第七章 学案36 实验.doc

实验学案36 描绘小灯泡的伏安特性曲线

实验目的
1．描绘小灯泡的伏安特性曲线．
2．分析伏安特性曲线的变化规律．
实验原理
1．用________测出流过小灯泡的电流，用________测出小灯泡两端的电压，测出多组(U，I)值，在U－I坐标系中描出各对应点，用________的曲线将这些点连接起来．

图1
2．电路的选择：本实验用伏安法测量在不同电压下灯丝的电流和电压，描绘出伏安特性曲线．由于使用的小灯泡是“3.8 V，0.3 A”的，正常发光时灯丝电阻约为13 Ω，阻值较小，因此应该用电流表________电路；由于要测小灯泡在不同电压下的电流、电压，电压取值范围要尽量大，因此滑动变阻器应该用________接法电路．电路图如图1所示．
实验器材
学生电源(4～6 V直流)、小灯泡“4 V，0.7 A”或“3.8 V，0.3 A”、电流表(内阻较小)、电压表(内阻很大)、开关和导线、____________、坐标纸、铅笔．
实验步骤
1．确定电流表、电压表的量程，照图1连好电路．(注意开关应______，滑动变阻器与灯泡并联部分电阻为____)
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的值．
3．用同样的方法测量并记录约12组U值和I值．
4．断开开关S，整理好器材．
5．在坐标纸上，以U为横坐标、I为纵坐标建立直角坐标系，并根据表中数据描点，连接各点得到I－U图线．(注意：连接各点时，不要出现折线)
数据处理
根据测量的数据把电压表和电流表的各组数据填入下表中，然后作出I－U图线.
次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
电压U/V

电流I/A

实验结论
描绘出的图线是一条______．它的斜率随电压的增大而______，这表明小灯泡的电阻随电压(温度)升高而______．灯丝的电阻率随温度的升高而增大．灯丝不发光时温度是室温，正常发光时温度很高，其电阻率的变化是很显著的，所以灯丝的阻值随小灯泡两端电压的升高而明显增大，其I－U图线不再是过原点的直线．
注意事项
1．本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法．
2．滑动变阻器应采用分压式接法：目的是为了使小灯泡两端的电压能从0开始连续变化．
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．建立坐标系时，纵轴表示电流，横轴表示电压，两坐标轴选取的标度要合理，使得根据测量数据画出的图线尽量占满坐标纸．
误差分析
1．测量电路存在系统误差，未考虑电压表的分流，造成测得的I值比真实值大．
2．描绘I－U图线时作图不准确造成的偶然误差．
3．测量时读数不准确和在坐标纸上描点不准确引起的误差．

题型一　实验仪器及电路的选择
【例1】 (2010·海淀模拟)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：
器材
规格
器材
规格
小灯泡
标有“3.8 V，
0.3 A”字样
滑动变阻器R1
最大阻值10 Ω，额定电流1.0 A
电压表V
量程0～5 V，内阻约5 kΩ
滑动变阻器R2
最大阻值 1 kΩ，额定电流0.5 A
电流表A1
量程0～100 mA，内阻约4 Ω
直流电源E
电动势约为6 V，内阻约为0.5 Ω
电流表A2
量程0～500 mA，内阻约0.4 Ω
导线、电键等

(1)在上述器材中，滑动变阻器应选________，电流表应选________．
(2)在图2中用笔画线代替导线，把实验仪器连接成完整的实验电路．

图2

图3
(3)利用实验中得到的实验数据在I－U坐标系中，描绘出了如图3所示的小灯泡的伏安特性曲线．根据此图给出的信息，可以判断出下图中正确的是(图中P为小灯泡功率)(　　)

[规范思维]

题型二　伏安特性曲线的描绘及实验结果的应用
【例2】 影响物质材料电阻率的因素很多，一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大，而半导体材料的电阻率则与之相反，随温度的升高而减小．某课题研究组需要研究某种导电材料的导电规律，他们用该种导电材料制作成电阻较小的元件Z做实验，测量元件Z中的电流随两端电压从零逐渐增大过程中的变化规律．
(1)他们应选用下图中所示的哪个电路进行实验．(　　)

