实验描绘小灯泡的伏安特性曲线

八、实验描绘小灯泡的伏安特性曲线
【要点导学】
1．由于金属导体的电阻率随温度的升高而_________，从而使小电珠的灯丝的电阻随温度的升高而__________，因而它的伏安特性线是__________(填“直线”或“曲线”)。

2．实验器材选择：
小灯泡(4V,O.7A或3.8V,0.3A)
学生电源(4～6V)
滑动变阻器(15Ω,1A)
伏特表(0-3V-15V)
安培表(0-0.6A-3A)
电键、导线
3．电路的选择：
由于小灯泡的电阻较小，为减小误差，可采用安培表外接法，教师要引导学生讨论，选安培表外接法还是内接法？为什么选外接法？让学生学到的知识、方法在新情景中运用，提高学生运用知识解决问题的能力。

本实验要求小灯泡的电压变化范围较大（从零开始逐渐增大到接近额定电压），因此滑动变阻器应采用分压器方式的接法。

教师要引导学生进行分析，让学生知道电压如何变化，并知道接通电路前，滑动触点应放在何处。

本实验的电路图如图14—8—1所示。

4．实验电路的连接：
这是学生进入高中第一次做恒定电流实验，在连接电路
上要给予学生适当的帮助。

接线顺序为“先串后并”，具体到本实验：先把电源、开
关、滑动变阻器的两个固定接线头连成一个固定电路，再把
图14—8—1
电流表、灯泡串联起来，并在滑动变阻器的固定接线头和滑
动接线头上，最后把电压表并联在灯泡两端。

接线时，注意仪表和电源的极性。

电表量程选择的原则是：使测量值不超过量程的情况下，指针尽量偏转至3/4量程处。

电路接好后合上电键前要检查滑动变阻器滑动触点的位置，使开始实验时，小灯泡两端的电压为最小，可使滑动触点P滑至变阻器与小灯泡连接的那个固定接线柱的一端。

5．数据的收集与处理
合上电键后，移动滑动变阻器的滑动触点，改变小灯泡两端的电压，每改变一次，读出电压值和相应的电流值。

可以引导学生设计记录数据的表格。

U/V
I/A
在坐标纸上，将表格中的数据，用描点法画出U-I图线。

【范例精析】
例1．如图14—8—2所示是某同学在实验中得到的小灯泡（3.8V,0.3A）的伏安特性曲线如图所示，为什么曲线的斜率越来越大?
解析：当小灯泡两端的电压升高,电流增大时,小灯泡的功率就越大,灯丝的温度越来越
高,由于金属的温度越高电阻率也越大,所以小灯的电
阻随着电压的升高而增大.图线上电压、电流较大的区
域△U /△I 值较大，正是反映了电阻较大。

拓展：虽然小灯泡的电阻随着温度的升高而增大，
但由小灯泡的伏安特性曲线可以看出，在2~4V 这个区
域里，曲线的斜率几乎不变，也就是说，当灯泡两端
的电压在额定电压附近变化（小灯泡接近正常发光）
时，灯丝的电阻变化很小，我们在一般计算时可以忽略这个变化，把它的电阻当作不变进行计算。

例2．现有一只“6.3V 1W”的小灯泡，要通过实验测定在额定电压时的灯丝电阻，实验器村有：
①“6.3V 1W”的小灯泡一只；
②电压表（0∽3∽15）一只；
③电流表（10mA 、电阻R g =200Ω）一只；
④滑动变阻器（0∽10Ω，最大允许电流2A ，0∽200Ω，最大允许电流2A ，各一只）； ⑤学生电源（有4V 、6V 、8V 3档）一个；
⑥米尺一把；
⑦电键一只，导线十根；
⑧电工工具（包括砂纸、刀等）；
⑨直径为0.23mm ，电阻率ρ=4.35×10-7Ω•m 的电阻丝200cm.
（1）选用哪些器材，如何连接电路图？画出电路图，说明所用器材的规格，如需改装说明如何改装？ （2）如图14—8—3所示是实验所得的伏安曲线，试回答：实验所描绘的小灯泡的伏安特性曲线说明了什么？在额定电压下，小灯泡的电阻是多少？
（3）本实验可能产生的误差的主要原因有哪些？
解析：①选用器材：小灯泡“6.3V 1W”一只，电压表0∽15V 一只，电流表10mA 一只，滑动变阻器0∽200Ω一只，学生电源（8V ）一只，米尺一把电键一只，导线若干，电工工具，电阻丝等。

其中10mA 的电流表需并联电阻，改装成200mA 的电流表。

图14—8—2 0 6 20 40 60 80
100
120 U /V I /mA 图14—8—3
G
V 8V R 6.3V 1W 10.5Ω 图14—8—4
Ω=⨯⨯⨯==--5.1020010190101033g R g
R I I R
根据电阻定律：S L R ρ=得cm RS L 10010
35.410)115.0(5.10762=⨯⨯⨯⨯==--πρ 电路图如图14—8—4所示。

