高中物理教科版 (2019)必修 第三册5 实验:描绘I-U特性曲线学案

实验：描绘I­U特性曲线

学习目标：

1．进一步掌握滑动变阻器的两种接法与电流表内接法、外接法的选择。　

2．能根据需要正确选择测量仪器及电表量程。　

3．会根据所得的实验数据分析小灯泡的伏安特性曲线，并进行相关分析。　

4．尝试进行实验误差的分析，了解测量中减小误差的方法。

一、实验原理与方法

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(I，U)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起来，即得小灯泡的伏安特性曲线，电路图如图所示。

二、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。

三、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。

4．断开开关，整理好器材。

四、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。

4．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。

5．分析：灯泡灯丝的电阻随温度变化而变化。曲线向横轴弯曲，即曲线上的点与原点的连线的斜率变小，电阻变大，说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大。

五、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。

六、注意事项

1．因I­U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I­U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，个别偏离较远的点应舍去。

【例1】　一个小灯泡上标有“4 V　0.5 A”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，内阻约10 kΩ)

B．电压表(0～15 V，内阻约20 kΩ)

C．电流表(0～3 A，内阻约1 Ω)

D．电流表(0～0.6 A，内阻约0.4 Ω)

E．滑动变阻器(10 Ω，2 A)

F．滑动变阻器(500 Ω，1 A)

G．电源(直流6 V)、开关、导线若干

甲　　　　　　　乙

(1)实验时，选用图中________(填“甲”或“乙”)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________，滑动变阻器应选________。(用字母序号表示)

(3)把图所示的实验器材用实线连接成实物电路图。

[解析]　(1)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，故采用题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。

(2)小灯泡额定电压为4 V，因15 V的量程太大，读数误差大，则电压表选0～5 V的A而舍弃0～15 V的B。小灯泡的额定电流I＝0.5 A，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，电压变化与滑动变阻器使用部分的长度线性关系差，故舍去，选用E。

(3)小灯泡内阻为电流表内阻的＝20倍，电压表内阻是小灯泡内阻的＝1 250倍，故电流表应选用外接法。

[答案]　(1)甲　描绘灯泡的I­U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

【例2】　图甲为“描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。

甲　　　　　　　　　　乙

丙

(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。

(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)

[解析]　(1)与实物电路相对应的电路图如图(a)所示。

(a)

(2)①为保护实验器材，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I­U图线如图(b)所示。

(b)

(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电压U＝3 V时，I＝0.205 A，所以小灯泡正常工作时的电阻R＝ Ω≈14.6 Ω。

[答案]　(1)见解析图(a)　(2)①左　③见解析图(b)  (3)①先不变，后逐渐增大　②增大　③14.6 Ω

1．现要测定一个铭牌上标有“3 V,0.4 A”的小灯泡的伏安特性曲线，要求所测电压范围为0～3 V。现有器材：

直流电源E(电动势4.5 V，内阻不计)

电压表V1(量程3 V，内阻约为3 kΩ)

电压表V2(量程15 V，内阻约为15 kΩ)

电流表A1(量程200 mA，内阻约为2 Ω)

电流表A2(量程400 mA，内阻约为1 Ω)

滑动变阻器R(最大阻值为20 Ω)

开关S，导线若干。

(1)如果既要满足测量要求，又要测量误差较小，应该选用的电压表是________(填“V1”或“V2”)，选用的电流表是________(填“A1”或“A2”)。

(2)将测量小灯泡电阻的实验电路图画在方框内，并在图中标明各元件的符号。

[解析]　(1)灯泡的额定电压为3 V，则电压表选V1；小灯泡的额定电流I＝0.4 A＝400 mA，故电流表应选量程为400 mA的A2；

(2)小灯泡的电阻R＝＝7.5 Ω，由于R≪RV1，故应选电流表外接法，滑动变阻器采用分压式接法，电路图如图所示。

[答案]　(1)V1　A2　(2)见解析图

2．为描绘小灯泡的伏安特性曲线，实验室备有下列器材：

A．小灯泡(额定电压6 V，额定电流600 mA)

B．电流表(量程0～0.6 A，内阻约为0.5 Ω)

C．电流表(量程0～3 A，内阻约为0.1 Ω)

D．电压表(量程0～6 V，内阻约为10 kΩ)

E．滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A)

F．滑动变阻器R2(0～100 Ω，1.5 A)

G．直流电源E(约6 V)

