人教版2019学年高中物理第二章恒定电流实验：测绘小灯泡的伏安特性曲线学案选修3_1

实验：测绘小灯泡的伏安特性曲线[研究学考·明确要求]
[基础梳理]
[基础梳理]
续表
[基 础 梳 理]
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 ＝U
I 得，在I －U 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I －U 图线为曲线。

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1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)
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。

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。

(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。

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．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。

7．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。

[典例精析]
【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。

现有下列器材供选用：
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
图2
(1)实验时，选用图2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3中所示的实验器材用实线连接成实物电路图。

图3
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
8
0.4
＝20倍，电压表内阻是小灯泡的
10×103
8
＝1 250倍，故电流表采用了外接法。

答案(1)描绘灯泡的I－U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。

连接实物电路时，一般先把电路图画出来，按照电流总是从电源正极出发→通过用电器→最后回到电源负极的正方向顺序连接或按反方向顺序连接；连接实物图时要注意导线不能交叉，导线的端点要接在各元件的接线柱上。

另外要关注电表的正、负接线柱以及量程等。

【例2】一个小灯泡的额定电压为6.3 V，额定电流约为0.3 A，用以下所给的实验器材测绘出小灯泡的伏安特性曲线。

实验电路图如图4甲所示。

甲
电源E1：电动势为8.0 V，内阻不计；
电源E2：电动势为12.0 V，内阻不计；
电压表V：量程为0～15 V，内阻约为10 kΩ；
电流表A1：量程为0～3 A，内阻约为0.1 Ω；
电流表A2：量程为0～600 mA，内阻约为1 Ω；
滑动变阻器R：最大阻值为10 Ω，额定电流为1.0 A；开关S，导线若干。

(1)依照实验电路图将图乙中的实物图连接成实验电路。

(2)实验中电源应该选用________；电流表应该选用________。

(填字母代号)
(3)实验测得的数据如下表所示，依照这些数据在图丙所示的坐标纸中描绘出该小灯泡的伏安特性曲线。

图4
解析(1)依照实验电路图将实物图连接成实验电路，如图甲所示，连接分压电路实物图时，要先将电源、开关、滑动变阻器的电阻丝连成闭合电路，再从滑动变阻器的滑动杆一端出发顺序连接，注意电表正负极不能接反。

(2)选择电表时，在不超过量程的情况下选择量程较小的可提高读数的精确度，小灯泡的额定电压为6.3 V，额定电流约为0.3 A，故电源选E1，电流表应选A2。

(3)根据题中所给数据在题图丙所示的坐标纸中，选好标度，细心描点，利用拟合的方法连接所描绘的点迹，如图乙所示。

答案(1)如图甲所示(2)E1A2(3)如图乙所示
甲
乙
处理该实验应注意的问题
(1)调节电压时不要超过小灯泡的额定电压。

(2)坐标系标度要合理选取，尽量使描出的图象占据坐标纸的大部分。

(3)小灯泡电压、电流变大时，电阻变大，伏安特性图线是曲线。

连线时要用平滑的曲线，不能连成折线。

[即学即练]
1．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2.8 V，电流在10 mA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4 V，内阻约为2 Ω)
B．滑动变阻器R0(阻值0～2 Ω)
C．电流表A1(量程15 mA，内阻约为10 Ω)
D．电流表A2(量程0.6 A，内阻约为5 Ω)
E．电压表V1(量程3 V，内阻约为1 kΩ)
F．电压表V2(量程15 V，内阻约为10 kΩ)
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
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：
图5
(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
___________________________________________________________________。

解析画出I－U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。

答案(1)I－U图象见解析图(2)开始时不变，后来增大(3)增大
1．为探究小灯泡L的伏安特性，连好如图6所示的电路后闭合开关S，通过移动变阻器R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图象应是图中的( )
图6
解析 由小灯泡灯丝的电阻随温度的升高而增大知图C 正确。

