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实验：测绘小灯泡的伏安特性曲线
[学习目标]　1.理解电流表的内接法和外接法，并会进行正确选择.2.理解滑动变阻器的两种接法，能进行正确地应用.3.学会描绘小灯泡的伏安特性曲线并掌握分析图线的方法.

一、电流表的内接法和外接法的比较
1.两种接法的比较

内接法
外接法
电路

误差分析
电压表示数
UV＝UR＋UA＞UR
电流表示数IA＝IR
R测＝＞＝R真
电压表示数
UV＝UR
电流表示数
IA＝IR＋IV＞IR
R测＝＜＝R真
误差来源
电流表的分压作用
电压表的分流作用
2.电流表内、外接的选择方法
(1)直接比较法：当Rx≫RA时，采用内接法，当Rx≪RV时，采用外接法，即大电阻用内接法，小电阻用外接法，可记忆为“大内小外”.
(2)公式计算法
当Rx＞时，用电流表内接法，
当Rx＜时，用电流表外接法，
当Rx＝时，两种接法效果相同.
(3)试触法：

图1
如图1，把电压表的可动接线端分别试接b、c两点，观察两电表的示数变化，若电流表的示数变化明显，说明电压表的分流作用对电路影响大，应选用内接法，若电压表的示数有明显变化，说明电流表的分压作用对电路影响大，所以应选外接法.
二、滑动变阻器两种接法的比较

限流式
分压式
电路组成

变阻器接入电路的特点
采用“一上一下”的接法
采用“两下一上”的接法
调压范围
～E(不计电源内阻)
0～E(不计电源内阻)
适用情况
负载电阻的阻值Rx与滑动变阻器的总电阻R相差不多，或R稍大，且电压、电流变化不要求从零调起
(1)要求负载上电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调
(2)负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器的总电阻R
三、测绘小灯泡的伏安特性曲线
1.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，测出多组(U，I)值，在I－U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，即得小灯泡的伏安特性曲线，电路图如图2所示.

图2
2.实验器材
学生电源(4～6 V直流)或电池组、小灯泡(“4 V　0.7 A”或“3.8 V　0.3 A”)、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干、铅笔、坐标纸.
3.实验步骤
(1)根据小灯泡上所标的额定值，确定电流表、电压表的量程，按图3所示的电路图连接好实物图.(注意开关应断开，滑动变阻器与小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.
(3)用同样的方法测量并记录几组U和I，填入下表.
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
电压U/V

电流I/A

(4)断开开关，整理好器材.
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)在坐标纸中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，就得到小灯泡的伏安特性曲线.
5.实验结果与数据分析
(1)结果：描绘出的小灯泡灯丝的伏安特性曲线不是直线，而是向横轴弯曲的曲线.
(2)分析：灯泡灯丝的电阻随温度变化而变化.曲线向横轴弯曲，即斜率变小，电阻变大，说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大.
6.注意事项
(1)因I－U图线是曲线，本实验要测出多组包括零在内的电压值、电流值，因此滑动变阻器应采用分压式接法.
(2)由于小灯泡的电阻较小，故采用电流表外接法.
(3)画I－U图线时纵轴、横轴的标度要适中，使所描绘图线占据整个坐标纸为宜，不要画成折线，应该用平滑的曲线连接，对个别偏离较远的点应舍去.

一、实验原理的理解和实验电路、实验器材的选择
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I－U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3________(选填“甲”或“乙”)的电路图来完成实验，请说明理由：
________________________________________________________________________.

图3
(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)请根据(1)中所选电路，把图4中所示的实验器材用实线连接成实物电路图.

图4
答案　(1)甲　描绘小灯泡的I－U图线所测数据需从零开始，并要多测几组数据
(2)A　D　E　(3)如图所示

解析　因实验目的是要测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，故采用题图甲所示的分压式电路合适，这样小灯泡两端的电压可以从零开始调节，且能方便地测出多组数据.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F的最大阻值远大于小灯泡内阻8 Ω，调节不方便，电压变化与滑动变阻器使用 部分的长度线性关系差，故舍去，则应选E.小灯泡电阻为电流表内阻的＝20倍，电压表内阻是小灯泡电阻的＝1 250倍，故电流表采用了外接法.
二、实验数据的处理
例2　图5甲为“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡的额定电压为3 V.