H．开关、导线若干

(1)实验中电流表应选用________，滑动变阻器应选用______。(填器材前的字母代号)

(2)请用笔画线代替导线，将图甲电路连接完整。

甲

乙

(3)实验电路连接正确，闭合开关，从最左端向最右端调节滑动变阻器滑片，记录电流表和电压表相应示数，根据实验数据在坐标系中描点，如图乙所示，则电路发生的故障是__________________________________________________

____________________________________________________________________。

[解析]　(1)由于小灯泡的额定电流为600 mA＝0.6 A，因此电流表选用；由于滑动变阻器采用分压式接法，为了调节方便，应选用最大阻值较小的滑动变阻器，即选用R1。

(3)闭合开关以后，调节滑动变阻器的滑片从最左端向最右端移动的过程中，由题图乙的描点可以看出，电压调节范围小且没有从零开始变化，由此可以判断电源负极与滑动变阻器左下接线柱间的电路断路，使电路变成了限流电路。

[答案]　(1)B　E　(2)如图所示　(3)电源负极和滑动变阻器左下接线柱间的电路断路

3．某物理学习小组描绘一只小灯泡(2.5 V　0.48 A)的伏安特性曲线，有下列器材供选用：

A．电压表(0～3 V，内阻6 kΩ)

B．电压表(0～15 V，内阻30 kΩ)

C．电流表(0～3 A，内阻0.1 Ω)

D．电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω)

E．滑动变阻器(0～10 Ω，5 A)

F．滑动变阻器(0～1 kΩ，0.1 A)

G．电源(3 V，内阻不计)

H．开关一个，导线若干。

(1)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)

(2)如图所示，图中有几根导线已经接好，为完成本实验，请用笔画线代替导线，将电路补画完整，要求尽量减小实验误差。

(3)下表中的数据是该小组在实验中测得的，请在坐标纸上补齐未画出的数据点，用“×”表示，并绘出I­U图线。根据I­U图线可知，该小灯泡灯丝温度升高时，电阻________(填“变大”或“变小”)。

[解析]　(1)灯泡额定电压2.5 V，电压表应选A；灯泡额定电流I＝0.48 A，电流表选D；为方便操作，滑动变阻器应选总阻值较小的E。

(2)描绘小灯泡伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法；灯泡正常发光时的电阻较小，故电流表应采用外接法。

(3)根据描点法得出对应的图像如图所示；由图可知，电阻随温度的升高而变大。

[答案]　(1)A　D　E　(2)如图所示

(3)如图所示　变大

4．某学习小组通过实验来研究电器元件Z的伏安特性曲线。他们在实验中测得电器元件Z两端的电压与通过它的电流的数据如下表：

现备有下列器材：

A．内阻不计的6 V电源；

B．量程为0～3 A的内阻可忽略的电流表；

C．量程为0～0.3 A的内阻可忽略的电流表；

D．量程为0～3 V的内阻很大的电压表；

E．阻值为0～10 Ω，额定电流为3 A的滑动变阻器；

F．开关和导线若干。

(1)这个学习小组在实验中的电流表应选________(填器材前面的字母)。

(2)请你从图中的实验电路图中选出最合理的一个________。

A　 　　　B　 　　　C　　　　D

(3)利用表格中数据绘出的电器元件Z的伏安特性曲线如图所示，分析曲线可知该电器元件Z的电阻随U变大而________(填“变大”“变小”或“不变”)；

(4)若把电器元件Z接入如图所示的电路中时，电流表的读数为0.150 A，已知A、B两端电压恒为2 V，则定值电阻R0阻值为________Ω。(结果保留两位有效数字)

[解析]　(1)由数据表可知，电路中的最大电流为0.215 A，所以电流表应选择C；

(2)从数据表可知要求电流从零开始变化，所以滑动变阻器应采用分压式接法；由于电流表与电压表均为理想电表，所以电流表采用外接法和内接法都可，故选D；

(3)由I­U图像可知，图像上的点与原点连线的斜率越来越小，而I­U图像中图像上的点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，故可知元件Z的电阻随U的变大而变大；

(4)由I­U图像可读出电流I＝0.150 A时，对应的电压U2＝1.00 V，所以元件Z的电阻为：

RZ＝

由电路图可知：R0＋RZ＝

代入数据解得：R0≈6.7 Ω。

[答案]　(1)C　(2)D　(3)变大　(4)6.7

5．要描绘一个标有“3 V,0.3 A”小灯泡的伏安特性曲线，要求灯泡两端的电压由零逐渐增加，且尽量减小实验误差。已选用的器材除导线、开关外，还有：

电池组(电动势为4.5 V，内阻约为1 Ω)

