7.4 实验（二）：描绘小灯泡的伏安特性曲线

(共22张PPT)
一、实验目的
描绘小灯泡的伏安特性曲线并分析其规律。
二、实验原理
1.利用电流表测出通过小灯泡的电流，利用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多组(U,I)值，在U-I坐标系中描出各组对应点，用一条平滑的曲线把这些点连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线了。
学案4 实验(二)：描绘小灯泡的伏安特性曲线
方式
内容 限流接法 分压接法
两种接法电路图
负载R上电压调节范围 RE/(R+R0)≤U≤E 0≤U≤E
负载R上电流调节范围 E/(R+R0)≤I≤E/R 0≤I≤E/R
闭合S前触头位置 b端 a端
对比说明 ①串、并联关系不同
②分压电路调节范围大
③分压电路调节范围大
2.滑动变阻器的限流接法和分压接法
3.限流电路、分压电路的选择原则：
限流式适合测量阻值小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小)。分压式适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的总电阻要大)。因为Rx很小，限流式中滑动变阻器分得电压很大，调节范围越大。Rx很大，分压式中Rx几乎不影响电压的分配，触头移动时，电压变化接近线性关系，便于调节。
①若采用限流式不能控制电流满足实验要求，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程，或超过待测电阻的额定电流，则必须选用分压式。
②若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑动触头从一端滑到另一端时，待测电阻上的电流或电压变化范围不够大，此时，应改用分压电路。
③若实验中要求电压从零开始连接可调，则必须采用分压式电路。
四、实验步骤
1.根据小灯泡上标出的额定电压
和额定电流，选定电源的输出电压和
电表的量程；
2.将小灯泡、电流表、电压表、
滑动变阻器、电源、开关用导线连接
成如图所示的电路；
3.将滑片移动到右端，闭合开关，调节变阻器，读出并记录多组U、I数值，将测量数据填入表格中；
4.断开开关，拆除电路。
三、实验器材
小灯泡(3.8 V,0.3 A)或(9 V,0.7 A)一个，电压表(0～3 V～15 V)与电流表(0～0.6 A～3 A)各一个，滑动变阻器(最大阻值20 )一个，学生低压直流电源(或电池组)，开关一个，导线若干，坐标纸、铅笔。
④两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法电路简单、耗能低。
五、数据处理
实验中的U、I数据记入下表中
U/V 0 0.2 0.4 0.6 0.9 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.5 3.8
I/A 0
六、误差分析
1.电表的精度和读数带来的误差；
2.描点、作图所带来的误差；
3.对图象进行分析计算所带来的误差。
(1)在坐标纸上以U为横轴、I为纵轴建立坐标系，选取合适的标度；
(2)在坐标纸上描出以上各组数据所对应的点，用一条平滑的曲线把这些点连接起来，得出小灯泡的伏安特性曲线。
七、注意事项
1.实验前注意检查电表是否指零，如果不指零，要调节定位螺丝使指针指零。经过计算可知，小灯泡电阻较小，为了减小误差，电流表采用外接法，为了使小灯泡两端的电压能从零开始连续变化，滑动变阻器应采用分压式接法；
2.实验过程中为了减小误差，电压表量程要进行变换。当U≤3 V时采用0~3 V量程；U>3 V时采用0~15 V量程；
3.闭合开关S前，滑动变阻器滑片应移到一端，使开关闭合时小灯泡两端的电压能从零开始逐渐增大，在滑片移动的过程中，加在小灯泡两端的电压不要超过小灯泡的额定电压。
4.画U-I图线时，不要画成折线，要用平滑曲线连接，如果有个别偏离较远的点应该舍弃。
考点1 实验原理的考查
【例1】在探究小灯泡的伏安特性实验中，所用器材有：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、开关S等，要求灯泡两端电压从0 V开始变化。
(1)实验中滑动变阻器应采用_____接法(填“分压”或“限流”)。
