第32讲　实验七：描绘小灯泡的伏安特性曲线

考情剖析

实验储备一、描绘小灯泡的伏安特性曲线

(一)实验目的

1．描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．

(二)实验原理

1．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，测得多组(U、I)值，在U－I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，分析小灯泡的伏安特性．

2．电流表外接：因为小灯泡的电阻很小，如果电流表内接，误差明显较大．

(三)实验器材

小灯泡、电压表与电流表、滑动变阻器、学生低压直流电源(或电池组)、开关、导线若干、坐标纸、铅笔．

(四)实验步骤

1．根据小灯泡上标示的额定电压和额定电流，选用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．将滑动变阻器的触头移动到右端，闭合开关，调节滑动变阻器，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，整理仪器．

5．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．

6．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起来，得到小灯泡的伏安特性曲线．

(五)误差分析

1．由于电压表、电流表不是理想电表，电表内阻对电路的影响会带来误差．

2．电流表、电压表的读数带来误差，要严格按照读数规则读数．

3．在坐标纸上描点，作图带来误差．

(六)注意事项

1．电路的连接方式：电流表应采用外接法，滑动变阻器应采用分压式连接．

2．闭合开关前，滑片应移到使小灯泡的电压为0的一端．

3．在I­U图线弯曲处，绘点要密．

4．I­U图线上各点要用平滑曲线连接．

二、电阻的测量方法

在电学实验中，电阻的测量是一项重要的考查内容，由于测量方法较多，且考题题型多变，方法灵活，已成为高考设计性实验考查的热点．

方法1　等效替换法

连接电路如图所示，R为电阻箱，Rx为待测电阻，通过调节电阻箱R，使单刀双掷开关S分别接2和1时，电流表中的电流示数相同，则表明Rx＝R，即可测出Rx.

方法2　半偏法

半偏法测电阻的原理及注意事项如下：

方法3　差值法

利用串联电路的分压原理和并联电路的分流原理，常见设计图如图所示．甲图中电压表内阻，RVx＝(其中R0为电阻箱阻值)；图乙中电流表内阻RAx＝×R1(R1为定值电阻阻值)；图丙中Rx＝－(U1、I1分别为S2断开时的电压、电流，U2、I2分别为S2闭合时的电压、电流)．

技能优化　　【典型例题1】　小华和小明在“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验中，将实验数据记录在下表中：

　　(1)实验室有两种滑动变阻器供选择：

A．滑动变阻器(阻值范围0－10 Ω、额定电流3 A)

B．滑动变阻器(阻值范围0－2000 Ω、额定电流1 A)

实验中选择的滑动变阻器是______．(填写字母序号)

(2)在图甲中用笔画线代替导线，将实验电路连接完整．

(3)开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑至______(选填“左”或“右”)端．

(4)利用表中数据，在图乙中画出小灯泡的U­I图线．

甲

乙

(5)他们在U­I图象上找到小灯泡工作电压为2.0 V时坐标点，计算此状态的电阻值时，小明提出用图象上该点的曲线斜率表示小灯泡的阻值；小华提出该点与坐标原点连线的斜率表示小灯泡的阻值．你认为________(选填“小华”或“小明”)的方法正确．

【典型例题2】　某同学研究小灯泡的伏安特性，所使用的器材有：小灯泡L(额定电压3.8 V，额定电流0.32 A)；电压表V(量程3 V，内阻3 kΩ)；电流表A(量程0.5 A，内阻0.5 Ω)；固定电阻R0(阻值1000 Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0 Ω)；电源E(电动势5 V，内阻不计)；开关S；导线若干．

(1)实验要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，画出实验电路原理图．

(2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图(a)所示．

图(a)

图(b)

由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻______(选填“增大”、“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率________(选填“增大”、“不变”或“减小”)．

(3)用另一电源E0(电动势4 V，内阻1.00 Ω)和题给器材连接成图(b)所示的电路，调节滑动变阻器R的阻值，可以改变小灯泡的实际功率．闭合开关S，在R的变化范围内，小灯泡的最小功率为________W，最大功率为________W．(结果均保留2位小数)

