测绘小灯泡的伏安特性曲线及U—I图象的物理意义

一、测绘小灯泡的伏安特性曲线

1．实验原理

(1)测多组小灯泡的U 、I ，并绘出I －U 图象； (2)由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系．

2．实验器材

小灯泡“3.8 V ,0.3 A ”、电压表“0～3 V ～15 V ”、电流表“0～0.6 A ～3 A ”、滑动变阻器、学生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔．

3．实验步骤

(1)画出电路图(如图甲)．

(2)将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如实验原理图乙所示电路． (3)测量与记录

移动滑动变阻器触头位置，测出12组左右不同的电压值U 和电流值I ，并将测量数据填入自己设计的表格中． (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在坐标纸上描出各组数据所对应的点．

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．

4．实验器材选取

(1)原则：①安全；②精确；③操作方便． (2)具体要求

①电源允许的最大电流不小于电路中实际最大电流．干电池中电流一般不允许超过0.6 A. ②用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流． ③电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值． ④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的1

3

以上．

⑤从便于操作来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用小阻值滑动变阻器．

5．规律方法总结

1．滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比较

两种接法的电路图

负载R上电压的调节范围

RE

R＋R0

≤U≤E 0≤U≤E

负载R上电流的调节范围

E

R＋R0

≤I≤

E

R0≤I≤

E

R

2.

(1)限流式接法适合测量阻值较小的电阻(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．注意事项

(1)电流表外接法：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：本实验要作出U－I图象，要求测出多组包括零在内的

电流、电压值，故控制电路必须采用分压式接法．

(3)保护元件安全：为保护元件不被烧毁，开关闭合前滑动变阻器的滑片应位于最大电阻

处，加在小灯泡两端的电压不要超过其额定电压．

4．误差分析

(1)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，电流表外接，

由于电压表的分流，使测得的电流值大于真实值．

(2)测量时读数带来误差．

(3)在坐标纸上描点、作图带来误差.

例1某学习小组的同学拟探究小灯泡L的伏安特性曲线，可供选用的器材如下：

小灯泡L，规格“4.0 V0.7 A”；

电流表A1，量程3 A，内阻约为0.1 Ω；

电流表A2，量程0.6 A，内阻r2＝0.2 Ω；

电压表V，量程3 V，内阻r V＝9 kΩ；

标准电阻R1，阻值1 Ω；

标准电阻R2，阻值3 kΩ；

滑动变阻器R，阻值范围0～10 Ω；

学生电源E，电动势6 V，内阻不计；

开关S及导线若干．

①甲同学设计了如图1甲所示的电路来进行测量，当通过L的电流为0.46 A时，电压表的示数如图乙所示，此时L的电阻为________Ω.

甲 乙

图1

②乙同学又设计了如图2所示的电路来进行测量，电压表指针指在最大刻度时，加在L 上的电压值是________ V.

图2 图3

③学习小组认为要想更准确地描绘出L 完整的伏安特性曲线，需要重新设计电路．请你 在乙同学的基础上利用所供器材，在图3所示的虚线框内补画出实验电路图，并在图上

标明所选器材代号． 答案 ①5 ②4 ③见解析图

解析 ①电压表的示数U ＝2.30 V ，所以灯泡L 的电阻R L ＝U I ＝2.30

0.46

Ω＝5 Ω.

②由题图知电压表V 与R 2串联，根据串联分压，当电压表V 的示数为3 V 时，R 2两端的电压U 2＝U V r V R 2＝3

9 000×3 000 V ＝1 V ，所以灯泡两端的电压U ′＝U V ＋U 2＝(3＋1) V ＝4

V.

③要想更准确地描绘出L 完整的伏安特性曲线，则电压表的量程应变为4.0 V ，电流表的量程应变为0.7 A ，因此将电压表V 与标准电阻R 2串联改装成量程为4.0 V 的电压表，将电流表A 2与标准电阻R 1并联改装成量程为0.6 A ＋0.6×0.2

1 A ＝0.7

2 A 的电流表．故虚线

框内实验电路如图所示．

例2 物理兴趣小组的同学们从实验室中找到一只小灯泡，其标称功率值为0.75 W ，额定电压值已模糊不清．他们想测定其额定电压值，于是先用欧姆表直接测出该灯泡的电阻约

为2 Ω，然后根据公式计算出该灯泡的额定电压U＝PR＝2×0.75 V＝1.22 V．他们怀疑所得电压值不准确，于是，再利用下面可供选择的实验器材设计一个电路，测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘灯泡的U－I图线，进而分析灯泡的额定电压．

A．电压表V(量程3 V，内阻约3 kΩ)

B．电流表A1(量程150 mA，内阻约2 Ω)

C．电流表A2(量程500 mA，内阻约0.6 Ω)

D．滑动变阻器R1(0～20 Ω)

E．滑动变阻器R2(0～100 Ω)

F．电源E(电动势4.0 V，内阻不计)

G．开关S和导线若干

H．待测灯泡L(额定功率0.75 W，额定电压未知)

(1)在下面所给的虚线框中画出他们进行实验的电路原理图，指出上述器材中，电流表选择________(填“A1”或“A2”)；滑动变阻器选择________(填“R1”或“R2”)．

(2)在实验过程中，该同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加，当电压达到1.23 V时，发现灯泡亮度很暗，当达到2.70 V时，发现灯泡已过亮，便立即断开开关，并将所测数据记录在下边表格中.

次数1234567

U/V0.200.60 1.00 1.40 1.80 2.20 2.70

I/mA80155195227255279310

图4

(3)由图象得出该灯泡的额定电压应为________V；这一结果大于 1.23 V，其原因是________________________________________________________________________．

解析(1)根据P＝I2R，估算灯泡的电流大约是600 mA，因此电流表应选A2；本实验要描绘