2020_2021学年高中物理第3章恒定电流实验二：描绘小灯泡的伏安特性曲线学案鲁科版选修3_1

实验二：描绘小灯泡的伏安特性曲线
[学习目标]
1.掌握电流表、电压表和滑动变阻器的使用方法。

(物理观念)
2.会根据实
验原理正确选择实验器材和实验电路。

(科学思维)3.会通过描点法描绘小灯泡的伏安特性曲
线。

(科学探究)
一、实验原理和方法
1．实验电路：小灯泡的电阻很小，电流表采用外接法；因电压要求从零开始连续变化，
故滑动变阻器采用分压式接法。

2．曲线形状：以I 为纵轴、U 为横轴画出小灯泡的I ­U 图线，由于金属的电阻率(电阻)随温度的升高而增大，其伏安特性曲线不是一条直线。

3．滑动变阻器的两种接法(1)两种接法的比较
名称
限流式接法
分压式接法
电路图
闭合开关前滑片位
置
使滑动变阻器所用的电阻最大(电阻R 的电流最小)，滑片应位于最左端
使滑动变阻器与负载R 并联的电阻为零(R 的电流、电压为零)，滑片应位于最左端
负载两端的电压调
节范围R
R 0＋R U ～U 0～U
通过负载的电流调
节范围U R 0＋R ～U R
0～
U R
负载正常工作时电
路的效率
电路中总电流等于负载R 的电流，电路效率较高
电路中总电流大于负载R 的电流，电路效率较低
(2)两种接法的选择：由于限流式接法电路简单，耗能低，所以通常采用滑动变阻器的限流式接法，但在以下三种情况中，必须选择分压式接法。

a.当待测电阻远大于滑动变阻器的最大阻值，且实验要求的电压变化范围较大(或要求测量多组数据)时，必须选用分压电路。

b.若采用限流接法，电路中实际电压(或电流)的最小值仍超过负载电阻或电表的额定值时，只能采用分压式接法。

c.要求回路中某部分电路的电流或电压必须从零开始连续调节时(如测定导体的伏安特性，校对改装后的电表等)，即大范围内测量时，必须采用分压式接法。

二、实验器材
小灯泡、4～6V学生电源、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线、坐标纸。

三、实验步骤
1．按实验电路图连接电路，且使滑动变阻器的触头P滑至A端。

2．闭合开关，使触头P逐渐向B移动，测出多组不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格。

3．断开开关，拆除电路，整理器材。

四、数据处理
1．列表格：将记录的9组U、I值记录在表格中。

实验次数123456789 U
I
2.描曲线：在坐标纸上以电流I为纵轴、电压U为横轴建立直角坐标系，描点绘出I­U 曲线。

3．分析规律：分析曲线变化规律，分析曲线不是直线的原因。

五、误差分析
1．测量时，未考虑电压表的分流，造成测得的I值比真实值偏大，而产生系统误差。

2．测量时读数不准，描绘I­U图线时作图不准确产生偶然误差。

六、注意事项
1．描绘I­U图线要求电压、电流从零开始变化，因此滑动变阻器采用分压接法。

小灯泡的电阻较小，电流表采用外接法。

2．调节滑片时应注意使电压表的示数不要超过小灯泡的额定电压，且要使实验中测出的各组数据均匀，间隔大致相等。

3．作图时两坐标轴的标度要适当，尽量使测量数据画出的图线占满坐标纸。

连线时误差较大的点要舍去，要用平滑的曲线而不能画成折线。

【例1】有一个小灯泡上标有“4V2W”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(0～5V，内阻为10kΩ)
B.电压表(0～15V，内阻为20kΩ)
C.电流表(0～3A，内阻为1Ω)
D.电流表(0～0.6A，内阻为0.4Ω)
E.滑动变阻器(10Ω，2A)
F.滑动变阻器(500Ω，1A)
G.学生电源(直流6V)、开关、导线若干
(1)实验时，选用图甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：_________________________________________。

甲乙
(2)实验中所用电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________。

(用序号字母表示)
(3)把图丙中所示的实验器材用实线连接成实物电路图。

丙
[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比较合适，这样电压可以从零开始调节，且能方便地测多组数据。

