描绘小灯泡的伏安特性曲线实验讲义.doc

基本实验要求
1．实验原理
(1)测多组小电珠的U、I的值，并绘出I－U图象；
(2)由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系．
2．实验器材
小电珠“3.8 V,0.3 A”、电压表“0～3 V～15 V”、电流表“0～0.6 A～3 A”、滑动变阻器、学生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔．
3．实验步骤
(1)画出电路图(如实验原理图甲)．
(2)将小电珠、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如实验原理图乙所示的电路．
(3)测量与记录
移动滑动变阻器触头位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入自己设计的表格中．
(4)数据处理
①在坐标纸上以U为横轴，I为纵轴，建立直角坐标系．
②在坐标纸上描出各组数据所对应的点．
③将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小电珠的伏安特性曲线．
4．实验器材选取
(1)原则：①安全；②精确；③操作方便．
(2)具体要求
①电源允许的最大电流不小于电路中的实际最大电流．干电池中电流一般不允许超过0.6 A.
②用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流．
③电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值．
④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的以上．
⑤从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器．
规律方法总结
1．滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比较
两种接法的电路图

负载R上电压的调节范围
≤U≤E
0≤U≤E
负载R上电流的调节范围
≤I≤
0≤I≤
2.两种接法的适用条件
(1)限流式接法适合测量阻值较小的电阻(跟滑动变阻器的最大电阻相比相差不多或比滑动变阻器的最大电阻还小)．
(2)分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的最大电阻要大)．
3．注意事项
(1)电路的连接方式：
①电流表应采用外接法：因为小电珠(3.8 V,0.3 A)的电阻很小，与量程为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接法：目的是使小电珠两端的电压能从0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电珠分得电压为0的一端，使开关闭合时小电珠的电压能从0开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏灯丝．
(3)I－U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．误差分析
(1)由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，会带来误差，电流表外接，由于电压表的分流，使测得的电流值大于真实值．
(2)测量时读数带来误差．
(3)在坐标纸上描点、作图带来误差．
考点一　实验原理与电路设计
1．[电表读数及实验电路](2015·浙江理综·22)图1是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图．

图1

图2
(1)根据图1画出实验电路图；
(2)调节滑动变阻器得到了两组电流表与电压表的示数如图2中的①、②、③、④所示，电流表量程为0.6 A，电压表量程为3 V．所示读数为：①________、②________、③________、④________.两组数据得到的电阻分别为________和________．
答案　(1)见解析图　(2)①0.10 A　②0.24 A
③2.00 V　④0.27 V　8.3 Ω(8.3±0.1 Ω均可)　2.7 Ω(2.7±0.1 Ω均可)[如填为2.7 Ω(2.7±0.1 Ω均可)
8．3 Ω(8.3±0.1 Ω均可)也行]
解析　(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线需要测量电压范围大，变阻器用分压式接法，小灯泡电阻比较小，电流表要外接，电路图如图所示．

(2)电流表量程为0.6 A时，最小刻度为0.02 A，读数读到小数点后两位，所以①表示数为0.10 A，②表示数为0.24 A；电压表量程为3 V，最小刻度为0.1 V，应估读到0.01 V，所以③表示数为2.00 V，④表示数为0.27 V，根据欧姆定律R1＝＝＝8.3 Ω，R2＝＝ Ω＝2.7 Ω.
2．[器材选取和电路设计]小亮同学为研究某电学元件(最大电压不超过2.5 V，最大电流不超过0.55 A)的伏安特性曲线，在实验室找到了下列实验器材：
A．电压表(量程3 V，内阻6 kΩ)
B．电压表(量程15 V，内阻30 kΩ)
C．电流表(量程0.6 A，内阻0.5 Ω)
D．电流表(量程3 A，内阻0.1 Ω)
E．滑动变阻器(阻值范围0～5 Ω，额定电流为0.6 A)
F．滑动变阻器(阻值范围0～100 Ω，额定电流为0.6 A)
G．直流电源(电动势E＝3 V，内阻不计)
H．开关、导线若干．
该同学设计电路并进行实验，通过实验得到如下数据(I和U分别表示电学元件上的电流和电压).
I/A
0
0.12
0.21
0.29
0.34
0.38
0.42
0.45
0.47
0.49
0.50
U/V
0
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00

(1)为了提高实验结果的准确程度，电流表选________________；电压表选________________；滑动变阻器选________________．(以上均填写器材代号)
(2)请在虚线框中画出实验电路图．

答案　(1)C　A　E　(2)见解析图
解析　(1)从表格中的实验数据可知，电流测量值I的范围为0～0.50 A，电压测量值U的范围为0～2.00 V，因此电流表应选C，电压表应选A.因为本实验要测量多组(U，I)值，需使电压U连续变化，因此，滑动变阻器应接成分压式，故选阻值较小的滑动变阻器E.
(2)由表格中的数据，根据R＝，估算电学元件的电阻值大约为几欧，因此电流表外接．电路图如图所示．

