1、实验描绘小灯泡的伏安特性曲线一、实验原理1.实验方法原理由于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.实验电路选择原理(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RxRA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两种电路的选择阻值比较法:当时,选用电流表外接法;当时,选用电流表内接法。临界值计算法:当Rx时,用电流表外接法;当Rx时,用电流表内接法。(2)滑动变阻器的两种接法比较接法项
2、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”的接法调压范围EE(不计电源内阻)0E(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二、实验器材学生电源(46 V直流)或电池组、小灯泡(“4 V0.7 A”或“3.8 V0.3 A”)、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干、铅笔、坐标纸。三、实验过程1.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,在方框中画出实验
3、的电路图,并按图1所示的电路图连接好实物图。图1 (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12345678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:描绘出的小灯泡的伏安特性曲线不是直线,而是曲线。(2)分析:曲线上的
4、点与坐标原点连线的斜率变小,即电阻变大,说明小灯泡的电阻随温度升高而增大。四、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。五、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。精典示例一、实验原理和实验数据的处理例1 图2为“描绘小灯
5、泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图,已知小灯泡额定电压为3 V。图2(1)在方框图中画出与实物电路相应的电路图。(2)完成下列实验步骤闭合开关前,调节滑动变阻器的滑片,应停留在滑动变阻器_端;(选填“左”或“右”)闭合开关后,逐渐移动变阻器的滑片,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;记录如下一组U和I的数据,断开开关。根据实验数据在图3中作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。编号12345678U/V0.200.601.001.401.802.202.603.00I/A0.0200.0600.1000.1400.1700.1900.2000.205灯泡发光情况不亮
6、微亮逐渐变亮正常发光图3(3)数据分析从图线上可以得出,当电压逐渐增大时,灯丝电阻的变化情况是_。图线表明导体的电阻随温度升高而_。小灯泡正常工作时的电阻约为_。(保留小数点后一位有效数字)解析(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线,电压与电流要从零开始变化,滑动变阻器应采用分压式接法,灯泡电阻较小,约为几欧姆到十几欧姆,远小于电压表内阻,电流表应采用外接法。(2)为保护电路安全,开关闭合之前,图乙中滑动变阻器的滑片应该置于左端。根据表格中的数据,画出小灯泡的IU图线(3)从图线上可以得出,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。图线表明导体的电阻随温度升高而增大。根据IU图线得当灯
7、泡两端电压U3 V时,I0.205 A,所以小灯泡正常工作时的电阻约为R 14.6 。答案(1)见解析图(2)左见解析图(3)先不变,后逐渐增大增大14.6滑动变阻器必须采用分压式接法的四种情况(1)要求回路中某部分电路电流或电压实现从零开始可连续调节时(如:测定导体的伏安特性、校对改装后的电表等电路),或要求大范围内测量电压和电流时,必须采用分压式接法。(2)当待测用电器的电阻R远大于滑动变阻器的最大值R0时,必须采用分压式接法。(3)当电压表或电流表的量程太小时,若采用限流接法,电路中实际电压(或电流)的最小值仍超过电压表或电流表的量程,只能采用分压式接法。(4)在题目中有以下语言暗示时,
8、比如:要求多测几组测量数据,要求精确测量等,一般也采用分压式接法。二、实验器材的选择及实物图连线例2 一个小灯泡上标有“4 V0.5 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(05 V,内阻约10 k)B.电压表(015 V,内阻约20 k)C.电流表(03 A,内阻约1 )D.电流表(00.6 A,内阻约0.4 )E.滑动变阻器(10 ,2 A)F.滑动变阻器(500 ,1 A)G.电源(直流6 V)、开关、导线若干图4(1)实验时,选用图4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
9、应选_。(用字母序号表示)(3)把图5所示的实验器材用实线连接成实物电路图。图5答案(1)甲描绘灯泡的IU图线所测数据需从零开始,并要多取几组数据(2)ADE(3)如图所示1.(电流表内、外接法的选择)(多选)在图6中,甲、乙两图分别为测灯泡电阻R的电路图,下列说法正确的是()图6A.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真C.甲中误差由电压表分流引起,为了减小误差,应使RRV,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RRA,故此法测较大电阻好解析题图甲采用电流表外接法,题图乙采用电流表内接法,A正确;题图甲由于电压表的分流导致