【典型例题3】　为了测量一微安表头A的内阻，某同学设计了如图所示的电路．图中，A0是标准电流表，R0和RN分别是滑动变阻器和电阻箱，S和S1分别是单刀双掷开关和单刀开关，E是电池．完成下列实验步骤中的填空：

(1)将S拨向接点1，接通S1，调节________，使待测表头指针偏转到适当位置，记下此时________的读数I；

(2)然后将S拨向接点2，调节________，使____________________，记下此时RN的读数；

(3)多次重复上述过程，计算RN读数的________，此即为待测微安表头内阻的测量值．

【典型例题4】　测量一只量程已知的电压表的内阻，器材如下：

A．待测电压表(量程3 V，内阻约3 kΩ)

B．电流表(量程3 A，内阻0.01 Ω)

C．定值电阻(阻值5 kΩ，额定电流0.5 A)

D．电池组(电动势小于3 V，内阻可忽略)

E．开关两只

F．导线若干

要求从图甲、乙电路中选择一个电路，利用这个电路完成测量．

(1)你选______(选填“甲”或“乙”)电路，理由是______________________．

(2)实验中需要直接测量的物理量是______________________．电压表内阻的计算公式RV＝________.

(3)把图丙中所示各器材的实物图连成你所选的实验电路．

当堂检测　　1.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．

第1题图

2．某实验小组研究两个未知元件X和Y的伏安特性，使用的器材包括电压表(内阻约为3 kΩ)、电流表(内阻约为1 Ω)、定值电阻等．

第2题图1

(1)使用多用电表粗测元件X的电阻．选择“×1”欧姆挡测量，示数如图1(a)所示，读数为________Ω.据此应选择图1中的______(选填“b”或“c”)电路进行实验．

(2)连接所选电路，闭合S；滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，电流表的示数逐渐________(选填“增大”或“减小”)；依次记录电流及相应的电压；将元件X换成元件Y，重复实验．

第2题图2

(3)图2(a)是根据实验数据作出的U­I图线，由图可判断元件______(选填“X”或“Y”)是非线性元件．

(4)该小组还借助X和Y中的线性元件和阻值R＝21 Ω的定值电阻，测量待测电池的电动势E和内阻r，电路如图2(b)所示．闭合S1和S2，电压表读数为3.00 V；断开S2，读数为1.00 V，利用图2(a)可算得E＝________V，r＝________Ω(结果均保留两位有效数字，视电压表为理想电压表)．

3．某研究性学习小组的同学进行电学实验过程中发现了一个有趣的元件，它由A、B两导体并联组成，被封闭在一个透明的玻璃壳内，a、b是其两个外露的接线柱，如图所示，A是一个阻值为20 Ω的定值电阻，B是一种由特殊金属丝制成的导体，它的额定电压是9 V，为进一步探究该元件的某些特性，同学们设计了适当的电路，使该元件上的电压从零开始逐渐增加，测得相应的电流，并绘制了如图所示的I­U曲线．

(1)如图是该小组实验时连接的实物图，请将漏画的一根导线补上；

(2)由I­U曲线可求得导体B的额定电流为________A；随着电压逐渐增大，其电阻________．

(3)若把该元件与一阻值为18 Ω的定值电阻串联后接到电动势为9 V，内阻不计的电源两端，则该元件的实际功率约为________W.

第3题图

第32讲　实验七：描绘小灯泡

的伏安特性曲线

技能优化

·典型例题1·(1)A　(2)见图甲　(3)左　(4)见图乙　(5)小华

【解析】　(1)描绘小灯泡伏安特性曲线实验要求电压调节范围大，因此滑动变阻器采用分压式，为使调节过程中电压变化尽可能均匀，选用最大阻值较小的滑动变阻器A.(2) 实验电路图见图甲．(3) 滑动变阻器在最左端时，小灯泡电压最小，为了保护小灯泡不被烧坏，因此在闭合开关前，滑动变阻器的滑片应处在最左端．(4) 小灯泡的U­I图线见图乙．(5)该点与坐标原点连线的斜率表示该状态下小灯泡两端的电压与通过小灯泡的电流的比值，根据欧姆定律，就是该状态下小灯泡的阻值．所以小华的方法正确．