3．[器材选取和电路设计]要测绘一个标有“6 V　2.5 W”小灯泡的伏安特性曲线，要求多次测量尽可能减小实验误差，备有下列器材：
A．直流电源(6 V，内阻未知)
B．电流表G(满偏电流3 mA，内阻Rg＝10 Ω)
C．电流表A(0～0.6 A，内阻未知)
D．滑动变阻器R(0～20 Ω，5 A)
E．滑动变阻器R′(0～200 Ω，1 A)
F．定值电阻R0(阻值1 990 Ω)
G．开关与导线若干
(1)由于所给实验器材缺少电压表，某同学直接把电流表G作为电压表使用测出小灯泡两端电压，再用电流表A测出通过小灯泡的电流，从而画出小灯泡的伏安特性曲线，该方案实际上不可行，其最主要的原因是_________________________________________________
________________________________________________________________________.
(2)为完成本实验，滑动变阻器应选________(填器材前的序号)．
(3)请在图3中完成本实验的实物电路图的连线．

图3
答案　(1)电流表G分压较小，导致电流表A指针偏转很小，误差较大　(2)D　(3)如图所示

解析　(1)电流表G测量电压范围太小，导致电流表A指针偏转很小，误差较大．
(2)、(3)由于满足灯泡电阻和电流表内阻接近，所以电流表应用外接法，由于伏安特性曲线中的电压和电流均要从0开始测量，所以滑动变阻器应采用分压式接法，故滑动变阻器应选D，实物电路图的连线如图所示．

电学实验电路设计的思路与方法
1．首先应明确题目的要求，看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或要求设计达到何种标准的电路等．其设计原则是：安全、方便、经济．
2．在测量电路中，一般有电流表内接和外接两种方法，对于给定电表内阻的情况，应先比较R0与待测电阻Rx的关系，其中R0＝，若Rx>R0，则设计为电流表内接法；若Rx<R0，则设计为电流表外接法；若电表量程不合适，往往还要用定值电阻对电表进行改装．
3．控制电路分滑动变阻器的分压式和限流式两种接法，两种接法的选择方法如下：
(1)采用限流式接法时不能控制电流(或电压)满足实验要求，即滑动变阻器阻值调到最大，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(或额定电压)，则必须选用分压式接法．
(2)若待测电阻的阻值比滑动变阻器的最大电阻大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片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，应改用分压式接法．
(3)若实验中要求测量电路中电压从0开始变化，则必须采用分压式接法．
(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．
考点二　数据处理及误差分析
4．[实物连接及数据处理](2015·福建理综·19(2))某学习小组探究一小电珠在不同电压下的电功率大小，实验器材如图4甲所示，现已完成部分导线的连接．
①实验要求滑动变阻器的滑片从左到右移动过程中，电流表的示数从零开始逐渐增大，请按此要求用笔画线代替导线在图甲实物接线图中完成余下导线的连接；

图4
②某次测量，电流表指针偏转如图乙所示，则电流表的示数为________A；
③该小组描绘出的伏安特性曲线如图丙所示，根据图线判断，将________只相同的小电珠并联后，直接与电动势为3 V、内阻为1 Ω的电源组成闭合回路，可使小电珠的总功率最大，其总功率的值约为________W(保留两位小数)．
答案　①连线如图所示　②0.44　③4　2.25

解析　②由题图乙知电流表量程为0.6 A，所以读数为0.44 A；③电源内阻为1 Ω，所以当外电路总电阻等于电源内阻时，电源的输出功率最大，即小电珠的总功率最大，此时外电路电压等于内电压等于1.5 V，由题图丙知当小电珠电压等于1.5 V时电流约为0.38 A，此时电阻约为R＝＝3.95 Ω≈4 Ω，并联后的总电阻为1 Ω，所以需要4个小电珠并联，小电珠消耗的总功率约为P＝＝ W＝2.25 W.
5．[两种图线结合处理实验数据]由金属丝制成的电阻器阻值会随温度的升高而变大．某同学为研究这一现象，亲自动手通过实验描绘这样一个电阻器的伏安特性曲线．可供选择的实验器材有：
A．待测电阻器Rx(2.5 V,1.2 W)
B．电流表A(0～0.6 A，内阻为1 Ω)
C．电压表V(0～3 V，内阻未知)
D．滑动变阻器(0～10 Ω，额定电流为1 A)
E．电源(E＝3 V，内阻r＝1 Ω)
F．定值电阻R0(阻值为5 Ω)
G．开关一个和导线若干
(1)实验时，该同学采用电流表内接法，并且电阻器两端电压从零开始变化，请在方框内画出实验电路图．

(2)按照正确的电路图，该同学测得实验数据如下：
I/A
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.48
U/V
0.25
0.40
0.60
0.90
1.25
1.85
2.50
3.00
UR/V

其中，I是电流表的示数，U是电压表的示数，UR是电阻器两端的实际电压．请通过计算补全表格中的空格，然后在图5中画出电阻器的伏安特性曲线．

图5
(3)该同学将本实验中的电阻器Rx以及给定的定值电阻R0二者串联起来，接在本实验提供的电源两端，则电阻器的实际功率是________W．(结果保留两位小数)
答案　见解析
解析　(1)要使电阻器两端电压从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法．电路图如图甲所示．

(2)电压表的示数减去电流表的分压即为电阻器两端的电压：UR＝U－Ir，数据如下表．电阻器的伏安特性曲线如图乙中曲线所示．
UR/V
0.10
0.20
0.35
0.60
0.90
1.45
2.05
2.52
(3)由UR＋I(r＋R0)＝E作出U－I图象如图乙中直线所示，由此图象与电阻器U－I图线的交点可得此时电阻器的电压UR＝0.9 V，电流I＝0.35 A，电阻器的实际功率为P＝URI≈0.32 W.