(2)因小灯泡额定电压为4V，则电压表选0～5V 的电压表A，而舍弃0～15V 的电压表B，因为15V 的量程太大，读数误差大。

小灯泡的额定电流I ＝0.5A，则电流表选D。

滑动变阻器F 的最大阻值远大于小灯泡的电阻，调节不方便，故舍弃。

(3)小灯泡电阻为电流表内阻的80.4＝20倍，电压表内阻是小灯泡电阻的1×104
8＝1250
倍，故电流表采用外接法。

[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)如图所示
【例2】图甲为“测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3V。

甲乙
丙
(1)在图乙所示的虚线框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。

编号12345678 U/V0.200.60 1.00 1.40 1.80 2.20 2.60 3.00 I/A0.0200.0600.1000.1400.1700.1900.2000.205小灯泡发光
不亮微亮逐渐变亮正常发光情况
(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甲所示。

甲
(2)①为保护电路安全，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I ­U 图线如图乙所示。

乙
(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根据I ­U 图线可得电压U ＝3V 时，I ＝0.205A，所以小灯泡正常工作时的电阻约为R ＝30.205
Ω≈14.6Ω。

[答案]
(1)见解析图
(2)①左
③见解析图
(3)①先不变，后逐渐增大②增大
③14.6Ω
“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验的四点注意
(1)被测小灯泡电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法。

(2)本实验要作I ­U 图象，要求电压值、电流值从零开始，故滑动变阻器要采用分压式接法。

(3)开关闭合前，滑动变阻器滑片应移到使小灯泡两端电压为零处。

(4)在连接实物图时要注意连接的顺序、电表量程、接线柱的正负以及导线不能交叉等。

1．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
0～3V
0～15V
0～3A
0～0.6A
[解析]表中0～3V量程的电压表和0～3A量程的电流表读数方法相同，精确度分别是0.1V、0.1A，要读到小数点后面两位，由题图可知，示数分别为2.14V、0.80A。

对于0～15V量程的电压表，精确度是0.5V，要读到0.1V，由题图可知，示数为10.7V。

对于0～0.6A量程的电流表，精确度是0.02A，在读数时只要求读到小数点后面两位，要读到最小刻度的一半0.01A，由题图可知，示数为0.16A。

[答案] 2.14V10.7V0.80A0.16A
2．为探究小灯泡L的伏安特性，连接好如图所示的电路后闭合开关，通过移动滑动变阻器的滑片，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，由电流表和电压表的读数得到多组数据并描绘出U­I图线，则下列各图正确的是()
A B C D
C[小灯泡的灯丝是金属电阻丝，其电阻是非线性的，会随温度的升高而变大。

开始时电压较低没有发光，灯丝的温度较低，其电阻变化不明显，所以U­I图象接近直线。

但随着电压的不断增大，灯泡发光，温度变化很大，因而其电阻值也变化很大，所以其U­I图象为曲线，故选项C正确。

]
3．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，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、开关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________(选填“分压式”或“限流式”)接法。

(2)某同学已连接如图所示的电路，在连接最后一根导线的c端到直流电源正极之前，请指出其中仅有的两个不当之处，并说明如何改正。

A.____________________________________________________
_____________________________________________________；
B．__________________________________________________
_____________________________________________________。

[解析](1)因为灯泡两端的电压要从0开始调节，故滑动变阻器只能采用分压式接法。

(2)A.在电路接好并检查是否正确连线之前，开关S应处于断开状态，以免因接线错误而导致仪表损坏；B.接为分压电路时，滑动变阻器的电阻(和小灯泡并联部分)应从最小值开始调节，故滑片应先置于b端。

[答案](1)分压式(2)A.开关S不应闭合，应处于断开状态B．滑动变阻器滑片位置不当，应将其置于b端
4．某同学在做“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，得到如下表所示的一组U­I数据：
编号12345678
U/V0.200.60 1.00 1.40 1.80 2.20 2.60 3.00
I/A0.0200.0600.1000.1400.1700.1900.2000.205
(1)根据表中数据在坐标图上画出U­I图线。

(2)当U<1.40V时，灯丝电压与电流成________比，灯丝电阻________；当U>1.40V时，灯丝的温度逐渐升高，其电阻随温度升高而________。