(2)①由(1)实验测得元件Z的电压与电流的关系如下表所示．根据表中数据请在图4中作出元件Z的I－U图线.
U/V
0
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.50
1.60
I/A
0
0.20
0.45
0.80
1.25
1.80
2.80
3.20

图4
②根据Z的I－U图线可判断元件Z是金属材料还是半导体材料？

图5
③把元件Z和电阻R接入如图5所示的电路中，由实验测得电阻R的I－U图线如图4所示．已知电源的电动势E＝1.5 V，内阻不计．闭合电键S，电路稳定时，元件Z消耗的电功率为________W.
[规范思维]

[针对训练]　(2011·广东·34(2))在“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，所用器材有：小电珠(2.5 V，0.6 W)，滑动变阻器，多用电表，电流表，学生电源，开关，导线若干．
①粗测小电珠的电阻，应选择多用电表________倍率的电阻挡(请填写“×1”、“×10”或“×100”)；调零后，将表笔分别与小电珠的两极连接，示数如图6，结果为________Ω.

图6
②实验中使用多用电表测量电压，请根据实验原理图7完成实物图8中的连线．

图7

图8

③开关闭合前，应将滑动变阻器的滑片P置于________端，为使小电珠亮度增加，P应由中点向______________端滑动．
④下表为电压等间隔变化测得的数据，为了获得更准确的实验图象，必须在相邻数据点________间多测几组数据(请填写“ab”、“bc”、“cd”、“de”或“ef”).
数据点
a
b
c
d
e
f
U/V
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
I/A
0.000
0.122
0.156
0.185
0.216
0.244

图9
1．(2009·天津理综·3)为探究小灯泡L的伏安特性，连好如图9所示的电路后闭合开关，通过移动变阻器的滑片，使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大，直到小灯泡正常发光，由电流表和电压表得到的多组读数描绘出的U－I图象应是(　　)

2．(2009·浙江高考·22Ⅰ)如图10所示，在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，同组同学已经完成部分导线的连接，请你在实物接线图中完成余下导线的连接．

图10
3．(2011·天津塘沽区模拟)表格中所列数据是测量小灯泡U－I关系的实验数据：

U(V)
0.0
0.2
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
I(A)
0.000
0.050
0.100
0.150
0.180
0.195
0.205
0.215
(1)分析表格内实验数据可知，应选用的实验电路图是图11中的________(选填“甲”或“乙”)；

图11
(2)在如图12所示的方格纸内画出小灯泡的U－I曲线．分析曲线可知小灯泡的电阻值随I变大而________(选填“变大”、“变小”或“不变”)；

图12

图13
(3)如图13所示，用一个定值电阻R和两个上述小灯泡组成串并联电路，连接到内阻不计、电动势为3 V的电源上．已知流过电阻R的电流是流过灯泡L2电流的两倍，则流过灯泡L1的电流约为________A.
4．(2009·福建理综·19(2))某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件．图14为该电器元件的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，现需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：

器材(代号)
规格
电流表(A1)
量程0～50 mA，内阻约为50 Ω
电流表(A2)
量程0～200 mA，内阻约为10 Ω
电压表(V1)
量程0～3 V，内阻约为10 kΩ
电压表(V2)
量程0～15 V，内阻约为25 kΩ
滑动变阻器(R1)
阻值范围0～15 Ω，允许最大电流1 A
滑动变阻器(R2)
阻值范围0～1 kΩ，允许最大电流100 mA
直流电源(E)
输出电压6 V，内阻不计
开关(S)、导线若干

图14
(1)为提高实验结果的准确程度，电流表应选用______；电压表应选用________；滑动变阻器应选用__________．(以上均填器材代号)
(2)为达到上述目的，请在虚线框图15中画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号．

图15
(3)若发现实验测得的伏安特性曲线与图中曲线基本吻合，请说明该伏安特性曲线与小电珠的伏安特性曲线有何异同点？
相同点：
________________________________________________________________________.

