高二物理人教版选修3-1学案 第2章 实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线 Word版含解析

实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线
【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，选用图甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：__________________________________________________
_____________________________________________________。
甲　　 　　　乙
(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，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，则电流表应选D。滑动变阻器应选用阻值小的滑动变阻器E。小灯泡内阻为电流表内阻的＝20倍，电压表内阻是小灯泡内阻的＝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)如图所示
描绘小灯泡的伏安特性曲线的三点注意
(1)根据题目要求明确变阻器采用分压接法还是限流接法，测量电路采用电流表外接法。
(2)选择电表量程时，在不超过电表量程的前提下，指针尽量偏转至量程之间。
(3)电流表、电压表连线时，注意电流从正接线柱流入，从负接线柱流出。
【例2】　某同学用如图所示电路，测绘标有“3.8 V　0.3 A”的小灯泡的灯丝电阻R随电压U变化的图象。
(1)除了导线和开关外，有以下一些器材可供选择：
电流表：A1(量程100 mA，内阻约2 Ω)；
A2(量程0.6 A，内阻约0.3 Ω)；
电压表：V1(量程5 V，内阻约5 kΩ)；
V2(量程15 V，内阻约15 kΩ)；
滑动变阻器：R1(阻值范围0～10 Ω)；
R2(阻值范围0～2 kΩ)；
电源：E1(电动势为1.5 V，内阻约为0.2 Ω)；
E2(电动势为4 V，内阻约为0.04 Ω)。
为了调节方便，测量准确，实验中应选用电流表________，电压表________，滑动变阻器________，电源________。(填器材符号)
(2)在图中用笔画线代替导线，把实验仪器连接成完整的实验电路。
(3)根据实验数据，计算并描绘出R?U的图象如图所示。由图象可知，此小灯泡在不工作时，灯丝电阻为________Ω；当所加电压为3 V时，灯丝电阻为________Ω。
[解析]　(1)电源的电动势要略大于额定电压，所以电源应选E2；由小灯泡的标称值知其额定电流为0.3 A，所以选用的电流表的量程应略大于0.3 A，故电流表应选A2；为减小读数误差，在电压表量程满足条件的前提下，应尽量选择小量程的电压表，故电压表应选V1；为了调节电压方便，应选择小阻值的滑动变阻器，故滑动变阻器应选R1.
(2)根据实验原理图，将实物图连接，其实验电路如图所示。
(3)小灯泡不工作时的电阻，即其两端电压为零的阻值，由题给出的R?U图象可以看出，当小灯泡两端电压为0时所对应的阻值为1.5 Ω；由R?U图象可以看出，当小灯泡两端的电压为3 V时，所对应的阻值为11.5 Ω。
[答案]　(1)A2　V1　R1　E2　(2)见解析图　(3)1.5　11.5
(1)仪器选择的一般顺序是先易后难。首先确定出必须使用而又不必选择的仪器，然后以其为突破口，根据电路要求和电路计算，选择出电源、滑动变阻器、电流表、电压表以及合理的量程。
(2)待测电阻的额定电流、额定电压(估算值)是选择合适量程的电流表和电压表的重要依据。
(3)如滑动变阻器的选择，既要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，在二者都能满足实验要求的情况下，还要考虑阻值大小对实验操作中是否调节方便的影响，一般来说如果是限流法选定比待测电阻大几倍的滑动变阻器，如果是分压法选定阻值小的滑动变阻器。
1．(多选)在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，某实验小组得到了如图所示的图线。根据图线判断下列说法正确的是(　　)
A．流过灯泡的电流与灯泡两端的电压成非线性关系
B．若灯泡两端的电压增加为原来的两倍，则流过灯泡的电流也增加为原来的两倍
C．图线上某点的电阻在数值上等于该点切线的斜率
D．当灯泡两端的电压U＝2.4 V时，灯泡的电阻约为5.4 Ω
AD　[由图可知，灯泡电压和电流不是直线正比规律，故说明流过灯泡的电流与灯泡两端的电压成非线性关系，故A正确；由图可知，电流并不是与电压成正比，故若灯泡两端的电压增加为原来的两倍，则流过灯泡的电流不会增加为原来的两倍，故B错误；因图线不是过原点的直线，电阻为某点与原点连线的斜率，故C错误；由图可知，当电压为2.4 V时，电流I＝0.44 A，则电阻
R＝＝ Ω＝5.4 Ω，
故D正确。]
2．如图所示为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为2.5 V。
(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，逐渐移动变阻器的滑片，
___________________________________________________________
_____________________________________________________；
③断开开关，……根据实验数据在方格纸上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。
