小灯泡两端的电压逐渐增大，可在电压表读数每增加一个定值(如0.5 V)时，读取一次电流值；调节滑片时应注意使电压表的示数不要超过小灯泡的额定电压。
活动4：讨论、交流、展示，得出结论。
(1)滑动变阻器两种接法的比较
由上表可以看出：分压接法中电压和电流的调节范围大，限流接法较节能且电路简单。
(2)滑动变阻器两种接法的选择
①下列情况中滑动变阻器应采用限流接法
a．测量时电路中的电流或电压没有要求从零开始连续调节，只是在小范围内变化，且Rx与R0接近或Rx略小于R0时。
b．电源的放电电流或滑动变阻器的额定电流太小，不能满足分压接法的要求时。
c．没有很高的要求，仅从安全性和精确性角度分析两种接法均可采用时，考虑安装简便和节能因素常采用限流接法。
②下列情况中滑动变阻器应采用分压接法
a．题设条件中所提供的电表量程太小或电阻的最大允许电流太小。
b．题设条件中的滑动变阻器的最大阻值远小于被测电阻或电路中串联的其他电阻的阻值。
c．题设要求回路中某部分电路两端的电压从零开始连续变化。
课堂任务　分析数据·得出结论
活动1：本实验应该如何处理数据？
提示：(1)根据测量的数据把电压表和电流表的各组数据填入下表中。
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
电压U/V
电流I/A
(2)描绘曲线：在如图所示坐标纸上以电流I为纵轴、电压U为横轴建立直角坐标系，描点绘出I-U曲线。注意：用平滑的线连接各点，不要出现折线。
(3)分析规律：分析曲线变化规律，分析曲线不为直线的原因。
根据图象计算电阻时，应用R＝来计算。
活动2：通过对实验数据的分析，你能得到什么结论？
提示：测绘出的图线是一条曲线，它的斜率随电压的增大而减小。
电流增大，小灯泡的温度会升高，由实验曲线可知灯泡的电阻随电流增大而增大，故小灯泡的电阻会随温度的升高而增大。
活动3：实验中有哪些误差？
提示：(1)误差及来源
①测量电路存在系统误差，未考虑电压表的分流，电流表测得的I值比真实值大。
②测量时读数不准确引起偶然误差。
③在坐标纸上描点不准确、描绘I-U图线时作图不准确造成偶然误差。
(2)误差的减小
①电流表选择外接法，电压表的内阻尽量大一些；
②提高电表精度。
③在坐标纸上建立坐标系，横、纵坐标所取的分度比例应该适当，尽量使根据测量数据画出的图线占满坐标纸。
④一定要用平滑的曲线连线，且使尽可能多的点落在曲线上，不能落在曲线上的点均匀分布在线的两侧。
课堂任务　典例探究·提升能力
　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　
例　现要用伏安法测绘一只标值为“2.5 V　0.6 W”小灯泡的I-U图线，有下列器材供选用：
A．电压表(0～3 V，内阻3 kΩ；0～15 V，内阻10 kΩ)
B．电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω；0～3 A，内阻0.1 Ω)
C．滑动变阻器(10 Ω，2 A)
D．滑动变阻器(100 Ω，1.0 A)
E．蓄电池(电动势6 V，内阻不计)
(1)用如图甲所示的电路进行测量，滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)。开关S闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于________(填“A端”“B端”或“AB正中间”)。
(2)按图甲所示电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需电路图。
(3)通过实验测得此灯泡的伏安特性曲线如图所示。由图线可求得此灯泡在正常工作时的电阻为________Ω。
[规范解答]　(1)因测绘小灯泡的I-U图线实验滑动变阻器采用分压式连接，滑动变阻器应选用小电阻值的，故应选用滑动变阻器C，开关闭合前，为了保护电表和小灯泡，使测量电路部分的电压为零，应将滑片置于A端。
(2)实物连接如图所示。
(3)由I-U图象可以读出，当小灯泡的电压为2.5 V时，其电流I＝0.25 A，由R＝可得，小灯泡正常发光时的电阻R＝10 Ω。
[完美答案]　(1)C　A端　(2)图见规范解答　(3)10
(2)测绘I-U(U-I)图线时要注意三点：一是标度选取合理，即作出的图象既可以把表中所给的所有点都标注上，同时又要使图象尽可能占满坐标纸；二是用“·”或“×”标注点；三是用平滑曲线拟合连接各点，偏离较大的点可以舍弃。
　使用理想电压表、电流表、滑动变阻器、直流电源等仪器，研究一只小灯泡完整的伏安特性曲线，测得I-U图象如图所示。已知滑动变阻器滑动片的有效移动长度为30 cm，变阻器的最大阻值为22.5 Ω，电源电动势为6 V，内阻不计。
(1)在虚线框内，不改变滑动变阻器和电源的位置，补上电压表、电流表、灯泡，画出完整的电路图。要求滑动变阻器的滑动片向左滑动时，灯泡的电压增大。
(2)根据I-U图象可知：从A到B的过程中灯泡的电阻逐渐________(选填“增大”或“减小”)，改变的阻值为________ Ω。
答案　(1)图见解析　(2)增大　5
解析　(1)小灯泡内阻很小，采用电流表外接法，要求研究一只小灯泡的完整的伏安特性曲线，滑动变阻器应采用分压式连接，同时考虑滑动片向左滑动时，灯泡的电压增大，故实验原理图如图所示。
(2)A点对应灯泡的阻值：RA＝＝ Ω＝15 Ω。
B点对应灯泡的阻值：RB＝＝ Ω＝20 Ω。
故I-U图象上，由A到B的过程中灯泡的电阻逐渐增大，增大了5 Ω。
1．(多选)在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，已备有以下器材：小灯泡、学生电源、开关、导线若干，还必需的器材有(　　)
A．电压表 B．电流表
C．滑动变阻器 D．定值电阻
答案　ABC
解析　实验中要测量电压和电流，必需有电压表和电流表，描绘图线必须测出多组U、I值，因此要用滑动变阻器调节小灯泡的电流和电压，A、B、C正确。
2．在描绘小灯泡的伏安特性曲线时，采用如图所示电路，实验中发现移动滑动变阻器的滑片时，电流表的示数变化而电压表的指针不动，下列原因可能的是(　　)
A．灯泡中灯丝已烧断
B．滑片接触不良
C．灯泡内部短路
D．滑动变阻器A端接触不良
答案　C
解析　由题图知，移动滑片时，因电流表示数有变化，故和电流表串联的回路中不存在断点，A错误；若滑片接触不良，电路中不可能有电流，故B错误；若滑动变阻器A端接触不良，滑片移动时电流表和电压表读数均变化，故D错误；若灯泡内短路，则灯泡两端电压为零，电压表指针不动，移动滑片时，只有电流表示数变化，故选C。
3．一个小灯泡上标有“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．电源(直流6 V)、开关、导线若干
