1、实验八 测绘小灯泡的伏安特性曲线【实验目的】1.描绘小电珠的伏安特性曲线。2.分析伏安特性曲线的变化规律。实验必备自主回顾【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I-U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:因为小电珠的电阻较小,如果电流表内接,误差明显较大;滑动变阻器采用分压式,使电压能从零开始连续变化。3.滑动变阻器两种接法的对比:4.两种接法的选择:(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
2、阻器的总电阻要大)。(3)三种必须用分压接法的情况。若限流式不能保证安全,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。若RxR滑,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范围不够大,此时,应改用分压电路。若实验中要求电压从零开始调节,则必须采用分压式电路。5.两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。【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(03 V15 V)与电流表(00
3、.6 A3 A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20)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。【实验过程】一、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,按图中的原理图连接好实验电路。实验解读明辨方向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12组左右不同的电压值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。二、数据处理1.在坐标纸上以U为横轴,以I为纵轴,建立坐标系。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
4、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,就得到小电珠的伏安特性曲线。【误差分析】1.系统误差:由于电压表、电流表不是理想电表,电表内电阻对电路的影响带来的误差。2.偶然误差:(1)电压表、电流表的读数带来的误差。(2)在坐标纸上描点、作图带来的误差。【注意事项】1.电路的连接方式:闭合开关S前,滑动变阻器的滑片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小电珠。2.图象的画法:(1)I-U图线在U=1.0 V左右时将发生明显弯曲,故在U=1.0 V左右绘点要密,以防出现较大误差。(2)误
5、差较大的点要舍去,I-U图线应是平滑曲线而非折线。热点1实验电路的分析和器材的选取【典例1】(2020湖州模拟)某同学想要描绘标有“3.8 V0.3 A”字样的小灯泡L的伏安特性曲线,要求实验尽量准确。可供选择的器材除小灯泡、开关、导线外,还有:电压表V,量程05 V,内阻约5 k电流表A1,量程0500 mA,内阻约0.5 电流表A2,量程0100 mA,内阻约4 滑动变阻器R1,最大阻值10,额定电流2.0 A滑动变阻器R2,最大阻值100,额定电流1.0 A直流电源E,电动势约6 V,内阻可忽略不计典例研析热点突破(1)上述器材中,电流表应选_,滑动变阻器应选_(填写所选器材的字母符号)
6、。(2)该同学正确选择仪器后连接了图甲所示的电路,为保证实验顺利进行,并使误差尽量小,实验前请你检查该电路,指出电路在接线上存在的两项问题:_;_。(3)该同学校正电路后,经过正确的实验操作和数据记录,描绘出了小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示,由此推断小灯泡的电阻值随工作电压的增大而_(选填“增大”或“减小”或“不变”)。(4)该同学完成实验后又进行了以下探究:把两只这样的小灯泡并联,直接接在电动势为4 V、内阻为8 的电源上组成闭合回路。请你根据上述信息估算此时一只小灯泡的功率约为_W(结果保留2位有效数字)。【解析】(1)小灯泡额定电流为0.3 A,故电流表应选择A1;由于本实验中描绘小灯泡
7、的伏安特性曲线,要求电压从零开始,必须采用分压式接法,因此滑动变阻器应选择总阻值较小的R1;(2)由于灯泡内阻较小,为了减小实验误差,故只能采用电流表外接法,描绘小灯泡的伏安特性曲线,要求电压从零开始,必须采用分压式接法;该电路中采用电流表内接法以及限流式接法,故要改为电流表外接法和分压式接法。(3)I-U图象中图象上的点与坐标原点连线的斜率表示电阻的倒数,则可知,灯泡的电阻值随电压的增大而增大;(4)设灯泡电压为U,电流为I,当两只灯泡并联接在电源两端时,由闭合电路欧姆定律可得:U=E-2Ir,代入数据可得:U=4-16I,在原伏安特性曲线图象中作函数U=4-16I的图线,交点代表每只灯泡两
8、端的电压和流过每只灯泡的电流,如图所示:则由图可知,灯泡两端的电压为1.00 V,通过的电流为0.19 A,则灯泡的功率P=UI=1.000.19 W=0.19 W。答案:(1)A1R1(2)电流表应采用外接法 滑动变阻器应采用分压接法(3)增大(4)0.19(0.170.21)热点2实验原理的理解和电路的连接【典例2】(2020全国卷)某同学要研究一小灯泡L(3.6 V,0.30 A)的伏安特性。所用器材有:电流表A1(量程200 mA,内阻Rg1=10.0),电流表A2(量程 500 mA,内阻Rg2=1.0)、定值电阻R0(阻值R0=10.0)、滑动变阻器R1(最大阻值10)、电源E(电