(2)某同学已连接如图所示的电路，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。
A.________________________________。
B.________________________________。
【解析】(1)题目要求灯泡两端电压从0 V开始变化，因此滑动变阻器必须采用分压接法。
(3)电路连接正确后，分别测得两只灯泡L1
和L2的伏安特性曲线如图中I和II所示，
然后将灯泡L1、L2与电池组(电动势和
内阻均恒定)连成如右图所示电路。多
次测量后得到通过L1和L2的电流平均值
分别为0.30 A和0.60 A。
A.在图中画出电池组路端电压U和电流I的关系曲线。
B.由该曲线可知电池组的电动势为____V，内阻为____ 。
(取2位有效数字)
(2)A.实验开始之前，应把电路断开，故开关S应处于断开状态；B.滑动变阻器的滑动触头放在该位置时，电压几乎全部加在小灯泡上，因此，小灯泡两端的电压过大，可能烧毁小灯泡。应将其滑动触头置于b端。(3)A.由于题图中通过L1和L2的电流平均值分别为0.30 A和0.60 A，且灯泡两端电压等于电源的路端电压，所以连接I、II两曲线端点的直线即为该电池组路端电压和电流的关系曲线。
B.由该曲线可读出电池组的电动势为4.6 V，内阻r=| U/ I|
=4.6/1.72 Ω=2.7 Ω。
(1)当要求电压从0 V开始变化时，就应
选用分压式接法。
(2)采用分压式接法时，闭合开关前，
应让滑动变阻器所调节的电路处于短路状
态，而采用限流式接法时，闭合开关前，应让滑动变阻器在所处的电路中阻值处于最大值。
现要测定一个额定电压4 V、额定功率1.6 W的小灯泡(图中用 表示)的伏安特性曲线。要求所测电压范围为0.1 V～4 V。
现有器材：直流电源E(电动势4.5 V，内阻不计)，电压表 (量程4.5 V，内阻约为4×104 )，电流表 (量程250 mA，内阻约为2 )，电流表 (量程500 mA，内阻约为1 )，滑动变阻器R(最大阻值约为30 )，开关S，导线若干。
如果既要满足测量要求，又要测量误差较小，应该选用的电流表是_____，下面两个电路应该选用的是_____。
甲
1
【解析】因为被测小灯泡的额定电流I额＝P额/Ｕ额＝1.6/4 A=0.4 A=400 mA，故电流表应选 。待测灯泡的电阻为U2/P=42/1.6 Ω=10 Ω左右远小于电压表内阻，故应选甲。
考点2 实验数据的处理
(1)用上表数据描绘电压随电流的变化曲线；
(2)为了探究灯丝电阻与温度的关系，已作出电阻随电流的变化曲线如图所示，请指出图线的特征，并解释形成的原因。
【例2】在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，某同学测得电流—电压的数据如下表所示：
电流
I/mA 2.7 5.4 12.4 19.5 27.8 36.4 47.1 56.1 69.6 81.7 93.2
电压U/V 0.04 0.08 0.21 0.54 1.30 2.20 3.52 4.77 6.50 9.12 11.46
(2)特点：电阻随电流增大
存在三个区间，电阻随电流的变化快慢不同：第一区间电流很小时，电阻变化不大；第二区间灯丝温度升高快，电阻增大快；第三区间部分电能转化为光能，灯丝温度升高变慢，电阻增大也变慢。
【解析】(1)如图所示
某同学用图所示电路，测标有“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 )
A2(量程0.6 A，内阻约0.3 )
电压表：V1(量程5 V，内阻约5 k )
V2(量程15 V，内阻约15 k ）
滑动变阻器：R1(阻值范围0～10 )
R2(阻值范围0～2 k )
电源：E1(电动势为1.5 V，内阻约为0.2 )
E2(电动势为4 V，内阻约为0.04 )
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______。 (填器材的符号)
A2
V1
R1
E2
2
(2)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，此灯泡在不工作时，灯丝电阻为______ ；当所加电压为3.00 V时，灯丝电阻为______ ，灯泡实际消耗的电功率为_______W。