[解析]　
(1)滑动变阻器为分压式接法，故闭合开关前，灯泡两端的电压为零，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。
[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，直至电压达到其额定电压
(2)见解析图
3．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，实验室提供了小灯泡“2.5 V　0.5 A”、电流表、电压表以及滑动变阻器等实验器材：
甲　　　　　　乙
(1)图甲为实验中某同学连接好的实验电路图，在开关S闭合后，把滑动片P从A向B端移动过程中会观察到电压表读数变________(选填“大”或“小”)。
(2)某同学由测出的数据画出I?U图象，如图乙所示，当小灯泡两端电压为1.6 V时，小灯泡的电阻值R＝________Ω，此时小灯泡的实际功率P＝________W。
[解析]　(1)由图示电路图可知，在开关S闭合之前，应把滑动变阻器的滑动片P移到A端；实验中滑动片P从A向B端移动过程中会观察到电压表读数变大。
(2)由图象可知，当U＝1.6 V时，对应的电流为I＝0.40 A，
则小灯泡的电阻值为R＝＝ Ω＝4.0 Ω
灯泡的实际功率为：P＝UI＝1.6×0.40 W＝0.64 W。
[答案]　(1)大　(2)4或4.0　0.64
4．某同学在做“测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
(1)试在图上画出U?I图线
(2)当U<1.40 V时，灯丝电压与电流成________比，灯丝电阻________；当U>1.40 V时，灯丝的温度逐渐升高，其电阻随温度升高而________。
[解析]　(1)根据给出的坐标纸建立坐标，然后描点。用平滑的曲线连接，如图所示。
(2)从图象得到，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，故其电阻随温度的升高而增大。
[答案]　(1)见解析图　(2)正　不变　增大
5．某同学想要描绘标有“3.8 V　0.3 A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整。可供该同学选用的器材除了开关、导线外，还有：
电压表V1(量程0～3 V，内阻等于3 kΩ)
电压表V2(量程0～15 V，内阻等于15 kΩ)
电流表A1(量程0～200 mA，内阻等于10 Ω)
电流表A2(量程0～3 A，内阻等于0.1 Ω)
滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流2 A)
滑动变阻器R2(0～1 kΩ，额定电流0.5 A)
定值电阻R3(阻值等于1 Ω)
定值电阻R4(阻值等于10 Ω)
定值电阻R5(阻值等于1 kΩ)
电源E(E＝6 V，内阻不计)
(1)请画出实验电路图，并将各元件字母代码标在该元件的符号旁。
(2)该同学描绘出的I?U图象应是________。
A　 　B　 　C　 　D
[解析]　(1)电压表V1和定值电阻R5串联，可改装成量程为0～4 V的电压表，电流表A1与定值电阻R4并联，可改装成量程为0～0.4 A的电流表，待测小灯泡的电阻很小，故电流表采用外接法，如图所示。
(2)小灯泡的电阻随着温度的升高而变大，所以B正确。
[答案]　(1)见解析图　(2)B
6．某实验小组的同学在学校实验室中发现一电学元件，该电学元件上标有“最大电流不超过6 mA，最大电压不超过7 V”，同学们想通过实验描绘出该电学元件的伏安特性曲线，他们设计的一部分电路如图所示，图中定值电阻R＝1 kΩ，用于限流；电流表量程为10 mA，内阻约为5 Ω；电压表(未画出)量程为10 V，内阻约为10 kΩ；电源电动势E为12 V，内阻不计，滑动变阻器阻值0～20 Ω，额定电流1 A。正确接线后，测得的数据如下表：
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
U/V 0.00 3.00 6.00 6.16 6.28 6.32 6.36 6.38 6.39 6.40
I/mA 0.00 0.00 0.00 0.06 0.50 1.00 2.00 3.00 4.00 5.50
(1)由以上数据分析可知，电压表并联在M与________之间(填“O”或“P”)。
(2)将电路图在虚线框中补充完整。
(3)从表中数据可知，该电学元件的电阻特点是___________。
[解析]　(1)由表中实验数据可知，电学元件电阻最小测量值约为：R＝6.4/0.005 5 Ω≈1 163.6 Ω，电流表内阻约为5 Ω，电压表内阻约为10 kΩ，相对来说，元件电阻远大于电流表内阻，电流表应采用内接法，因此电压表应并联在M与P之间。
(2)描绘伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法，由(1)可知，电流表采用内接法，实验电路图如图所示：
(3)由表中实验数据可知，当元件两端的电压小于6 V时，电路电流很小，几乎为零，由欧姆定律可知，元件电阻非常大，不导电；当元件两端电压大于6 V时，随着电压的升高电流迅速增大，电压与电流的比值减小，电阻变小。
[答案]　(1)P　(2)见解析图　(3)当元件两端的电压小于或等于6 V时，元件的电阻非常大，不导电；当元件两端的电压大于6 V时，随着电压的升高元件的电阻变小