高考物理一轮复习第七章 恒定电流 实验七 描绘小灯泡的伏安特性曲线 教学案

一、滑动变阻器的限流接法和分压接法
1．两种接法比较
由上表可以看出：滑动变阻器的分压式接法中，电压和电流的调节范围大，限流式接法较节能．
2．两种接法的选择
(2)两种接法的适用条件
①限流式接法适合测量阻值小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小)．
②分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的总电阻要大)．
③如果R很小，限流式接法中滑动变阻器分得电压较大，调节范围也比较大．R很大时，分压式接法中R几乎不影响电压的分配，滑片移动时，电压变化接近线性关系，便于调节．a．若采用限流式接法不能控制电流满足实验要求，即若滑动变阻器阻值调到最大时，待测电阻上的电流(或电压)仍超过电流表(或电压表)的量程，或超过待测电阻的额定电流(或电压)，则必须选用分压式接法．
b．若待测电阻的阻值比滑动变阻器总电阻大得多，以致在限流电路中，滑动变阻器的滑片从一端滑到另一端时，待测电阻上的电流或电压变化不明显，此时，应改用分压电路．c．若实验中要求电压从零开始调节，则必须采用分压式接法．
d．两种电路均可使用的情况下，应优先采用限流式接法，因为限流式接法电路简单、耗能低．
二、描绘小电珠的伏安特性曲线
实验目的
1．描绘小电珠的伏安特性曲线．
2．分析小电珠伏安特性曲线的变化规律．
实验原理
1．用电流表测出流过小电珠的电流，用电压表测出小电珠两端的电压，测出多组(U，I)值，在U－I坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连起来．
2．电流表外接：因为小电珠的电阻很小，如果电流表内接，误差明显较大；滑动变阻器采用分压式接法，使电压能从零开始连续变化．
实验器材
小电珠(3.8 V,0.3 A)或(2.5 V,0.6 A)一个、电压表(0～3 V～15 V)与电流表(0～0.6 A～3 A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20 Ω)一个、学生低压直流电源(或电池组)、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔．
实验步骤
1．确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分
压式接法，按图1的原理图连接好实验电路．
图1 2．把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后闭合开关S.
3．移动滑动变阻器滑片位置，测出多组不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入
表格中，断开开关S.
4．拆除电路，整理仪器．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．在坐标纸上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结起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线．
误差分析
1．由于电压表、电流表不是理想电表，电表内阻对电路的影响会带来误差．
2．电流表、电压表的读数带来误差，要严格按照读数规则读数．
3．在坐标纸上描点、作图带来操作误差．
注意事项
1．电路的连接方式
(1)电流表应采用外接法，因为小电珠(3.8 V,0.3 A)的电阻很小，与0～0.6 A的电流表串联时，电流表的分压影响很大．
(2)滑动变阻器应采用分压式接法，目的是使小电珠两端的电压能从零开始连续变化.
2．闭合开关S前，滑动变阻器的触头应移到使小电珠分得电压为零的一端，使开关闭合时小电珠的电压从零开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏灯丝．
3．I－U图线在U0＝1.0 V左右将发生明显弯曲，故在U0＝1.0 V左右描点要密，以防出现较大误差．
4．电流表选择0.6 A量程，电压表量程的选择视小电珠的额定电压而定，即若使用“3.8 V,0.3 A”的小电珠，选用电压表的15 V量程；若使用“2.5 V,0.6 A”的小电珠，则选用电压表的3 V量程．
5．当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加，到额定值记录后马上断开开关．
6．误差较大的点要舍去，I－U图线应是平滑曲线而非折线．
实验改进
一种测小电珠的电阻的准确方法
实验原理：如图2所示，两个电压表完全相同且内阻很大．移动滑动触头，调节电阻箱的示数，使两个电压表示数相同，则电阻箱的读数即为小电珠电阻，记下小电珠的电阻和电压；多次移动滑动触头，采用相同方法，记下相应电阻箱示数和
电压表的读数．在坐标纸上画出R－U图线，并分析R随U变化的规律．
图2
在描绘小电珠的伏安特性曲线的实验中，由于电表内阻的影响，会产生系统误差使得小电珠的电阻测量不准确.上述实验方法可以消除这种误差，操作、读数也较方便.
记忆口诀
电路连接是关键，先串后并把线连,
滑动变阻要分压，A表外接减误差,
电压从零开始调，U－I坐标连曲线,
连好曲线细研究，得出规律记心间.