②实验所得的伏安特性曲线说明了灯丝电阻随所加电压的增大而增大，原因是温度升高，金属的电阻率增大。

在额定电压时：Ω==
5.4813.03.6A
V R 灯 ③引起系统误差的原因：a.电流表和电压表的灵敏度；b.电路结构。

引起偶然误差的原因：a.读数不准确；b.描点不准确。

拓展：本题是一道综合性试题，考查要点是器材选择，解题关键是根据电器的有关数据选择合适器材，结合电路图画出实物图对U —I 图象进行分析、误差来源分析。

【能力训练】
1．小灯泡的I —U 图象是否是直线，其原因是___________________________________.
2．测量小灯泡的电压时，电压的调节方法是_________________(填“从大到小”或“从小到大”)，原因是__________________________________________________________.
3． 小灯泡的伏安特性曲线如图14—8—5中的AB 段（曲线）所示，由图可知，灯丝的电阻因温度的影响改变了________Ω.
4．如图14—8—6所示，由电源、小灯泡、电阻丝、开关组成的电路中，当闭合开关S 后，小灯泡正常发光，若用酒精灯加热电阻丝时，发现小灯泡亮度变化了，发生这一现象的主要原因是 （ ）
A ．小灯泡电阻发生了变化
B ．小灯泡灯丝的电阻率随温度发生了变化
C ．电阻丝的电阻率随温度发生了变化
D ．电源电压随温度发生了变化
5．有一个灯泡的规格是“220V ，100W”，现在用一个较准确的欧姆表测量其电阻，测得的结果是 （ ）
A ．大于484Ω
B ．等于484Ω
C ．小于484Ω
D ．无法确定
6．通过实验描绘一个“2.5V 0.2W”小灯泡的伏娄特性曲线，可供选择的实验器材有： U /V I /(×10-1A) 3 6 0 0.5 1.0 1.5 A B 图14—8—5 图14—8—6
A ．量程0∽0.6A ，电阻0.2Ω的电流表；
B ．量程0∽100mA ，电阻5Ω的电流表；
C ．量程0∽3V ，电阻10kΩ的电压表；
D ．量程0∽15V ，电阻50kΩ的电压表；
E ．最大阻值为20Ω，额定电压流为0.1A 的滑动变阻器；
F ．最大阻值为1kΩ，额定电压流为0.1A 的滑动变阻器；
G ．蓄电池6V 、导线、电键等；
要求实验中灯泡电压从零开始逐渐增大到额定电压。

（1）电压表应选用______，电流表应选用_____，滑动变阻器应选用_____(填器材代号)；
（2）画出电路图；
（3）若实验操作、读数都正确，得到的曲线如图14—8—7所示，弯曲的原因是______________________________________________.
【素质提高】 7．为研究小灯泡的伏安曲线的特性，选用小灯泡额定值为“3．0 V ，0．4 A”，实验中有仪器：安培表、伏特表、电键、导线若干外；还需要 ________、__________。

(1)根据所学的知识，通过查资料、与同学讨论思考后回答下列问题：
实验中用两电表测量小灯泡两端的电压和流过小灯泡的电流时，电路怎样连接才能使测得灯泡的电阻误差较小?为什么?
(2)为使加在小灯泡的电压从零开始，能在较大的范围调节，滑动变阻器应采用怎样连接?在方框内画出相关的电路图。

(3)请根据你画的电路图，把图14—8—8中的实验器材连成符合要求的实验电路。

(4)为使读数误差尽可能小，电压表的量程应选用________档，电流表的量程应选用_______档，为保证实验安全，测量范围不能超过_______V 和_____A ，开始做实验闭合S 前，应把P 移到________端。

(5)若实验中测得某一小灯泡的电流强度和电压之值如下表，请在图14—8—9中画出U-I 图线，该小灯泡的电阻有何特征?并从中分析其主要原因。

0 I
U 图14—8—7
图14—8—8
I/A O．10 O．20 O．26 O．30 0.36 O．40 O．44 O．48 O．52 O．56
U/V 0.05 O．14 0.21 0.30 O．48 O．70 1.02 1.48 1．96 2.50
图14—8—9
8．用一个标有“12 V，24 W”的灯泡做实验，测得灯丝电阻R随灯泡两端电压变化关系的图线如图14—8—10所示，利用这条曲线：
(1)计算正常发光条件下，灯丝的电功率。

(2)计算正常发光条件下灯丝的温度。

假设灯丝电阻与其绝对温度成正比，室温为300 K。

(3)一定值电阻与灯泡串联，接到20伏电压上，要使灯泡正常发光，串联的电阻为多大?
(4)当灯泡开关合上后，需0．5 s灯泡才能达到正常亮度，为什么这时灯泡电流比开始时小?计算电流的最大值。