高中物理 第二章 第5讲 实验 描绘小灯泡的伏安特性曲线教学案 新人教版选修31.docx

高中物理 第二章 第5讲 实验 描绘小灯泡的伏安特性曲线教学案 新人教版选修31.docx

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高中物理第二章第5讲实验描绘小灯泡的伏安特性曲线教学案新人教版选修31

重庆市万州区分水中学高中物理第二章第5讲实验描绘小灯泡的伏安特性曲线教学案新人教版选修3-1

[目标定位]　1.会正确选择实验器材和实验电路.2.描绘小灯泡的伏安特性曲线并掌握分析图线的方法．

1．实验原理

由于通过小灯泡的电流越大，灯丝的温度越高，灯丝的电阻率随温度的升高而增大，因此灯丝的电阻随温度的升高而增大．由R＝

得，在IU坐标系中，图

线上点与原点连线的斜率等于电阻的倒数，故画出的小灯泡的IU图线为曲线．

2．实验器材

学生电源（4～6V直流）或电池组、小灯泡（“4V　0.7A”或“3.8V　0.3A”）、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干、铅笔、坐标纸．

3．在方框中画出小灯泡伏安特性曲线的电路图．

想一想　小灯泡的伏安特性曲线是向上弯曲的还是向下弯曲的？

答案　因为灯泡的电阻随温度的升高而增大，又因为图线的斜率表示小灯泡电阻的倒数，所以小灯泡的伏安特性曲线是向下弯曲的曲线.

一、探究实验原理

1．电流表的内接法和外接法的比较

内接法

外接法

电路图

误差原因

电流表的分压

电压表的分流

测量值和真实值的比较

R测＝

＝Rx＋RA

测量值大于真实值

R测＝

＝

测量值小于真实值

适用于测量

测大电阻，或

＞

测小电阻或

＞

2.滑动变阻器的两种接法比较

接法项目

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

续表

调压范围

～U

0～U

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

二、实验过程

1．实验步骤

图251

（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251所示的电路图连接好实物图．

（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．

2．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．（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．

3．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：

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．

4．误差分析

（1）系统误差：

由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，对电路的影响会带来误差．

（2）测量误差：

测量时读数带来误差．

（3）作图误差：

在坐标纸上描点、作图带来误差．

5．注意事项

（1）本实验要作IU图线，要求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IU图线时纵轴、

横轴的标度要适中，以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．

典例分析

例1

　有一个小灯泡上标有“4V,2W”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的IU图线．现有下列器材供选用：

A．电压表（0～5V，内阻10kΩ）

B．电压表（0～15V，内阻20kΩ）

C．电流表（0～3A，内阻1Ω）

D．电流表（0～0.6A，内阻0.4Ω）

E．滑动变阻器（10Ω，2A）

F．滑动变阻器（500Ω，1A）

G．学生电源（直流6V）、开关、导线若干

图252

（1）实验时，选用图252中甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

（2）实验中所用电压表应选________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________．（用序号字母表示）

（3）把图253中所示的实验器材用实线连接成实物电路图．

图253

答

案　

（1）描绘灯泡的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）如下图所示．

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，故采用图甲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4V，则电压表选0～5V的A而舍弃0～15V的B，因15V的量程太大，读数误差大，小灯泡的额定电流I＝0.5A，则电流表只能选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，电压变化与变阻器使用部分的长度线性关系差，故舍去．小灯泡内阻为电流表内阻的

＝20倍，电压表内阻是小灯泡的

＝1250倍，故电流表采用了外接法．

例2

　某同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中得到如下表所示的几组U和I的数据：

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

（1）在图254中画出IU图象．

图254

（2）从图象上可以看出，当电压逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是________________．

（3）这表明小灯泡的电阻随温度的升高而________．

答案　

（1）IU图象见解析图　

（2）开始时不变，后来增大

（3）增大

解析　画出IU图象如图所示，曲线开始呈直线状说明开始时电阻不变，后来逐渐靠近U轴说明电阻增大．

（时间：

60分钟）

1．在图255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255

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

C．甲中误差由电压表分流引起，为了减小误差，应使R≪RV，故此法测较小电阻好

D．乙中误差由电流表分压引起，为了减小误差，应使R≫RA，故此法测较大电阻好

答案　B

解析　甲图叫做电流表的外接，乙图叫做电流表的内接，A正确；甲图由于电压表的分流导致电流的测量值偏大，由R＝

可知，R测＜R真；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；乙图由于电流表的分压，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.