(3)根据R-U图象，可确定小灯泡耗电功率P与外加电压U的关系。符合该关系的示意图是下列图中的______。
A
0.78
11.5
1.5
【解析】（１）根据灯泡标有“3.8 V，0.3 A”，则额定电压为3.8 V，额定电流为0.3 A，可选出电流表用Ａ２，电压表用V1，电源用Ｅ２，滑动变阻器选Ｒ１。
（２）由题图可以看出，灯泡不工作时，即Ｕ＝０时，灯丝电阻为1.5 Ω。当所加电压为3.00 V时，灯丝电阻为11.5 Ω，此时灯泡实际消耗的功率为P=U2/R=3.002/11.5 W=0.78 W
（３）由题图可以看出，外加电压Ｕ越大，灯丝的电阻越大，但不是线性增加。灯泡耗电功率Ｐ=U2/R，故符合该关系的示意图是Ａ。
1.用下列器材组装成描绘电阻R0伏安特性曲线的电路，请将实物图连线成为实验电路。
微安表μA(量程200 μA，内阻约200 Ω)；
电压表V(量程 3 V，内阻约10 kΩ)；
电阻R0(阻值约20 kΩ)；
滑动变阻器R(最大阻值50 Ω，额定电流1 A)。
电池组E(电动势3 V，内阻不计)；
开关S及导线若干。
【答案】如图所示
【解析】因为要描绘电阻的伏安特性曲线，电压必须从零开始连续调节，所以用分压式电路，电阻较大，用内接法误差小，电路如图所示。
2.在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，用导线a、b、c、d、e、f、g和h按图1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：
（1）若不管怎样调节滑动变阻器，小电珠亮度能发生变化，但电压表、电流表的示数总不能为零，则可能是______导线断路。
（2）某同学测出电源和小电珠的U-I图线如图2所示，将小电珠和电阻R串联后接到电源上，要使电路中电流为1.0 A，则R=_____Ω。
（3）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3中的（a）、(b)、(c)，下列说法正确的是 ( ) A.a可能作为标准电阻使用
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
图1
图2
图3
【答案】（1）g (2)0.8（3）A、C
【解析】（1）若调节滑动变阻器，小电珠的亮度变化，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）由电源的U-I线知E=3.0 V，r=1 Ω，当小电珠与电阻串联后由闭合电路欧姆定律得E=I(R+r+R灯)又由小电珠的U-I线得R灯=U/I=1.2 Ω解得R=0.8 Ω
（3）因a元件的I-U线是直线，说明电阻随电压的变化不变，故可作为标准电阻，故A对，B错。因I-U线的斜率倒数表示电阻值的变化，故C对D错，选A、C。
3.某研究性学习小组为了制作一种传感器，
需要选用一电器元件。右图为该电器元件
的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，
现需进一步验证该伏安特性曲线，实验室
备有下列器材：
(1)为提高实验结果的准确程度，电流表应选用_____；电压表应选用_____；滑动变阻器应选用_____。（以上均填器材代号）
（2）为达到上述目的，请在虚线框内画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号。
（3）若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点？
相同点：______________________________，
不同点：______________________________。
【答案】（1）A2 V1 Ｒ１ （2）见解析图（3）见解析
【解析】（1）由题图可知，该电器元件的允许电压小于3 V,对应的电流小于0.14 A，其阻值范围小于50 Ω，故电流表应选Ａ２，电压表应选Ｖ１，滑动变阻器应选Ｒ１。
（2）由RV=10 kΩ,RA=10 Ω知，应用外接法；
测量Ｕ、Ｉ的范围较大，且从零开始测量，应
用滑动变阻器的分压接法，如图所示。
（3）相同点：通过该元件的电流与电压的变化
关系和通过小电珠的电流与电压的变化关系都是
非线性关系。不同点：该元件的电阻值随电压的升高而减小，而小电珠的电阻值随电压的升高而增大。