例1图3中所示器材为某同学测绘额定电压为2.5 V的小灯泡的I－U特性曲线的实验器材．
(1)根据实验原理，用笔画线代替导线，将图中的实验电路图连接完整．
图3
(2)开关S闭合之前，图中滑动变阻器的滑片应该置于________．(选填“A端”、“B端”或“AB
中间”)
(3)实验中测得有关数据如下表：
根据表中的实验数据，在图4中画出小灯泡的I－U特性曲线．
图4
(4)若已知小灯泡灯丝在27 °C时电阻值约为1.5 Ω，并且其电阻值与灯丝的热力学温度成正比，试估算该小灯泡以额定功率工作时灯丝的温度约为______°C.(保留三位有效数字) 例2某同学想描绘某一热敏电阻的伏安特性曲线，实验室提供下列器材：
A．电压表V(量程为0～5 V，内阻约5 kΩ)
B．电流表A1(量程为0～25 mA，内阻约为0.2 Ω)
C．电流表A2(量程为0～0.6 A，内阻约为0.1 Ω)
D．滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流1.5 A)
E．滑动变阻器R2(0～1 000 Ω，额定电流0.5 A)
F．定值电阻R0(R0＝1 000 Ω)
G．直流电源(电动势6 V，内阻忽略不计)
H．电键一个、导线若干
(1)该同学选择了适当的器材组成描绘伏安特性曲线的电路，得到热敏电阻电压和电流的7组数据(如下表)，请你在图5中作出热敏电阻的伏安特性曲线.
图5
(2)由此曲线可知，该热敏电阻的阻值随电压的增大而________(选填“增大”或“减小”)．该同学选择的电流表是________(选填“B”或“C”)，选择的滑动变阻器是________(选填“D”或“E”)．
(3)请在虚线框中画出该同学完成此实验的电路图(热敏电阻符号为)
【实验电路设计的思路与方法】
电路设计也是高考实验题中常考题型之一．首先应明确题目的要求，看清题目要求测定什么物理量，验证、探究什么物理规律，或要求设计达到何种标准的电路等．其设计原则是：安全、方便、经济．任何实验电路都由测量电路和控制电路构成，测量电路又由电表和被测元件构成，而控制电路由变阻器、开关、电源构成．在测量电路中，一般由电流表内接和外接两种方式，对于给定电表内阻的情况，应先比较R0与待测电阻R x的关系，其中R0＝R A R V，若R x>R0，则设计为内接；若R x<R0，则设计为外接；若电表量程不合适，往往还要用定值电阻对电表进行改装．在控制电路中，变阻器有分压式、限流式两种接法，若变阻器阻值较小，一般设计为分压式；若变阻器阻值较大，一般设计为限流式，在二者都可行时，应先考虑限流方式，但下面三种情形必须设计为分压式接法：①数据要求从0开始；②变阻器阻值太小、限流限不住；③变阻器调节时，不能获取有区分度的多组数据．
例3某同学为了描绘一个标有“12 V,6 W”的小灯泡的伏安特性曲线，他到实验室寻找到了一些仪器，但没找到电压表，找到的器材规格如下：
A．电流表A1(0～0.5 A，内阻为0.5 Ω)
B．电流表A2(0～0.6 A，内阻约为0.3 Ω)
C．电阻箱R1(0～9 999.9 Ω，最小调节量0.1 Ω)
D．电阻箱R2(0～99.9 Ω)，最小调节量0.1 Ω)
E．滑动变阻器R3(0～50 Ω，额定电流为1.5 A)
F．滑动变阻器R4(0～5 Ω，额定电流为3 A)
G．16 V直流电源
H．开关、导线若干，待测灯泡
利用现有器材，结合所学知识，请你替这位同学设计本实验．
(1)画出实验原理图；
(2)以上器材中电阻箱应选用________，滑动变阻器应选用________(填代号)．
(3)写出小灯泡两端电压的表达式，并说明式中符号的意义：
_______________________________________________________________________ 答案
课堂探究
例1(1)如图所示
(4)1.64×103(1.58×103～1.65×103均对)
例2(1)如下图所示(2)减小B D
(3)如图所示
(2)R1R4
(3)(I2－I1)R1－I1R A1
I1、I2分别是A1、A2的读数，R1、R A1分别是R1、A1的阻值
【当堂巩固】
1．在描绘小电珠的伏安特性曲线时，采用如图7－4－5所示电路，实验中发现移动滑动变阻器的滑片时，电流表的示数变化而电压表的指针不动，下列原因可能的是()
图7－4－5
A．灯泡中灯丝已烧断
B．滑片接触不良
C．灯泡内部短路
D．滑动变阻器A端接触不良
解析：选C.由题图知，移动滑片时，因电流表示数有变化，故和电流表串联的回路中不
存在断点，故A错．若滑片接触不良，电路中不可能有电流，故B错．若滑动变阻器A端接触不良，滑片移动时电流表和电压表读数均变化，故D错．若灯泡内短路则灯泡两端电压为零，电压表指针不变，移动滑片时，只有电流表指针变化，故选C.