图5
(1)在图乙方框图中画出与实物电路相对应的电路图.
(2)完成下列实验步骤：
①闭合开关前，调节滑动变阻器的滑片，滑片应停留在滑动变阻器的最________(选填“左”或“右”)端；
②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；
③记录如下8组U和I的数据，断开开关.根据实验数据在图丙方格纸上作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线.
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
小灯泡发
光情况
不亮　　 微亮　　　 　逐渐变亮　　 正常发光
(3)数据分析：
①从图线上可以得知，当电压逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是___________________.
②图线表明导体的电阻随温度的升高而________.
③小灯泡正常工作时的电阻约为________.(保留到小数点后一位)
答案　(1)见解析图　(2)①左　③见解析图
(3)①先不变，后逐渐增大　②增大　③14.6 Ω
解析　(1)与实物电路相对应的电路图如图所示.

(2)①为保护电路安全，开关闭合之前，题图甲中滑动变阻器的滑片应该置于最左端.
③根据表格中的数据，画出小灯泡的I－U图线如图所示.

(3)①从图线上可以得知，当电压逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是先不变，后逐渐增大.
②图线表明导体的电阻随温度的升高而增大.
③根据I－U图线可得电压U＝3 V时，I＝0.205 A，所以小灯泡正常工作时的电阻约为R＝ Ω≈14.6 Ω.

1.首先要根据表中数据选择合适的标度；
2.描点后用平滑的曲线连接，个别偏离较远的点应舍去.

1.在图6中，甲、乙两图分别为测灯泡电阻R的电路图，下列说法不正确的是(　　)

图6
A.甲图的接法叫电流表外接法，乙图的接法叫电流表内接法
B.甲中R测>R真，乙中R测R越小，电压表分流越小，误差越小，因此这种接法适合测小电阻；题图乙由于电流表的分压，导致电压的测量值偏大.由R＝得R测＞R真，R越大，电流表的分压越小，误差越小，因此这种接法适用于测大电阻，B错误，C、D正确；故选B.
2.在测绘小灯泡的伏安特性曲线实验中，所用器材有：小灯泡L、量程恰当的电流表A和电压表V、直流电源E、滑动变阻器R、开关S等，要求小灯泡两端电压从0开始变化.
(1)实验中滑动变阻器应采用____________接法(填“分压”或“限流”).
(2)某同学已连接如图7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2个不当之处，并说明如何改正.

图7
①________________________________________________________________________.
②________________________________________________________________________.
答案　(1)分压　(2)①开关S不应闭合，应处于断开状态
②滑动变阻器滑动触头P位置不当，应将其置于b端

1.有一未知电阻Rx，为较准确地测出其阻值，先后用图1中甲、乙两种电路进行测试，利用甲图测得的数据是“2.8 V　5.0 mA”，而用乙图测得的数据是“3.0 V　4.0 mA”，那么该电阻测得的较为准确的情况是(　　)

图1
A.560 Ω，偏大 B.560 Ω，偏小
C.750 Ω，偏小 D.750 Ω，偏大
答案　D
解析　由于＝＜＝，即电流表的变化大，电压表的分流作用大，根据试触法的原则，可知用电流表内接法比较准确，用题图乙电路，此时电阻为R＝＝＝750 Ω.在电流表的内接法中，测量值大于真实值，故选D.
2.要测绘一个标有“3 V　0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线，灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3 V，并便于操作.已选用的器材有：
电池组(电动势为4.5 V)；
电流表(量程为0～250 mA，内阻约5 Ω)；
电压表量程为0～3 V，内阻约3 kΩ)；
开关一个、导线若干.
(1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的________(填字母代号).
A.滑动变阻器(最大阻值20 Ω，额定电流1 A)
B.滑动变阻器(最大阻值1 750 Ω，额定电流0.3 A)
(2)实验的电路图应选用下列图中的________(填字母代号).