10、电流的测量值偏大,由R可知,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。答案ACD2.(实验步骤和实验注意事项)以下是“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的操作步骤:A.闭合开关,记下电流表、电压表的一组示数(I,U),移动滑动变阻器的滑动触头,每移动一次记下一组(I,U)值,共测出12组左右的数据;B.将电流表、电压表、滑动变阻器、小灯泡、电源、开关正确连接成电路,电流表外接,滑动变阻器采用分压式,如图7所示;图7C.闭合开关前,调节触头位置处于滑动变阻器的左端;D.按所测数据,在坐标纸上描点并将各点用直线段连接起来,得出小灯泡的伏安特性曲线。(
11、1)以上各步骤中存在错误或不妥之处的是_,应如何改正: _。(2)将各步骤纠正后,按实验先后顺序排列起来:_。解析(1)错误或不妥的步骤是A、C、D。A步骤:测量(I,U)值时,应先预设各组数据中的电压值U或电流值I,而不是随意测,随意测时会使描点疏密不均匀,画图线时出现较大误差,甚至无法画出IU图线。C步骤:闭合开关前应使小灯泡两端电压为零,即滑动触头应置于滑动变阻器的右端。D步骤:应将各点用平滑的曲线连接起来。(2)正确的操作步骤顺序为BCAD。答案(1)见解析(2)BCAD基础过关1.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(“3.8 V0.3 A”)电压
12、表V(量程05 V,内阻5 k)电流表A1(量程0100 mA,内阻4 )电流表A2(量程0500 mA,内阻0.4 )滑动变阻器R1(最大阻值10 ,额定电流1.0 A)滑动变阻器R2(最大阻值500 ,额定电流0.5 A)直流电源E(电动势约为6 V,内阻约为0.5 )(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。解析(1)本题变压器采用分压式接法,通常应当选用最大阻值较小的滑动变阻器,故滑动变阻器应选R1。电流表A1的量程太小,故电流表应选A2。(2)电路图如图所示,由于电压要从0开始调节,滑动变阻器用分压式接法;因为灯泡
13、的电阻比较小,电流表用外接法。答案(1)R1A2(2)电路图见解析图2.分别读出下表中的电压表和电流表的示数,并填在表格中。电表所选量程测量值015 V03 V03 A00.6 A解析015 V的最小分度为0.5 V,读数为11.0 V;03 V的最小分度为0.1 V,读数为2.20 V;03 A的最小分度为0.1 A,读数为0.80 A;00.6 A的最小分度为0.02 A,读数为0.16 A。答案11.0 V2.20 V0.80 A0.16 A3.一个小灯泡上标有“4 V2 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(05 V,内阻10 k) B.电压
14、表(015 V,内阻20 k)C.电流表(03 A,内阻1 ) D.电流表(00.6 A,内阻0.4 )E.滑动变阻器(10 ,2 A) F.滑动变阻器(500 ,1 A)G.电源(直流6 V)、开关、导线若干图1(1)实验时,选用图1中_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2所示的实验器材用实线连接成实物电路图。图2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4 V,则电压表选量
15、程为05 V 的A而舍弃量程为015 V的B,因15 V的量程太大,读数误差大,小灯泡的额定电流I0.5 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 ,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。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,故电流表采用外接法。答案(1)甲描绘灯泡的IU图线所测数据需从零开始,并要多取几组数据(2)ADE(3)如图所示能力提升4.(2019全国卷,23)某小组利用图3(a)所示的电路,研究硅二极管在恒定电流条件下的正向电压U与温度t的关系,图中和为理想电压表;R为滑动变阻器,R0为定值电阻(阻值
16、100 );S为开关,E为电源。实验中二极管置于控温炉内,控温炉内的温度t由温度计(图中未画出)测出。图(b)是该小组在恒定电流为50.0 A时得到的某硅二极管Ut关系曲线。回答下列问题:图3(1)实验中,为保证流过二极管的电流为50.0 A,应调节滑动变阻器R,使电压表的示数为U1_mV;根据图(b)可知,当控温炉内的温度t升高时,硅二极管正向电阻_(填“变大”或“变小”),电压表示数_(填“增大”或“减小”),此时应将R的滑片向_(填“A”或“B”)端移动,以使示数仍为U1。(2)由图(b)可以看出U与t成线性关系。硅二极管可以作为测温传感器,该硅二极管的测温灵敏度为_103 V/(保留2位有效数字)。解析(1)、是理想电压表,则R0与硅二极管串联,电流相等,R0两端电压U1IR050.0106100 V5.00103 V5.00 mV。由Ut图象知:控温炉内温度升高,硅二极管两端电压U2变小,又I50.0 A不变,故硅二极管正向电阻变小;当控温炉内温度升高时,硅二极管电阻变小,反过来影响电路中电流,由闭合电路欧姆定律知,电路中电流增大,示数增大;要保持示数不变,需增大滑动变阻器的阻值,即滑片向B端移动。(2)由Ut图象的斜率可知 V/2.8103 V/。答案(1)5.00变小增大B (2) 2.8103(2)2.8