电源与小灯泡的伏安特性曲线结合法
电源对电路中小灯泡供电工作，显然路端电压与电路中电流满足关系U＝E－Ir，整理可得I＝－，即可作出一条电源的伏安特性曲线．同时流经小灯泡的电流与其两端电压满足小灯泡的伏安特性曲线，两线的交点既符合闭合电路的欧姆定律，又满足小灯泡的伏安特性曲线特点，即为所求的电流与电压值．
考点三　实验拓展与创新
6．[实验创新]LED二极管的应用是非常广泛的，2014年诺贝尔物理学奖被授予了日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二，以表彰他们发明了蓝色发光二极管(LED)，并因此带来的新型节能光源．某同学想要描绘某发光二极管的伏安特性曲线，实验测得它两端的电压U和通过它的电流I的数据如下表所示.
U/V
0.0
0.40
0.80
1.20
1.60
2.00
2.40
2.80
I/mA
0.0
0.9
2.3
4.3
6.8
12.0
19.0
30.0
实验室提供了以下器材：
A．电压表(量程0～3 V，内阻约20 kΩ)
B．电压表(量程0～15 V，内阻约100 kΩ)
C．电流表(量程0～50 mA，内阻约40 Ω)
D．电流表(量程0～0.6 A，内阻约2 Ω)
E．滑动变阻器(阻值范围0～20 Ω，允许最大电流2 A)
F．电源(电动势6 V，内阻不计)
G．开关，导线若干

图6
(1)该同学做实验时，电压表选用的是_______，电流表选用的是_______(填选项字母)．
(2)如图6甲中的实物连线已经连了部分电路，请按实验要求将实物图中的连线补充完整．
(3)根据表中数据，请在图乙中画出该二极管的I－U图线．
(4)若此发光二极管的最佳工作电流为15 mA，现将此发光二极管与电动势为3 V、内阻不计的电池组相连，还需串联一个阻值R＝________ Ω的电阻，才能使它工作在最佳状态．(结果保留两位有效数字)
答案　(1)A　C　(2)见解析图甲　(3)见解析图乙　(4)53
解析　(1)根据实验数据表可知电压最大为2.80 V，最大电流为30.0 mA，所以电压表应选择A，电流表应选择C.
(2)通过估算二极管的阻值可知满足>，所以电流表应用外接法．
由于电流、电压从零开始调节，所以滑动变阻器应采用分压式接法，连线图如图甲所示．

甲
(3)画出的I－U图象如图乙所示

乙
(4)根据闭合电路欧姆定律应有I＝，由I－U图象可读出I＝15 mA时对应的电压U＝2.2 V，可求出Rx≈146.7 Ω，代入数据解得R≈53 Ω.
7．[实验拓展](2013·江苏单科·10)为探究小灯泡的电功率P和电压U的关系，小明测量小灯泡的电压U和电流I，利用P＝UI得到电功率，实验所使用的小灯泡规格为“3.0 V　1.8 W”，电源为12 V的电池，滑动变阻器的最大阻值为10 Ω.

图7
(1)准备使用的实物电路如图7所示，请将滑动变阻器接入电路的正确位置．(用笔画线代替导线)
(2)现有10 Ω、20 Ω和50 Ω的定值电阻，电路中的电阻R1应选________Ω的定值电阻．
(3)测量结束后，应先断开开关，拆除________两端的导线，再拆除其他导线，最后整理好器材．
(4)小明处理数据后将P、U2描点在坐标纸上，并作出了一条直线，如图8所示，请指出图象中不恰当的地方．

图8
答案　(1)如图所示

(2)10　(3)电池　(4)图线不应画为直线；横坐标的标度选择不合适．
解析　(1)由于电压调节范围大，因此滑动变阻器用分压式接法；由于小灯泡的额定电流I＝＝0.6 A，因此电流表选用0.6 A的量程．
(2)电路中定值电阻起保护作用，电池的电动势为12 V，小灯泡的内阻为R＝＝ Ω＝5 Ω，因此小灯泡和滑动变阻器并联后的最大电阻为 Ω＝ Ω，要使小灯泡两端的电压能达到3 V，由＝可知，R1不能超过10 Ω，所以R1应选10 Ω的定值电阻．
(3)测量结束后，应先断开开关，拆除电池两端的导线，防止电池出现短路以致被烧毁．
(4)由P＝U2知，图象的斜率是变化的，因此图线应是一条曲线．画图线取标度时，应使点尽可能分布在整个坐标纸上，显然该同学的横坐标的标度选择不合适．