(1)实验时，选用图中________电路图来完成实验，请说明理由：_______________________________________________________________。
(2)实验中所用电压表应选________，电流表应选________，滑动变阻器应选________。(用字母序号表示)
(3)把下图所示的实验器材用实线连接成实物电路图。
答案　(1)甲　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
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。
(2)因小灯泡额定电压为4 V，则电压表选量程为0～5 V的A而舍弃量程为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8 Ω，调节不方便，故用E。
4．图1是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图。
(1)根据图1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2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。所示读数为：①______、②______、③______、④______。两组数据得到的电阻分别为________和________。
答案　(1)如图所示
(2)①0.10 A　②0.24 A　③2.00 V　④0.30 V　8.3 Ω　3.0 Ω(最后两空答案互换位置也正确)
解析　(1)根据实物图，滑动变阻器起分压作用，电压表测量小灯泡两端的电压，电流表外接，故画出的电路图如答案图所示。
(2)电流表量程为0.6 A，电压表量程为3 V，因此①的读数为0.10 A，②的读数为0.24 A，③的读数为2.00 V，④的读数为0.30 V。两组数据得到的电阻R1＝＝ Ω≈8.3 Ω，R2＝＝ Ω＝3.0 Ω。
5．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)；
开关一个、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1750 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)根据小灯泡标示的额定值可以计算出小灯泡的额定电流I＝＝ A＝0.2 A，两个滑动变阻器在此电流下都能保证安全，根据测绘小灯泡的伏安特性曲线的要求，小灯泡两端的电压需要从零开始调节，故调节电路的滑动变阻器应采用分压式接法；为方便调节应选用最大阻值较小的滑动变阻器，故选A。
(2)额定电压下小灯泡的阻值R＝＝ Ω＝15 Ω，远小于电压表内阻，故电流表应该采用外接法，控制电路应采用分压接法，故选B。
6．如图为“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。
(1)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图。
(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，应停留在滑动变阻器________端；(选填“左”或“右”)
②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(如下表)，直至电压达到额定电压，断开开关；
③根据实验数据在下图中作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。
(3)数据分析：
①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__________________________。
②图线表明导体的电阻随温度升高而____________________。
③小灯泡正常工作时的电阻约为________ Ω。(保留小数点后一位数字)
答案　(1)图见解析　(2)①左　③图见解析
(3)①先不变，后逐渐增大　②增大　③14.6
解析　(1)根据实物图得电路图如下。
(2)①为保护电路安全，开关闭合之前，图中滑动变阻器的滑片应该置于左端。
②根据表格中的数据，画出小灯泡的I-U图线如图：
(3)①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。
②图线表明导体的电阻随温度升高而增大。
③根据I-U图线得，当灯泡两端电压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。
7．某学习小组通过实验来研究电器元件Z的伏安特性曲线。他们在实验中测得电器元件Z两端的电压与通过它的电流的数据如下表：
U/V
0.00
0.20
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
I/A
0.000
0.050
0.100
0.150
0.180
0.195
0.205
0.215
现备有下列器材：
A．内阻不计的6 V电源；
B．量程为0～3 A的内阻可忽略的电流表；
C．量程为0～0.3 A的内阻可忽略的电流表；
D．量程为0～3 V的内阻很大的电压表；
E．阻值为0～10 Ω，额定电流为3 A的滑动变阻器；
F．开关和导线若干。
(1)这个学习小组在实验中电流表应选________(填器材前面的字母)。
(2)下面的实验电路图中最合理的一个是________。
(3)利用表格中数据绘出的电器元件Z的伏安特性曲线，如下图所示，分析曲线可知该电器元件Z的电阻随U变大而________(选填“变大”“变小”或“不变”)。
(4)若把电器元件Z接入如下图所示的电路中时，理想电流表的读数为0.150 A，已知A、B两端的电压恒为2 V，则定值电阻R0阻值为________ Ω。(结果保留两位有效数字)
答案　(1)C　(2)D　(3)变大　(4)6.7
解析　(1)由表中实验数据可知，电流最大测量值为0.215 A，电流表应选C。
(2)由表中实验数据可知，电压与电流的测量值从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法，应用伏安法测元件电压与电流，电流表应测通过元件Z的电流，由图示可知，应选D所示电路。
(3)由I-U图象可知，随电压增大，电压与电流的比值增大，元件阻值变大。
(4)由图象可知，电流为0.150 A时Z两端的电压为1 V，A、B两端电压为Z和R0两端的电压之和，所以R0两端的电压也为1 V，流过R0的电流为0.150 A，所以R0＝＝ Ω≈6.7 Ω。