图256

2．伏安法测电阻，当被测电阻的阻值不能估计时，可采用试接的办法，如图256所示，让电压表一端接在电路上a点，另一端先后接到b点和c点．注意观察两个电表的示数，若电流表的示数有显著变化，则待测电阻的阻值跟________表的内阻可比拟，电压表的

两端应接在a和________点．若电压表的示数有显著变化，则待测电阻的阻值跟________表的内阻可比拟，电压表应接在a和________两点．

答案　电压　c　电流　b

解析　若电流表示数变化明显，说明电压表的分流作用较大，即说明电压表的内阻不是很大，则待测电阻的阻值跟电压表的内阻可比拟，应采用电流表内接法，即电压表的两端应接在a和c之间；若电压表示数变化明显，说明电流表的分压作用较明显，即电流表的内阻与待测电阻可比拟，应采用电流表的外接法，即电压表应接在a、b之间．

3．LED发光二极管具有体积小、亮度高、能耗低、寿命长等诸多优点，被人们誉为本世纪的新型光源，已广泛应用到电脑、手机等电子产品中．有一种LED手灯就是用几个发光二极管并联后作为光源使用的，其发光效率很高．它在正常工作时，正向电压约2.8V，电流在10mA左右．现取这样一只发光二极管（电路符号可用—

—表示），测量它的伏安特性，提供的实验器材如下：

A．电源E（电动势为4V，内阻约为2Ω）

B．滑动变阻器R0（阻值0～2Ω）

C．电流表A1（量程15mA，内阻约为10Ω）

D．电流表A2（量程0.6A，内阻约为5Ω）

E．电压表V1（量程3V，内阻约为1kΩ）

F．电压表V2（量程3V，内阻约为10kΩ）

G．开关及导线若干

则：

（1）电流表应选________、电压表应选________．

（2）并在方框中画出电路图．

答案　

（1）C（或A1）　E（或V1）

（2）电路图如图所示

4．在探究小灯泡的伏安特性实验中，所用器材有：

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、电键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________接法（填“分压”或“限流”）．

（2）某同学已连接如图257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257

①________________________________________________________________________.

②________________________________________________________________________.

答案　

（1）分压

（2）①电键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a端

5．如图258甲所示为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的IU关系曲线图．

（1）为了通过测量得到如图甲所示IU关系的完整曲线，在图乙和图丙两个电路中应选择的是图________，简要说明理由：

_______________________________________________.

（电源电动势为9V，内阻不计，滑动变阻器的阻值为0～100Ω）

（2）在如图丁所示的电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1＝250Ω.由热敏电阻的IU关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为______V；电阻R2的阻值为________Ω.

甲　　　　　　　　　乙

丙　　　　　　丁

图258

答案　

（1）乙　图乙加在热敏电阻两端的电压可以从零调到所需电压　

（2）5.2　111.8

解析　

（1）图乙的滑动变阻器用的是分压式接法，加在热敏电阻两端的电压可以从零调到所需电压，从而能够得到完整IU图线，故选图乙．

（2）通过R1的电流为I1＝

＝

A＝36mA，通过热敏电阻的电流I2＝I－I1＝（70－

36）mA＝34mA，由图甲可知热敏电阻两端的电压为5.2V，电阻R2＝

Ω≈111.8Ω.

6．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的实验仪器如下：

小灯泡L，“3.8V、0.3A”

电压表V，量程0～5V，内阻5kΩ

电流

表A1，量程0～100mA，内阻4Ω

电流表A2，量程0～500mA，内阻0.4Ω

滑动变阻器R1，最大阻值10Ω，额定电流1.0A

滑动变阻器R2，最大阻值5Ω，额定电流0.5A

直流电源E，电动势约为6V，内阻约为0.5Ω

（1）在上述器材中，滑动变阻器应选________；电流表应选________．

（2）在虚线框内画出实验的电路图，并在图中注明各元件的符号．

图259

（3）某实验小组完成实验后利用实验中得到的实验数据在IU坐标系中，描绘出如图259所示的小灯泡的伏安特性曲线．根据此图给出的信息，可以判断下图中正确的是（图中P为小灯泡的功率）（　　）

答案　

（1）R1　A2　

（2）电路图如解析图所示　（3）BD

解析　

（1）本题变压器采用分压接法，通常应当选用最大阻值小的滑动变阻器，但本题中如果选用R2，则电路中的电流会超过R2允许通过的最大电流，故滑动变阻器应当选择R1.电流表A1的量程太小，故电流表应当选择A2.

