【本讲教育信息】
一. 教学内容：
电学实验（2）
二. 本章的知识点
（一）描绘小灯泡的伏安特性曲线
【实验目的】掌握实验电路的连接及滑动变阻器对电路的控制，能够收集实验数据并依此描绘小灯泡的伏安特性曲线，会分析曲线的变化规律。
【实验原理】在纯电阻电路里，根据部分电路欧姆定律I=U/R可知：当电阻阻值恒定时，通过电阻的电流I和电阻两端的电压U呈线性关系，也就是I—U曲线是一条过原点的直线。由电阻定律知道，导体的电阻会随着温度的变化而发生变化，如果温度变化不大，一般导体电阻改变很小，可以认为导体的电阻是没有改变的。但是，在本实验中，小灯泡由暗逐渐变到正常发光，温度发生了很大的变化，所以灯丝电阻也就发生了较大的变化。这样，在灯泡两端电压由小变化到额定电压时，描绘出的伏安特性曲线就不是一条直线，而是一条曲线。为了使曲线画得较准确，实验中必须读取12组左右不同的电压值和电流值，同时要求小灯泡两端的电压变化范围尽可能大一些，所以滑动变阻器必须如图中所示连接成分压电路。由于小灯泡的电阻和电流表的内阻都比较小，伏特表的内阻却较大，所以伏特表应当如图中所示直接并联在小灯泡两端，即采用电流表外接法，否则，实验将产生很大的误差。I—U曲线画出后，我们可以读出曲线上任一点的横坐标U和纵坐标I的数值，然后根据R=U/I，计算出该点的电阻值R。
【实验器材】学生电源（4~6V直流），小灯泡（“4V，0.7A”或“3.8V”，“0.3A”），电流表（内阻较小），电压表（内阻很大），滑动变阻器，电键和导线若干。
【实验步骤】
1. 确定电流表、电压表的量程，照上图所示连好电路。（注意开关应断开，滑动变阻器与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值。
3. 逐渐将滑动变阻器的阻值调大，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，然后用平滑的曲线将12个点连接起来得到I—U图线。（注意：连接各点时，不要出现折线）
实验数据记录表
【实验结论】描绘出的图线是一条_________线。它的斜率随电压的增大而_________，这表明小灯泡的电阻随电压（温度）升高而_________。
【注意事项】
1. 根据小灯泡上的标称值，正确选择电压表和电流表的量程。
2. 电流表须串联在被测电路中，且让电流从“+”接线柱流进，从“－”接线柱流出；电压表须并联在被测电路的两端，且让“+”接线柱接高电势端。“－”接线柱接低电势端。
3. 由于小灯泡阻值较小，因此采用电流表外接法。
4. 研究小灯泡伏安特性时，电压须从零起连续变化，且变化范围较宽，因此滑动变阻器应采用分压式接法。
5. 调节滑动变阻器时，要注意控制加在小灯泡两端的电压值，不能让加在灯泡两端的电压超过灯泡的额定电压。
6. 为了减小误差，在作图时，所选分度比例要恰当，应使12个点在坐标平面内分布在一个尽量大的范围内，且疏密程度尽量均匀些。
7. 在I—U图线中，图线斜率倒数的大小反映小灯泡的电阻大小，此时图线斜率并非为图线上某点的切线斜率，而是该点与原点连线的斜率。
（二）测量电源的电动势和内电阻
【实验目的】会利用电流表和电压表正确连接电路测出路端电压和流过电源的电流；掌握利用闭合电路欧姆定律求电源的电动势和内阻的原理和方法；会用“计算法”和U—I图线处理实验数据，求解得出电源的电动势和内阻。
【实验原理】实验电路如图所示，根据闭合电路欧姆定律，可得路端电压
。由于电源电动势
和内阻r不随外电路负载变化而改变，这样通过改变滑动变阻器的阻值，用电压表和电流表测出每种状态下的U、I值，列出两个方程，即可求出电动势
和内电阻r。也可以利用所得数据描绘U—I图线，通过图像求得电源的电动势和内阻。下面就对两种数据处理方法分别加以说明。
（1）计算法（代数法）：调节滑动变阻器，记下电路中产生的电流、
，以及对应的路端电压
、
，然后根据
，
联立求解，可得电动势
，内阻
。
（2）图像法：根据闭合电路欧姆定律可得：，说明路端电压U是I的一次函数，调节滑动变阻器，分别记录下很多组对应的U、I值，在坐标纸上建立U—I坐标系，依据测量数据在坐标系中画出相应的点，作一条直线使之通过尽可能多的点，并使不在直线上的点尽可能均匀的分布在两旁。如图所示，延长这条直线，读出它与U轴相交点的值，此值即为断路时的路端电压，等于电源电动势
；这条直线与I轴的交点表示U=0（外电路短路）时的电流
，而且
=
/r，由此可计算出内阻r=
/I短。（在处理图像时，还要注意看纵轴坐标是否从零开始，若不是，此时直线与I轴的交点不再表示短路电流
，并且计算内阻时应用
。）
【实验器材】待测电源，电压表（0~3V），电流表（0~0.6A），滑动变阻器（10Ω），开关、导线若干。