9、动势4.5 V,内阻很小)、开关S和若干导线。该同学设计的电路如图(a)所示。(1)根据图(a),在图(b)的实物图中画出连线。(2)若I1、I2分别为流过电流表A1和A2的电流,利用I1、I2、Rg1和R0写出:小灯泡两端的电压U=_,流过小灯泡的电流I=_。为保证小灯泡的安全,I1不能超过_mA。(3)实验时,调节滑动变阻器,使开关闭合后两电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片位置并读取相应的I1和I2。所得实验数据在表中给出。根据实验数据可算得,当I1=173 mA时,灯丝电阻R=_(保留1位小数)。(4)如果用另一个电阻替代定值电阻R0,其他不变,为了能够测量完整的伏安特性曲线,所用
10、电阻的阻值不能小于_(保留1位小数)。I1/mA325585125144173I2/mA171229299379424470【解析】(1)如图所示(2)由欧姆定律得小灯泡两端的电压为U=I1(Rg1+R0),由串并联特点得流过小灯泡的电流I=I2-I1;小灯泡两端的最大电压为U=3.6 V,则I1的最大值为I1m=0.18 A=180 mA;(3)当I1=173 mA时,灯丝电阻R=11.6;(4)小灯泡两端的最大电压为U=3.6 V,流过电流表A1的最大电流为I=200 mA=0.2 A,所以Rg1+Rmin=18.0,故Rmin=8.0。答案:(1)见解析图(2)I1(Rg1+R0)I2-
11、I1180(3)11.6(4)8.0演变创新拓展视野1.小明同学在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,所用小灯泡规格为“2.5 V0.3 A”。高效演练素养达标(1)实验电路如图甲所示,请读出某次实验中电压表和电流表的示数分别为_V、_A。(2)实验结束之后,他描绘了如图乙的伏安特性曲线,老师一看就判定是错误的,老师判定的依据是_。【解析】(1)电压表、电流表读数分别为2.10 V、0.26 A。(2)小灯泡的电阻应该是随温度的升高电阻变大,即U-I图象的斜率表示电阻,电压越大,电阻越大,所以斜率应越来越大,但本实验图象斜率是减小的,故图乙的伏安特性曲线是错误的。答案:(1)2.082.120
12、.26(或0.260)(2)见解析(回答曲线弯曲应凸起的不给分,即回答必须说明电阻随温度或电压变化的特征才给分)2.在学校实验室中测绘一只“2.5 V,0.5 W”小灯泡的伏安特性曲线,实验室备有下列实验器材:A.电压表V(量程0315 V,内阻很大)B.电流表A(量程00.63 A,内阻约为1)C.变阻器R1(010,0.6 A)D.变阻器R2(02 000,0.1 A)E.电池组E(电动势为3 V,内阻约为0.3)F.开关S,导线若干(1)实验中应选用的滑动变阻器为_(填写序号)。(2)在实验时小杰同学采用了如图甲所示的实物电路,并且准备合上开关开始测量。则具体实验操作前该电路存在错误或需
13、改进的地方有_;_(请写出两处)。(3)在改正电路之后,小杰同学进行了实验,电流表示数如图乙所示,读数为_A。【解析】(1)滑动变阻器采用分压接法,应选择小电阻,故选C。(2)由于小灯泡电阻较小,约为几欧姆,远小于电压表内阻,为减小实验误差,电流表应采用外接法;为了保护用电器,所以滑动变阻器滑片应置于左端;(3)由于电流表量程为00.6 A,由图乙可知,电流表的最小分度为0.02 A,所以电流表的读数为0.14 A。答案:(1)C(2)电流表内接应改成外接;滑动变阻器滑片应置于左端(3)0.143.某研究性学习小组的同学欲做“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验。已知所用小电珠的额定电压和额定功率
14、分别为2.5 V、1.2 W,实验使用的直流电源的电动势为3.0 V,内阻忽略不计,实验可供选择的器材规格如下:A.电流表A1(量程00.6 A,内阻约5)B.电流表A2(量程03 A,内阻约0.1)C.电压表V1(量程03 V,内阻约3 k)D.电压表V2(量程015 V,内阻约2 k)E.滑动变阻器R1(阻值010,额定电流1 A)F.滑动变阻器R2(阻值05 000,额定电流500 mA)请回答下列问题:(1)为了完成实验且尽可能地减小实验误差,电流表应选择_,电压表应选择_,滑动变阻器应选择_(填写实验器材前的序号)。(2)根据所选的实验器材,请设计合理的电路原理图来完成该实验。(3)
15、该研究性学习小组的同学用设计好的电路测得了该小电珠两端的电压U和通过该小电珠的电流,由欧姆定律计算得到的小电珠的电阻值_(选填“大于”“等于”或“小于”)真实值。(4)该研究性学习小组的同学通过设计好的电路得到了多组实验数据,并根据得到的多组数据在坐标系中描点画图,如图所示,该图线向下弯曲,其原因是_。(5)如果取两个这样的小电珠并联以后再与一阻值为2.0 的定值电阻串联,并接在电动势为3.0 V、内阻忽略不计的直流电源两端,则每个小电珠消耗的实际功率应为_W(结果保留两位有效数字)。【解析】(1)由于小电珠的额定电压为2.5 V,所以电压表应选C,额定电流为:I=A=0.48 A,所以电流表
16、选A,本实验要求小电珠两端电压从零开始变化,所以滑动变阻器用总阻值较小的E;(2)本实验小电珠两端电压从零开始变化,所以滑动变阻器用分压式接法,小电珠的电阻较小,所以电流表应外接,电路图如图所示:(3)由于电压表的分流作用,所以电流表的示数比流过小电珠的电流更大,由公式R=可知,电阻的测量值小于真实值;(4)I-U图象上的点与坐标原点连线的斜率表示电阻的倒数,由图可知,电阻随电压的增大而增大,其原因是小电珠的电阻随温度的升高而增大;(5)将定值电阻和电源等效为内阻为2.0、电动势为3.0 V的电源,由闭合电路欧姆定律得:U=E-2Ir=3.0-4I,变形得:I=U,I-U关系图象作入I-U图中由图可知,U=1.28 V,I=0.43 A,所以小电珠的实际功率为:P=UI0.55 W。答案:(1)ACE(2)见解析图(3)小于(4)小电珠的电阻随温度的升高而增大(5)0.55(0.500.60)