答案 C
2.如图7所示为伏安法测电阻的一种常用电路，以下分析正确的是( )
图7
A ．此接法的测量值大于真实值
B ．此接法的测量值小于真实值
C ．此接法要求待测电阻值小于电流表内阻
D ．开始实验时滑动变阻器滑动头P 应处在最右端
解析 R 测＝U 测
I 测＝R ＋R A 故A 项正确，B 项错误；此接法要求R 2x >R A ·R V 故应大于电流表内
阻，C 项错误；开始实验时滑动变阻器滑动头P 应处在最左端，D 项错误。

答案 A
3．(2018·浙江温州苍南巨人中学期中)为了描绘标有“3 V,1.4 W ”的小灯泡的伏安特性曲性，要求小灯泡电压能从零开始变化。

所给器材如下： A ．电流表(0～200 mA ，内阻0.5 Ω) B ．电流表(0～0.6 A ，内阻0.01 Ω) C ．电压表(0～3 V ，内阻5 k Ω) D ．电压表(0～15 V ，内阻50 k Ω) E ．滑动变阻器(0～10 Ω，0.5 A)
F ．滑动变阻器(0～1 k Ω，0.1 A)
G ．电源(3 V)
H ．开关一个，导线若干
(1)为了完成上述实验，实验中应选择的仪器是________。

(2)在如图8的虚线框中画出完成此实验的电路图，并将实物(图9)按电路图用导线连好。

图8 图9
解析 (1)灯泡的额定电压为3 V ，所以电压表的量程选择3 V 的误差较小，额定电流I ＝P U ＝1.4
3 A ≈0.47 A ，所以电流表的量程选择0.6 A 的，故实验中应选择的仪器是B 、C 、E 、G 、H 。

(2)灯泡电压能从零开始变化，滑动变阻器采用分压式接法，灯泡正常工作时的电阻R ＝
U2
P ＝
32
1.4
Ω≈6.4 Ω，远小于电压表的内阻，属于小电阻，电流表采用外接法。

电路图和实物连线图如图所示。

答案 (1)B 、C 、E 、G 、H (2)见解析
1.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，用导线a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 和h 按图1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：
图1
(1)若不管怎样调节滑动变阻器，小灯泡亮度发生变化，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2中(a)、(b)、(c)所示，下列说法正确的是( )
图2
A．A可以作为标准电阻使用
B．B可以作为标准电阻使用
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
解析(1)若调节滑动变阻器，小灯泡的亮度变化，但电压表、电流表的示数总不能为零，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I－U图线是直线，说明电阻不随电压的变化而变化，故可以作为标准电阻，故A对，B错；因I－U图线的斜率的倒数表示元件电阻值的变化，故C对，D错。

答案(1)g(2)AC
2．(2016·10月浙江选考)“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验，要求采用分压电路，电流表外接。

小王的连线如图3甲所示，闭合开关S前请老师检查，老师指出图中标示的①、②两根连线有一处错误，错误连线是________(填“①”或“②”)；图中标示的③、④和⑤三根连线有一处错误，错误连线是________(填“③”、“④”或“⑤”)。

小王正确连线后，闭合开关S前，应将滑动变阻器滑片C移到________处(填“A”或“B”)。

闭合开关S，此时电压表读数为________V，缓慢移动滑片C至某一位置时，电流表指针如图乙所示，电流表的示数为________A。

甲乙
图3
解析本实验的电路图如图所示，
应该采用分压式、外接法，所以①、④两根导线有问题。

实验开始时为了保证实验仪器的正常使用，需要将C拨到最左端，即A
处，开关闭合后，电压表读数为0 V。

图乙中电流表的读数为0.32 A(不
需要估读)
答案①④A0 0.32
3．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4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________两点。

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。

图4
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两点；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两点。

答案电压c电流b
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5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5
①__________________________________________________________________。

②__________________________________________________________________。

解析(1)因为要求灯泡两端电压从0开始变化故应选用分压式；
(2)连接实物时应该断开电键，且滑动变阻器的滑动触头应滑到b端。

答案(1)分压
(2)①电键S应处于断开状态
②滑动变阻器滑动触头位置不当，应将其置于b端。