实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线 （人教版选修3-1）

实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线 学案（人教版选修3-1）
一、实验目的
描绘小灯泡的______曲线，并分析其变化规律．
二、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，在__________坐标系中描出各对应点，用________曲线将这些点连接起来．
三、实验器材
小灯泡，学生电源、电流表、电压表、________、开关、导线、铅笔、坐标纸等．
四、导体的伏安特性曲线
1．线性元件： _____________________________________________________________
________________________________________________________________________.
图1
2．某导体中的电流随其两端的电压变化，如图1所示，则下列说法正确的是( )
A．加5 V电压时，导体的电阻约是5 Ω
B．加11 V电压时，导体的电阻约是1.4 Ω
C．由图可知，随着电压增大，导体的电阻不断减小
D．由图可知，随着电压减小，导体的电阻不断减小
五、滑动变阻器的两种接法比较(完成下表)
方式内容 限流接法 分压接法 对比说明
两种接法电路图
负载R上电压调节范围
负载R上电流调节范围
一、小灯泡的伏安特性曲线一定是直线吗？
二、哪些情况下必须采用滑动变阻器的分压接法？
例1 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的器材有：
A．小灯泡：规格为“3.8 V,0.3 A”
B．电流表：量程0～0.6 A，内阻约为0.5 Ω
C．电流表：量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω
D．电压表：量程0～5 V，内阻约为5 kΩ
E．滑动变阻器：阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A
F．电池组：电动势6 V，内阻约为1 Ω
G．开关一只，导线若干
(1)为了使测量尽可能地准确，需要使小灯泡两端电压从0逐渐增大到3.8 V且能方便地进行调节，因此电流表应选__________．(填器材代号)
(2)根据你选用的实验电路，将图2中所示的器材连成实物电路．
图2
变式训练1 某同学使用如下器材：电源E(电动势为12 V)；电压表V(量程为0～15 V，内电阻约为15 kΩ)；电流表A(量程为0～100 mA，内电阻约为10 Ω)；滑动变阻器(最大阻值为50 Ω)；单刀单掷开关；导线若干．现测出了一个小灯泡的伏安特性曲线如图3所示，已知小灯泡的额定电压为12 V.
图3
(1)请在虚线框中画出此实验电路图．
(2)根据设计的电路图在图4的实物上连线．
图4
(3)由小灯泡的伏安特性曲线可知小灯泡的额定功率为P额＝________ W，小灯泡的电阻的变化特性为： ____________________________________________________________.
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
灯泡发光情况 不亮 微亮 逐渐变亮 正常发光
(1)试在图5上画出U－I图线．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________．
图5
(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________．
(3)实验结果表明，导体的电阻随温度的升高而________．
变式训练2 图6甲为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感)的I－U关系的曲线图．
(1)为了通过测量得到如图甲所示I－U关系的完整曲线，在图乙和图丙两个电路中应选择的是图________，简要说明理由： ___________________.(电源电动势为9 V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100 Ω)
(2)在图丁所示的电路中，电源电压恒为9 V，电流表读数为70 mA，定值电阻R1＝250 Ω.由热敏电阻的I－U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为______V；电阻R2的阻值为________ Ω.
图6
【即学即练】
1．为探究小灯泡L的伏安特性，连好如图7所示的电路后闭合开关，通过移动变阻器的滑片，使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大，直到小灯泡正常发光，由电流表和电压表得到的多组读数描绘出的U－I图象应是下图中的( )
图7
2．用如图8甲所示的器材做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验．小灯泡标有“6 V,3 W”的字样，铅蓄电池的电动势为8 V，滑动变阻器有两种规格：R1标有“5 Ω，2 A”，R2标有“100 Ω，20 mA”．各电表的量程如图甲所示．测量时要求小灯泡两端的电压从零开始，并测多组数据．
图8
(1)滑动变阻器应选用__________；
(2)用笔画线代替导线，把图甲中的实物连成实验电路(有部分连线已接好)；
(3)测量时电压表示数如图乙所示，则U＝________ V；
(4)某同学根据实验测量得到的数据，作出了如图丙所示的I－U图象．分析图象不是直线的原因： __________________.
参考答案
课前自主学习
一、伏安特性
二、I－U(或U－I) 平滑
三、滑动变阻器
四、1.电流与电压成正比关系的元件．
2．AD [加5 V电压时，I＝1 A，R＝＝5 Ω，A正确；加11 V电压时，I≈1.48 A，R＝≈7.43 Ω，B错误；随电压增大，斜率变小，电阻R变大，D正确．]
五、
方式内容 限流接法 分压接法 对比说明
两种接法电路图 串、并联关系不同
负载R上电压调节范围 ≤U≤E 0≤U≤E 分压电路调节范围大
负载R上电流调节范围 ≤I≤ 0≤I≤ 分压电路调节范围大
核心知识探究
一、小灯泡在工作时，其灯丝在不同电压下，发光、发热情况不同，电压越高灯丝温度越高，电阻随温度的升高而升高，故小灯泡的伏安特性曲线不一定是直线．
二、以下三种情况下必须采用分压接法：
1．若实验中要求电压从零开始连续可调，则必须采用分压接法．
2．若采用限流式接法，当滑动变阻器阻值调到最大时，电路中的电流仍超过电流表的量程，则必须采用分压接法．
3．滑动变阻器的电阻远小于被测电阻或电路中串联的其他电阻时，必须选择分压接法．
解题方法探究
例1 (1)B (2)见解析图
解析 (1)因小灯泡的额定电流为0.3 A，为减小读数误差，让指针偏角大一些，则电流表应选B.
(2)由电流表外接和滑动变阻器采用分压式接法，电路图如图甲所示，由电路图连接的实物图如图乙所示．
甲 乙
变式训练1 (1)实验电路图如下图所示．
(2)实物连接图如下图所示．
(3)1.152；小灯泡的电阻随电压升高而增大
例2 (1)U－I图线见解析图 正 不变 增大 (2)开始不变后来逐渐变大
(3)增大
解析 (1)根据给出的坐标纸建立坐标系，然后描点．用平滑的曲线连接，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，故其电阻随温度的升高而增大．
(2)从图象得到，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．
(3)从图线的斜率可知导体的电阻随温度的升高而增大．
变式训练2 (1)乙 图乙加在热敏电阻两端的电压可以从零调到所需电压 (2)5.2 111.8
解析 (1)图乙加在热敏电阻两端的电压可以从零调到所需电压，从而能够得到完整I－U图线，故选图乙．
(2)通过R1的电流为I1＝＝ A＝36 mA，通过热敏电阻的电流I2＝I－I1＝(70－36) mA＝34 mA，由甲图可知热敏电阻两端的电压为5.2 V，电阻R2＝ Ω≈111.8 Ω.
即学即练
1．C [小灯泡中电流逐渐增大时其温度升高，导致电阻R增大，由R＝知，只有C对．]
2．(1)R1 (2)实验电路如下图所示．
(3)4.0 (4)小灯泡两端的电压逐渐增大时，灯丝温度升高，灯丝的电阻(或电阻率)变大
解析 (1)由于电压要从零开始调节，所以滑动变阻器应采用分压式接法，如果选用R2，滑动变阻器中的电流会超过20 mA，故选R1.(2)实验电路中电流表外接，滑动变阻器采用分压式接法．(4)小灯泡两端的电压逐渐增大时，灯丝温度升高，灯丝的电阻(或电阻率)变大．