·典型例题2·(1)如图所示　(2)增大　增大　(3)0.39　1.17

【解析】　(1)要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，故滑动变阻器用分压式接法，小灯泡为小电阻，电流表用外接法，如答案图所示；

(2)由I­U图象知，切线的斜率在减小，故灯泡的电阻随电流的增大而增大，再由电阻定律R＝ρ知，电阻率增大；

(3)当滑动变阻器的阻值为9 Ω时，电路电流最小，灯泡实际功率最小，此时E＝U＋I

(r＋R)得U＝－10I＋4，在图中作出该直线如甲图所示，交点坐标约为U＝1.75 V，I＝225 mA，P1＝UI＝0.39 W；整理得：I＝

－U＋，当直线的斜率最大时，与灯泡的I­U曲线的交点坐标最大，即灯泡消耗的功率最大．当滑动变阻器电阻值R＝0时，灯泡消耗的功率最大，此时交点坐标为U＝3.67 V，I＝0.32 A，如乙图所示，最大的功率为P2＝UI＝1.17 W.

甲

乙

·典型例题3·(1)R0　标准电流表(或A0)(2)RN　标准电流表(或A0)的读数仍为I　(3)平均值　【解析】　当S接1与接2时通过电路的电流I相同，可知待测微安表头的内阻与RN的电阻相同．

·典型例题4·(1)乙　理由见解析　(2)电源电动势U1，断开S2后电压表示数U2　R　(3)如图所示

【解析】　(1)若用图甲，因实际电流小于1 mA，量程为3 A的电流表根本无法测量；而乙中电压表的内阻与电阻R的阻值相当，电池内阻又可忽略，故可用分压原理求，且尽可能减小测量误差．

(2)闭合S1、S2，记下U1，即为电源电动势，再断开S2，记下U2，则R上电压为U1－U2，由分压原理可得RV＝R.

(3)连线时，可先将S2与R并联后再与其他电器串联．

当堂检测

1．(1)①使它靠近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，直至电压达到额定电压　(2)如图所示　【解析】　(1)①滑动变阻器在最左端时，小灯泡电压最小，为了保护小灯泡不被烧坏，因此在闭合开关前，滑动变阻器的滑片应处在最左端．②在调节滑动变阻器时，应注意电压表的示数，不能超过小灯泡的额定电压；(2)实物电路图如图所示．

　　　　第1题图

2．(1)10　b　(2)增大　(3)Y　(4)3.2　0.50

【解析】　(1)欧姆表的读数R＝示数×倍率，得R＝10 Ω；根据实验电路产生误差的原因知应选用电流表外接，故选择“b”电路进行实验．

(2)滑动变阻器的滑片P从左向右滑动，R左增大，待测电阻两端的电压增大，所以电流表的示数增大．

(3)根据伏安特性曲线知，X为线性元件，Y为非线性元件，且RX＝10 Ω.

(4)由闭合电路欧姆定律：

S1、S2均闭合，有U1＝RX

S1闭合，S2断开，有U2＝RX

解以上两式得

r＝0.50 Ω，E≈3.2 V.

3．(1)如图所示　(2)0.09　增大　(3)0.99

　【解析】　(2)从图象中看出当电压是9 V时，电路中的总电流是0.54 A. Ig＝＝A＝0.45 A，IA＝0.54 A－0.45 A＝0.09 A．图象的斜率表示电阻的倒数，斜率变小，说明电阻增大；(3)将18 Ω作为电源的内阻，如图作出等效电源的伏安特性曲线；则交点为待测电阻的工作点；则由图象可知电路中总电流为0.33 A；电压为3 V；则功率P＝UI＝3×0.33＝0.99 W.

第3题图

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/69821da9f68a6529647d27284b73f242326c314a.html