【实验步骤】
1. 电流表用0.6A量程，电压表用3V量程，按实验原理图连接好电路。
2. 把滑动变阻器的滑动片移到使接入电路阻值最大的一端。
3. 闭合开关，调节滑动变阻器，使电流表有明显示数，记录一组数据（、
），用同样方法测量几组I、U的值并填入表格中。
4. 打开开关，整理好器材。
5. 处理数据，用计算法和图像法两种方法求出电动势和内电阻的值。
实验数据记录表
所测电源的电动势=_______V，内阻r=_______Ω。
【注意事项】
1. 为了使电池的路端电压变化明显，电池的内阻宜大些，可选用已使用过一段时间的1号干电池。
2. 干电池在大电流放电时，电动势会明显下降，内阻r会明显增大，故长时间放电不宜超过0.3A，短时间放电不宜超过0.5A。因此，实验中不要将I调得过大，读电表要快，每次读完立即断电。
3. 要测出不少于6组I、U数据，且变化范围要大些，用方程组求解时，要将测出的I、U数据中，第1和第4为一组，第2和第5为一组，第3和第6为一组，分别解出、r值再求平均。
4. 在画U—I图线时，要使较多的点落在这条直线上或使各点均匀分布在直线的两侧。个别偏离直线太远的点可舍去不予考虑。这样，就可使偶然误差得到部分的抵消，从而提高精确度。
5. 干电池内阻较小时路端电压U的变化也较小，即不会比电动势小很多，这时，在画U—I图线时，纵轴的刻度可以不从零开始，而是根据测得的数据从某一恰当值开始（横坐标I必须从零开始）。但这时图线和横轴的交点不再是短路电流。不过直线斜率的绝对值照样还是电源的内阻。
6. 在连接电路时要正确选用电压表和电流表的量程，并注意正确连接表上的“+”“－”接线柱。
7. 由于本实验的系统误差是由电压表的分流引起的，为了减小这个系统误差，滑动变阻器R的阻值应该小一些，所选用的电压表的内阻应该大一些。
【典型例题】
例题1、小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大，某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据（I和U分别表示小灯泡的电流和电压）：
（1）在方框中画出实验电路图。可用的器材有：电压表、电流表、滑线变阻器（变化范围0~10Ω）、电源、小灯泡、电键、导线若干。
（2）在坐标中画出小灯泡的U—I曲线。
（3）如果有一个电池的电动势是1.5V，内阻是2.0Ω。问：将本题中的灯泡接在该电池两端，小灯泡的实际功率是多少？（简要写出求解过程；若需作图，可直接画在上小题的方格图中）
【解析】
（1）采用滑动变阻器分压接法、电流表外接法
（2）描点作图：过原点的一条斜率逐渐增加的曲线
（3）在图中作出电源的U=－Ir图线，该图线与小灯泡的U－I曲线相交于一点，由此可得小灯泡工作的电流为0.35A，工作电压为0.8V，实际功率为0.28W
例题2、在用电流表和电压表测电源的电动势和内电阻的实验中，所用的电流表和电压表的内阻分别约为0.1Ω和1kΩ，如图为所需的实验器材。
（1）请你把它们连成实验电路，注意两个电表要选用适当量程，并要求变阻器的滑动片在左端时其电阻值最大。
（2）一位同学记录的6组数据见下表，试根据这些数据在图中画出U—I图线，根据图线求出电源的电动势和内电阻，所测电源的电动势=_______V，内阻r=_______Ω。
【解析】实物连线的时候注意，电流表选择0.6A，电压表选择3V，并且电压表连在滑动变阻器和电流表两端。
=1.46V r=0.72Ω
例题3、用一只电流表和一只电压表测电源的电动势和内电阻的实验电路有如下两种，如图所示，试分析分别采用两种电路测量时，系统误差的来源以及各自的误差情况。
【解析】采用电路甲图时，系统误差来源于电压表的分流，采用乙图时，系统误差来自电流表的分压。下面采用图像法分析采用两种不同的测量电路时，各自误差情况。无论采用哪种电路由闭合电路欧姆定律都可以得到U=－Ir图线。而对于图甲的电路应为：
即于点（U，I）对应的坐标应该为（U，
），因而各点的坐标调整如图虚线所示，很容易得到
、
，即电动势与内阻的测量值都比真实值小。而对于乙图同样的分析方法得到：
做得它的测量图像如图中的第二条虚线所示，很容易得到
、
。
没有平日的失败，就没有最终的成功。重要的是分析失败原因并吸取教训。
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/44e6a3a7cf2f0066f5335a8102d276a201296032.html
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