高中物理人教版 (新课标)选修3第二章 恒定电流综合与测试学案

 实验： 描绘小灯泡的伏安特性曲线

[学 习 目 标]　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。3.会正确选择实验器材和实验电路。4.掌握分析图线的方法，正确进行数据处理。

一、实验原理和方法

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，测出多组(U，I)值，在I­U坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连接起来。

2．据欧姆定律可知，在纯电阻电路中，电流I与电阻R两端的电压U成正比，即I＝，其I­U图线是一条过原点的直线。由于小灯泡的电阻随着温度的升高而增大，故小灯泡的伏安特性曲线应为曲线。

3．由于小灯泡的电阻很小，当它与电流表串联时，电流表的分压影响很大，为减小实验误差，应采用电流表“外接法”。

二、实验器材

小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、直流电源、开关、导线。

三、实验步骤

1．确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分压式接法，按图中的原理图连接好实验电路。

2．把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S。

3．移动滑动变阻器滑片位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中，断开开关S。

4.拆除电路，整理仪器。

四、数据处理

1．在坐标纸上以U为横轴，以I为纵轴，建立坐标系。

2．在坐标纸上描出各组数据所对应的点。(坐标系纵轴和横轴的标度要适中，以使所描图线充分占据整个坐标纸为宜)

3．将描出的点用平滑的曲线连接起来，就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、作图带来操作误差。

六、注意事项

1．电路的连接方式

(1)电流表应采用外接法：因为小灯泡的电阻很小，与0～0.6 A的电流表串联时，电流表的分压影响很大。

(2)滑动变阻器应采用分压式连接：目的是使小灯泡两端的电压能从零开始连续变化。

2．闭合开关S前，滑动变阻器的触头应移到使小灯泡分得电压为零的一端，使开关闭合时小灯泡的电压从零开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小灯泡两端电压过大而烧坏灯丝。

3．I­U图线在U0＝1.0 V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0 V左右绘点要密，以防出现较大误差。

4．当小灯泡的电压接近额定值时要缓慢增加，到额定值记录I后马上断开开关。

5．误差较大的点要舍去，I­U图线应是平滑曲线而非折线。

【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I­U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的＝1 250倍，故电流表采用了外接法。

[答案]　(1)描绘小灯泡的I­U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R­U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R­U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R­U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．为探究小灯泡L的伏安特性，连好如图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U­I图象应是(　　)

A　　　　　B　　　　C　　　　D

C　[小灯泡的电流逐渐增大时其温度升高，导致电阻增大，从U­I图象来看，曲线上的点与原点连线斜率增大，C正确，A、B、D错误。]

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，所用器材有：灯泡L、量程适当的电流表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开始变化。

(1)实验中滑动变阻器应采用________(选填“分压”或“限流”)接法。

(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，请指出其中仅有的两个不当之处，并说明如何改正。

A．________________________________________________；

B．_________________________________________________。

[解析]　(1)因为灯泡两端的电压要从0开始调节，所以滑动变阻器只能采用分压接法。

(2)在电路接好并检查是否正确连线之前，开关应处于断开状态，以免因接线错误而导致仪表损坏；连接分压电路时，小灯泡两端的电压应从最小值开始调节，故滑片应先处于b端。

[答案]　(1)分压　(2)A.开关S不应闭合，应处于断开状态　B．滑动变阻器滑片位置不当，应将其置于b端

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U­I数据：

(1)试在图上画出U­I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U­I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I­U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．有一个标有“12 V　24 W”的灯泡，为了测定它在不同电压下的实际功率和额定电压下的功率，需测定灯泡两端的电压和通过灯泡的电流，现有如下器材：

A．直流电源15 V(内阻可不计)

B．直流电流表0～0.6 A、0～3 A(内阻约0.5 Ω、0.1 Ω)

C．直流电流表0～300 mA(内阻约5 Ω)

D．直流电压表0～3 V、0～15 V(内阻约3 kΩ、15 kΩ)

E．直流电压表0～25 V(内阻约200 kΩ)

F．滑动变阻器10 Ω、5 A

G．滑动变阻器1 kΩ、3 A

(1)实验台上已放置开关、导线若干及灯泡，为了完成实验，需要从上述器材中再选用________(用序号字母表示)。

(2)在下面的虚线框内画出最合理的实验原理图。

(3)若测得灯丝电阻R随灯泡两端电压变化关系的图线如图所示，由这条曲线可得出：正常发光条件下，灯丝消耗的电功率是________。

[解析]　(1)由灯泡的额定电压为12 V、额定电流为2 A可知，电压表应选用D，电流表应选B，因灯泡电压由零开始变化，所以实验采用分压式电路，滑动变阻器应选阻值小些的，故选F，电源A是必选的。

(2)因＞，故应采用电流表外接法。滑动变阻器应用分压式连接，如图所示。

(3)由图可知，U＝12 V时，R＝6.2 Ω，故灯丝正常发光时的功率P＝≈23.2 W。

[答案]　(1)ABDF　(2)见解析图　(3)23.2 W