（2）电路如图所示，由于电压要从0开始

测量，滑动变阻器用分压接法；因为灯泡的内阻比较小，电流表用外接法．

（3）随着通过小灯泡电压电流的增大，小灯泡消耗的功率增大，小灯泡的电阻也增大，由P＝

知B图正确，由P＝I2R知D图正确．

图2510

7．在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，用导线a、b、c、d、e、f、g和h按图2510所示方式连接好电路，电路中所有元器件都完好，且电压表和电流表已调零．闭合开关后：

（1）若不管怎样调节滑动变阻器，小电珠亮度能发生变化，但电压表、电流表的示数总不能为零，则可能是________导线断路．

（2）某同学在实验中还测出a、b、c三种元件的伏安特性曲线分别如图中的（a）、（b）、（c），下列说法正确的是（　　）

A．a可以作为标准电阻使用

B．b能作为标准电阻使用

C．b的阻值随电压升高而增大

D．c的阻值随电压升高而增大

答案　

（1）g　

（2）AC

解析　

（1）若调节滑动变阻器，小电珠的亮度变化，但电压表、电流表示数总不能为零，说明滑动变阻器不起分压作用，所以可能是g导线断路．

（2）因a元件的IU线是直线，说明电阻随电压的变化不变，故可作为标准电阻，故A对，B错．因IU线的斜率倒数表示电阻值的变化，故C对，D错，选A、C.

8．某同学通过实验测定一个阻值约为5Ω的电阻Rx的阻值．

（1）现有电源（4V，内阻可不计）、滑动变阻器（0～50Ω，额定电流2A）、开关和导线若干，以及下列电表：

A．电流表（0～3A，内阻约0.025Ω）

B．电流表（0～0.6A，内阻约0.125Ω）

C．电压表（0～3V，内阻约3kΩ）

D．电压表（0～15V，内

阻约15kΩ）

为减小测量误差，在实验中，电流表应选用________，电压表应选用________（选填器材前的字母）；实验电路应采用图2511中的________（选填“甲”或“乙”）．

图2511

（2）图2512是

测量Rx的实验器材实物图，图中已连接了部分导线．请根据在

（1）问中所选的电路图，补充完成图中实物间的连线．

图2512

（3）接通开关，改变滑动变阻器滑片P的位置，并记录对应的电流表示数I、电压表示数U.某次电表示数如图2513所示，可得该电阻的测

量值Rx＝

＝________Ω（保留两位有效数字）．

图2513

（4）若在

（1）问中选用甲电路，产生误差的主要原因是________；若在

（1）问中选用乙电路，产生误差的主要原因是________．（选填选项前的字母）

A．电流表测量值小于流经Rx的电流值

B．电流表测量值大于流经Rx的电流值

C．电压表测量值小于Rx两端的电压值

D．电压表测量值大于Rx两端的电压值

（5）在不损坏电表的前提下，将滑动变阻器滑片P从一端滑向另一端，随滑片P移动距离x的增加，被测电阻Rx两端的电压U也随之增加，下列反映Ux关系的示意图中正确的是________．

答案　

（1）B，C，甲　

（2）如解析图　（3）5.2　（4）BD

（5）A

解析　

（1）电源电动势为4V，电压表选择C；电路中的电流最大值Im远小于3A，所以电流表选择B.被测电阻阻值较小，电流表分压作用明显，所以采用电流表的外接法．即甲电路图．

（2）根据实验电路原理图连接实物图如下：

（3）电压表读数为2.60V，电流表读数为0.5A，代入Rx＝

＝

Ω＝5.2Ω.

（4）甲电路：

由于电压表的分流作用，电流表测量的电流大于通过被测电阻的电流．乙电路：

由于电流表的分压作用，使电压表测量的电压大于被测电阻两端的电压．B、D选项对．

（5）设滑动变阻器单位长度的电阻为R0，滑动变阻器两端总长为L，根据串联电路规律，有：

＝

⇒U＝

，式子中E、Rx、L均为常数，根据函数图象可知，A对．