答案　(1)A　(2)B
解析　(1) 根据“灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3 V，并便于操作”可知控制电路必定为“分压电路”，而“分压电路”需要用总阻值较小的滑动变阻器，故选A.
(2)在(1)中已经明确了控制电路，然后要选择电流表的接法，题中＝＝3，而＝＝200，可知电压表的分流作用不如电流表的分压作用明显，故而应选择电流表的外接法，综上可知电路图应选用图B.
3.图2是小组同学在做“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图.

图2

图3
(1)根据图2在虚线框中画出实验电路图；

(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3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　见解析
解析　(1)由实物连接图可知电路图如图所示.

(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0.28 V，根据欧姆定律R1＝＝≈8.3 Ω，R2＝＝ Ω＝2.8 Ω.
4.“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，提供的实验器材有：
A.小灯泡(额定电压为3.8 V，额定电流约为0.3 A)
B.电流表A(0～0.6 A，内阻约为0.5 Ω)
C.电压表V(0～6 V，内阻约为5 kΩ)
D.滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)
E.滑动变阻器R2(0～100 Ω，0.2 A)
F.电源(6 V，内阻不计)
G.开关及导线若干
(1)实验中滑动变阻器选________(填“R1”或“R2”).
(2)该同学设计了实验测量电路，通过改变滑动变阻器滑片的位置，使电流表的读数从零开始变化，记录多组电压表的读数U和电流表的读数I.请在图4甲中用笔画线代替导线将实验电路连接完整.

图4
(3)该同学根据实验数据作出了如图乙所示的U－I图像，根据图像可知小灯泡的电阻随着电流的增大而________(填“增大”、“减小”或“不变”).
答案　(1)R1　(2)如图所示　(3)增大

解析　“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验应该设计成分压电路，滑动变阻器选择阻值范围小的R1.由于小灯泡电阻小，采用电流表外接法.根据图像可知小灯泡的电阻随着电流的增大而增大.
5.在做“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验时，所用器材有：电动势为6 V的电源，额定电压为2.5 V的小灯泡，以及符合实验要求的滑动变阻器、电表、开关和导线.要求能测出尽可能多组数据，如图5是没有连接完的实物电路.(已连接好的导线有a、b、c、d、e、f六根)

图5
(1)请你用笔画线代替导线，将实物电路连接完整；
(2)连好电路，闭合开关，移动变阻器滑片P，发现小灯泡始终不亮，但电压表有示数，电流表几乎不偏转，则故障的原因可能是
___
(3)排除故障后闭合开关，移动滑片P到某处，电压表的示数为2.2 V，若要测量小灯泡的额定功率，应将滑片P向________端滑动(选填“左”或“右”)；
(4)图线是曲线而不是过原点的直线，原因是_______________________________________.
答案　(1)连线如图

(2)c段导线断路或灯泡灯丝断了
(3)右
(4)灯丝的电阻会随温度的升高而增大
解析　(1)测绘小灯泡的伏安特性曲线要求滑动变阻器使用分压式接法，这样能使小灯泡两端的电压从零开始逐渐增大，小灯泡电阻与电流表内阻往往相差不大，而且由于实物图中已经将电压表负极与电流表和灯泡的左端连接好，只能将电压表与灯泡直接并联，采用电流表的外接法，这样误差较小.
(2)由于整个电路分成两条支路，电压表这条支路无故障，而灯泡这个支路出故障，只能是灯泡的灯丝断了或c段导线断路所致，导致电压表直接接入干路，电阻过大，滑动变阻器无法控制电流，电流表几乎不偏转.
(3)小灯泡的额定电压为2.5 V，要增大电压必须调节滑动变阻器，让滑动变阻器与小灯泡并联部分的电压增大，所以P要向右滑动.
(4)从伏安特性曲线可以看出，电压升高时，电压表示数与电流表示数的比值增大，故曲线说明了灯丝的电阻随着温度升高而增大.
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