不同点：
________________________________________________________________________.
5．(2011·梅州模拟)小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大．某同学为研究这一现象，用实验描绘小灯泡的伏安特性曲线．实验可供选择的器材有：
A．小灯泡(规格为“2.5 V，1.2 W”)
B．电流表A(量程为0～0.6 A，内阻为1 Ω)
C．电压表V(量程为0～3 V，内阻未知)
D．滑动变阻器(0～10 Ω，额定电流为1 A)
E．滑动变阻器(0～5 Ω，额定电流为0.5 A)
F．电源(E＝3 V，内阻不计)
G．定值电阻R0(阻值R0＝6 Ω)
H．开关一个和导线若干
(1)要求小灯泡两端的电压从零开始变化，且能尽量消除系统误差，在方框内画出实验电路图．

(2)实验中，应该选用的滑动变阻器是______(填写器材前字母代号)．

图16
(3)按照正确的电路图，该同学测得实验数据如下：(I是电流表A的示数，U是电压表V的示数，U灯是小灯泡两端的实际电压)．请通过计算补全表格中的空格，然后在图16中画出小灯泡的伏安特性曲线．

I/A
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.48
U/V
0.08
0.15
0.25
0.40
0.60
0.90
1.30
1.85
2.50
3.00
U灯/V

(4)该同学将与本实验中一样的两个小灯泡以及给定的定值电阻R0三者一起串联接在本实验中提供的电源两端，则每个灯泡的实际功率是________W.
6．(2011·济南市高三模拟)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：
U/V
0.00
0.20
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
I/A
0.00
0.10
0.20
0.30
0.36
0.38
0.40
现备有下列器材：
A．低压直流电源：电压6 V，内阻不计
B．电流表：量程为0～0.6 A～3 A，0.6 A内阻约为10 Ω，3 A内阻约为2 Ω
C．电压表：量程为0～3 V～15 V，3 V内阻约为7.2 kΩ，15 V内阻约为36 kΩ
D．滑动变阻器：阻值为0～10 Ω，额定电流为3 A
E．电键K，导线若干
(1)按提供的器材，在实物图17(a)上连接正确的实验电路，要求测量误差尽可能小．

图17
(2)利用这些数据绘出的电器元件Z的伏安特性曲线如图17(b)所示，分析曲线说明通过电器元件Z的电流随电压变化的特点．
(3)若把电器元件Z接入如图17(c)所示的电路中时，通过Z的电流为0.10 A，已知A、B两端电压恒为1.5 V，则此时灯泡L的功率为________W.

实验学案36　描绘小灯泡的伏安特性曲线
【基础自主落实】
实验原理
1．电流表　电压表　一条平滑
2．外接法　分压式
实验器材
滑动变阻器
实验步骤
1．断开　零
实验结论
曲线　减小　增大
【热点题型精析】
例1 (1)R1　A2　(2)见解析图　(3)BD
解析　(1)为方便电路调节，滑动变阻器应选择R1；小灯泡正常工作时I额＝0.3 A＝300 mA>100 mA，故电流表应选A2.
(2)因为要求小灯泡

上的电压从0开始增大，滑动变阻器应选用分压式接法；而小灯泡正常工作时R灯＝＝ Ω≈13 ΩRV＝5 kΩ，故电流表应选择外接法，其实验电路如图所示．
(3)在I－U图象中，图线斜率逐渐减小，小灯泡的R逐渐增大；由P＝知在P－U2图象中，图线的斜率应逐渐减小，故B正确；由P＝I2R在P－I2图象中图线的斜率R应逐渐增大，故D正确．
[规范思维]　(1)电路选择要根据具体的情况来进行确定．(2)实验原理是确定电路的首要条件．(3)各个用电器的作用要明确，选择电路要根据需要来进行选择．
例2 (1)A　(2)①见解析图　②半导体材料
③0.64(0.60～0.68)
解析　(1)由测量的数据及题目要求可知，滑动变阻器应采取分压式接法．因为元件Z的电阻较小，所以电流表应外接，因此实验电路应选A图．
(2)①描点画出元件Z的I－U图线如下图曲线所示．②由I－U图线可知，Z是半导体材料．③当电流强度为0.80 A时，元件Z两端的电压为0.80 V，定值电阻R上的电压为0.70 V，此时元件Z上消耗的电功率为0.64 W.