2．为探究小电珠L的伏安特性，连好如图7－4－6所示的电路后闭合开关，通过移动变阻器的滑片，使小电珠中的电流由零开始逐渐增大，直到小电珠正常发光，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7－4－7
解析：选C.由于小电珠灯丝的电阻随温度的升高而增大，随着电珠两端电压逐渐增大，灯丝温度逐渐升高，其电阻逐渐增大，则在U－I图象中斜率应逐渐增大，故C正确．3．“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验中，选用的电路图应是()
图7－4－8
解析：选B.由于小灯泡的电阻很小，所以电流表应外接，故A、C错；又因描绘小灯泡的伏安特性曲线从电压为零开始，所以要用分压接法，故B选项正确，D错．
4．有一规格为“220 V 100 W”的灯泡，现用一准确的欧姆表测其电阻，测量的结果是( )
A ．大于484 Ω
B ．等于484 Ω
C ．小于484 Ω
D ．无法确定
解析：选C.R ＝U 2P ＝2202
100 Ω＝484 Ω，是灯发热状态下的电阻．用欧姆表测量时，灯丝温
度为室温，所以其阻值比484 Ω小．
5．(2012·浙江五校联考)有一个小灯泡上有“4 V 2 W”的字样，现要描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(0～5 V ，内阻10 kΩ)
B ．电压表(0～10 V ，内阻20 kΩ)
C ．电流表(0～0.3 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(1 kΩ，1 A)
G ．学生电源(直流6 V)，还有电键、导线若干
(1)实验中所用电压表应选______，电流表应选______，滑动变阻器应选______(用序号字母表示)．
(2)为使实验误差尽量减小，要求从零开始多取几组数据，请在方框内画出满足实验要求的电路图．
图7－4－9
(3)某同学通过实验得到的数据画出了该小灯泡的伏安特性曲线(如图7－4－9所示)，若用电动势为3 V 、内阻为2.5 Ω的电源给该小灯泡供电，则该小灯泡的实际功率是______ W.
答案：(1)A D E (2)如图
(3)0.8
6．发光晶体二极管是用电器上做指示灯用的一种电子元件．它的电路符号如图7－4－10甲所示，正常使用时，带“＋”的一端接高电势，带“－”的一端接低电势．某同学用实验方法探究二极管的伏安特性，现测得它两端的电压U和通过它的电流I的数据如表中所示.
图7－4－10
(1)在图乙中的虚线框内画出实验电路图．(除电源、开关、滑动变阻器外，实验用电压表V：内阻R V约为10 kΩ，电流表mA：内阻R A约为100 Ω)
(2)在图丙中的小方格纸上用描点法画出二极管的伏安特性曲线．
(3)根据(2)中画出的二极管的伏安特性曲线，简要说明发光二极管的电阻与其两端电压的关系__________________．
解析：(1)同时测定二极管上的电流和电压时，由欧姆定律分析表格中的每一组数据，可以看出发光二极管的电阻是变化的，变化的范围大约在100～500 Ω之间，故电流表的内阻对测量结果影响较大，利用电流表外接法误差较小．而测量数据应从0开始，滑动变阻器采用分压式接法，才能得到足够多的数据．
(2)将表格提供的数据在方格纸上描点，平滑连接各点可画出U－I图线．
答案：(1)实验电路图如图所示
(3)发光二极管的电阻随其两端电压的增大而呈现非线性减小
7．(2012·宁波模拟)在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中，用导线a、b、c、d、e、f、g和h按如图7－4－11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7－4－11
(1)若不管怎样调节滑动变阻器，小电珠亮度能发生变化，但电压表、电流表的示数总不能为零，则可能是______导线断路．
(2)某同学测出电源和小电珠的U－I图线如图7－4－12所示，将小电珠和电阻R串联后接到电源上，要使电路中电流为1.0 A，则R＝______ Ω.
图7－4－12
(3)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7－4－13中的a 、b 、c ，下列说法正确的是________．
图7－4－13
A ．a 可以作为标准电阻使用
B ．b 能作为标准电阻使用
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，小电珠的亮度变化，但电压表、电流表示数总不能为零，说明滑动变阻器不起分压作用，所以可能是g 导线断路．
(2)由电源的U －I 图线知E ＝3.0 V ，r ＝1 Ω，当小电珠与电阻串联后，由闭合电路欧姆定律得E ＝I (R ＋r ＋R 灯)
又由小电珠的U －I 图线得 R 灯＝U
I ＝1.2 Ω
解得R ＝0.8 Ω.
(3)因a 元件的I －U 线是直线，说明其阻值不随电压的变化而变化，故可作为标准电阻，故A 对，B 错；因I －U 图线的斜率的倒数表示电阻值，故C 对，D 错．
答案：(1)g (2)0.8 (3)AC。