电流表(量程为0～0.6 A，内阻约为1 Ω)

电压表(量程为0～3 V，内阻约为3 kΩ)

滑动变阻器(最大阻值为20 Ω，额定电流为1 A)

(1)实验电路应选用下列图中的________(填字母代号)。

A　　　　 　　B　　　　　　　C

(2)按照(1)中选择的电路进行连线，如图甲所示，其中应该去掉的导线是________(选填相应的字母)。

甲　　　　　　　　　乙

(3)闭合开关前滑动变阻器的滑片应该置于最________端(选填“左”或“右”)。

(4)以电压表的读数U为横轴，以电流表的读数I为纵轴，根据实验得到的多组数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线，如图乙所示。由图可知：随着电压的增大，小灯泡的电阻________(选填“增大”或“减小”)。

[解析]　(1)本实验要求小灯泡两端的电压从零逐渐增加，故滑动变阻器应采用分压式接法；由于灯泡内阻较小，因此应采用电流表外接法，故选择B电路。

(2)由题图可知，电压表左侧分别接了两条导线，由于本实验应采用电流表外接法，故应将导线b去掉。

(3)由题图可知，测量部分与滑动变阻器左侧并联，为了让电压从零开始调节，滑片开始时应置于最左端。

(4)I­U图像中图线上的点与坐标原点的连线的斜率表示电阻的倒数，则可知，随着电压的升高，小灯泡的电阻增大。

[答案]　(1)B　(2)b　(3)左　(4)增大

6．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(量程3 V，内阻3 kΩ)；电流表(量程0.5 A，内阻0.5 Ω)；固定电阻R0(阻值1 000 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，在方框内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所示。

由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻________(填“增大”“不变”或“减小”)。

[解析]　(1)电压表量程为3 V，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，需要给电压表串联一个定值电阻扩大量程，题目中要求小灯泡两端电压从零开始，故滑动变阻器用分压式接法，小灯泡的电阻RL＝＝ Ω＝11.875 Ω，因＜，故电流表用外接法，实验电路原理图如图所示。

(2)由I­U图像知，随着电流的增加图像中的点与坐标原点连线的斜率在减小，则灯泡的电阻随电流的增加而增大。

[答案]　(1)见解析图　(2)增大

7．某同学用下列器材描绘额定电压为3.0 V的小灯泡的伏安特性曲线(要求电压变化从零开始)。

A．电流表(0.6 A,1 Ω)

B．电压表(3 V,1 kΩ)

C．滑动变阻器(10 Ω，1 A)

D．电源(4 V，内阻不计)

甲　　　　　　　　　　乙

丙

(1)请你在图甲的实物连接图中，把还需连接的导线补上。

(2)开关闭合前，滑动变阻器的滑片应置于________端(选填“左”或“右”)。

(3)闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，电压表的示数逐渐增大，电流表指针却几乎不动，则电路的故障为__________________。

(4)排除故障后，某次测量时电流表的指针位置如图乙所示，其读数为________ A。

(5)小明完成实验后，由实验数据画出小灯泡的I­U图像，如图丙中实线所示，由图可确定小灯泡在电压为2.0 V时的电阻为________ Ω(保留两位有效数字)。

[解析]　(1)该实验要求电压从零调节，因此滑动变阻器应采用分压式接法，由于灯泡的电阻很小，因此电流表应采用外接法，由此可连接实物图，如图所示。

(2)开始实验之前，要使滑动变阻器的输出电压为零，根据电路图可知滑动变阻器的滑片应置于左端。

(3)电压表有示数，说明电压表的两个接线柱和电源的两极连接的电路中无断路；电流表指针几乎不动，说明电路中电阻很大，可能是断路了，故出现这种情况的可能性是小灯泡断路。

(4)本实验中电流表选择0.6 A量程，电流表的最小分度为0.02 A，故指针的示数为0.25 A。

(5)根据灯泡的I­U图像可知，当灯泡的电压为2.0 V时，灯泡的电流约为0.185 A，因此此时灯泡的电阻R＝＝ Ω≈11 Ω。

[答案]　(1)见解析图　(2)左　(3)小灯泡断路  (4)0.25　(5)11