[规范思维]　(1)在描绘伏安特性曲线时应连成平滑的曲线，而不能是折线．如果这些点大致在一条直线上，则应描成一条直线，让不在直线上的点均匀分布在直线两侧．(2)从I－U图线判断元件的电阻变化，进而判断材料性质．
[针对训练]
①×1　7.5　②如解析图所示
③a　b　④ab
解析　①小电珠(2.5 V，0.6 W)对应电阻为R＝ Ω＝10.4 Ω，所以选“×1”挡．
②电流表的电阻也就几欧，与电压表几千欧相比，小电珠的电阻算小电阻，所以电流表必须外接，伏安特性曲线要求电压从0开始逐渐变大，所以滑动变阻器必须采用分压接法．

③从a端开始，电压为零，向b端移动，对小电珠所加电压逐渐变大．
④ab之间电流增加了0.122 A，其他各段电流增加了0.03 A左右．所以需要在ab之间将电流分为0.030 A、0.060 A、0.090 A，分别测出相应的电压值．
【课时效果检测】
1．C　[小灯泡中的电流逐渐增大时灯丝的温度升高，其电阻率增大，导致电阻R增大．只有C选项对．]
2．见解析
解析　滑动变阻器应采用分压式接法，如图所示

3．(1)甲　(2)U－I曲线见解析　变大　(3)0.21
解析　(1)从表中数据可看出，小灯泡两端电压可以从零开始调节，这说明滑动变阻器应选用分压式接法，故应选用甲图．
(2)在方格纸上根据U－I数据描点、连线，其U－I图象如下图所示．随U和I的增大，图线上各点与坐标原点连线的斜率越来越大，故其电阻变大．

(3)因流过电阻R的电流是流过灯泡L2电流的两倍，则流过灯泡L1的电流是流过灯泡L2电流的3倍，而灯泡L1、L2两端的电压之和为3 V，在(2)描出的U－I图象中，找出一个电流I对应的电压U1，再找出3I对应的电压U2，直到U1＋U2＝3 V为止．
最后得出结果，流过灯泡L1的电流约为0.21 A.
4．(1)A2　V1　R1　(2)电路图如下图所示

(3)伏安特性曲线都是非线性的．　小电珠的伏安特性曲线表明随电流和电压的增大电阻值增大，而该元件的伏安特性曲线表明随电流和电压的增大电阻值减小
解析　(1)从图中所给的伏安特性曲线看出，最大电流不超过0.14 A，大于电流表A1的量程，小于电流表A2的量程，所以电流表选择A2.图中的最大电压不超过V1的量程，且V1的测量更精确，R1的最大阻值与所给的伏安特性曲线反映的元件的电阻值相当，且I1＝＝ A＝0.4 A<1 A，而R2的阻值太大，所以选择R1.(2)待测元件的电阻满足RA<RxRV，所以选择电流表外接法，伏安特性曲线中要求电压从零开始变化，所以选择滑动变阻器分压式接法．(3)伏安特性曲线的斜率表示电阻的倒数，所测出的伏安特性曲线是斜率逐渐增大的曲线，表明电阻是随电压和电流的增大而减小的，所以是非线性的．而小电珠是金属，其伏安特性曲线也是非线性的，这是两者的相同点，但小电珠的电阻是随电压和电流的增大而增大的，这是两者的不同点．
5．(1)见解析　(2)D　(3)见解析图　(4)0.18
解析　(1)要使小灯泡两端电压从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法，为测量更准确，应采用电流表内接法，实验电路图如下图所示．

(2)由于采用分压式接法，若选E，则滑动变阻器的电流I＝＝ A＝0.6 A>0.5 A，故滑动变阻器应选用D.
(3)由第(1)问中所画电路图分析可得：U灯＝U－IRA，则可根据表中数据求出U灯，并画出U灯－I图线如下图所示.
I/A
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.48
U/V
0.08
0.15
0.25
0.40
0.60
0.90
1.30
1.85
2.50
3.00
U灯/V
0.03
0.05
0.10
0.20
0.35
0.60
0.95
1.45
2.05
2.52

(4)在同一坐标系中作出2U灯＋IR0＝E的图线，根据此图线与灯泡的U灯－I图线的交点可得此时灯泡的电压U灯＝0.6 V，电流I＝0.3 A．所以，灯泡的实际功率为P＝U灯I＝0.6 V×0.3 A＝0.18 W.
6．(1)如下图所示　(2)电流随电压的增大非线性增大　(3)0.13