[解析](1)根据给出的数据描点，并用平滑的曲线连接，如图所示。

(2)从图象得到，当U<1.40V时，灯泡电压与电流成正比，灯丝电阻不变；当U＞1.40V 时，图线斜率逐渐增大，故其电阻随温度的升高而增大。

[答案](1)见解析图(2)正不变增大
5．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的器材有：
A．小灯泡：规格为“3.8V0.3A”
B．电流表：量程0～0.6A，内阻约为0.5Ω
C．电流表：量程0～3A，内阻约为0.1Ω
D．电压表：量程0～5V，内阻约为5kΩ
E．滑动变阻器：阻值范围0～10Ω，额定电流2A
F．电池组：电动势6V
G．开关一只，导线若干
(1)为了使测量尽可能地准确，需要使小灯泡两端电压从0逐渐增大到3.8V且能方便地进行调节，因此电流表应选________。

(填器材前的选项符号)
(2)根据你选用的实验器材，画出实验电路图，并将如图所示的器材连成实物电路。

[解析](1)因小灯泡的额定电流为0.3A，为减小读数误差，应让指针偏角大一些，故电流表选B。

(2)由电流表外接和滑动变阻器采用分压式接法，电路图如图甲所示，由电路图连接的实物图如图乙所示。

甲
乙
[答案](1)B(2)见解析
6．有一个小灯泡上标有“4V2W”的字样，现在要用伏安法测绘这个小灯泡的伏安特性曲线。

现有下列器材供选用：
A．电压表V
(0～5V，内阻约10kΩ)
1
(0～10V，内阻约20kΩ)
B．电压表V
2
(0～0.3A，内阻约1Ω)
C．电流表A
1
(0～0.6A，内阻约0.4Ω)
D．电流表A
2
E．滑动变阻器R 1(0～10Ω，2A)F．滑动变阻器R 2(0～100Ω，0.2A)G．学生电源(直流6V)，开关及导线
(1)为了调节方便，测量尽可能准确，实验中应选用电压表________，电流表________，滑动变阻器________。

(填写器材前的选项符号)
(2)为使实验误差尽量减小，要求从零开始多取几组数据，请在虚线框中画出实验电路图。

(3)如图所示，P 为I ­U 图线上的一点，PN 为图线上P 点的切线，PQ 为U 轴的垂线，PM 为I 轴的垂线，则由图可知：随着所加电压的增加，小灯泡的电阻将________(选填“增大”“减小”或“不变”)；对应P 点，小灯泡的电阻值约为________Ω。

(结果保留三位有效数字)
[解析]
(1)灯泡额定电压为4V，电压表选A。

灯泡额定电流I ＝P U ＝2
4
A＝0.5A，则电
流表选D。

为方便实验操作，滑动变阻器选E。

(2)电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法；灯泡正常发光时电阻R ＝U
I
＝
40.5Ω＝8Ω，R R A ＝8Ω0.4Ω＝20，R V R ＝10000Ω8Ω＝1250，R V R ＞R R A ，则电流表应采用外接法，电路图如图所示。

(3)由图象可知，随着所加电压的增加，通过小灯泡的电流增大，电压与电流的比值也增
大，即灯泡电阻增大；在P 点U ＝2.4V，I ＝0.45A，此时灯泡电阻R ＝U I ＝2.4
0.45
Ω＝5.33Ω。

[答案]
(1)A
D
E
(2)电路图见解析
(3)增大
5.33
7．如图甲是小红同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图。

甲
乙
(1)根据图甲在虚线框内画出实验电路图。

(2)调节滑动变阻器得到了两组电流表与电压表的示数如图乙中的①、②、③、④所示，电流表量程为0.6A、电压表量程为3V。

所示读数为：①________、②________、③________、④__________。

两组数据得到的电阻分别为________和________。

[解析]
(1)根据实物图画出电路图如图所示。

(2)由实物图可知，电流表接的是0.6A 的量程，电压表接的是3V 的量程，因此①的读数为0.02A×5＝0.10A，
②的读数为0.02A×12＝0.24A，③的读数为0.1V×20.0＝2.00V，④的读数为0.1V ×2.7＝0.27V。

两组数据得到的电阻R 1＝U 1I 1＝2.00
0.24Ω＝8.3Ω，
R 2＝U 2I 2＝0.270.10
Ω＝2.7Ω。

精品文档，名师推荐！
———————欢迎下载，祝您学习进步，成绩提升———————[答案](1)电路图见解析
(2)0.10A0.24A 2.00V0.27V(8.3±0.1)Ω(2.7±0.1)Ω(后两空答案可互换)
-11-。