1、第5讲 实验：描绘小灯泡的 伏安特性曲线 梳理基础强化训练 基础知识清单一、实验目的1描绘小灯泡的伏安特性曲线2分析小灯泡伏安特性曲线的变化规律二、实验原理1用电流表测出流过小灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多组(U，I)值，在 UI 坐标系中描出各对应点，用一条平滑曲线将这些点连接起来，就可以得到小灯泡的伏安特性曲线2小灯泡“3.8 V 0.3 A”的电阻很小，当它与电流表(量程为 0.6 A)串联时，电流表的分压影响很大，故为了准确地描绘出小灯泡的伏安特性曲线，即测出 U、I 的值，电流表应采用外接法；为使小灯泡上的电压能从零开始连续变化，滑动变阻器应采用分压式接法三、实验器
2、材小灯泡、46 V 学生电源、滑动变阻器、电压表、电流表、导线若干、开关四、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，按图所示的原理图连接好实验电路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.U(V)00.20.40.60.81.01.2I(A)U(V)1.62.02.42.83.23.63.8I(A)4.拆除电路，整理仪器【名师点拨】实验注意事项(1)电路的连接方式 电流表应采用外接法：因为小灯泡“3.8 V 0.3
3、A”的电阻较小，与 00.6 A 的电流表串联时，电流表的分压影响很大 滑动变阻器应采用分压式接法，目的是为了使小灯泡两端的电压能从 0 开始连续变化(2)闭合开关 S 前，滑动变阻器滑片应移到使小灯泡分得电压为 0 的一端，从而使开关闭合时小灯泡电压能从 0 开始变化，同时，也为了防止开关刚闭合时小灯泡两端因电压过大而烧坏灯丝(3)IU 图线在 U1.0 V 左右将发生明显弯曲，故在 U1.0 V 左右绘点要密，以防出现很大误差(4)电流表选择 0.6 A 量程，电压表量程选择视小灯泡的额定电压而定，即使用的若是“3.8 V 0.3 A”的小灯泡，选用电压表的 15 V 量程，若使用“2.5
4、 V 0.6 A”的小灯泡，则选用电压表的 3 V 量程(5)保持小灯泡电压接近额定值时要缓慢增加到额定值，记录电流 I 后马上断开开关(6)误差较大的点要舍去，IU 图线应是平滑曲线而非折线(7)建立坐标系时，纵轴表示电流，横轴表示电压，两坐标轴选取的标度要合理，使得根据测量数据画出的图线尽量占满坐标纸五、数据处理(画出伏安特性曲线)1在坐标纸上以 U 为横轴，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，就得到小灯泡的伏安特性曲线六、误差分析1由于电压表、电流表不是理想电表，电表
5、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，作图带来误差规律方法技巧【考题随练 1】(2015浙江)图 1 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(1)根据图 1 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 2中的所示，电流表量程为 0.6 A，电压表量程为 3 V所示读数为：_；_；_；_两组数据得到的电阻分别为_和_【解析】(1)从实物图中可知电压表测量灯泡两端电压，电流表采用外接法，滑动变阻器采用分压接法，故电路图如图所示 (2)电流表的量程为 0.6 A，所以每小格表示的分度值为0.02
6、 A，故的读数为 0.10 A，的读数为 0.24 A；电压表的量程为 3 V，则每一小格表示 0.1 V，所以的示数为 2.00 V，的示数为 0.27 V，电压小，两端的电流小，故为同一组数据，故得到的电阻为 R0.270.1 2.7，为另外一组数据，故得到的电阻为 R 2.00.24 8.3 【答案】(1)如图(2)0.10 A、0.24 A、2.00 V、0.27 V(8.30.1)和(2.70.1)，如填为(2.70.1)和(8.30.1)也行【考题随练 2】(2015福建)某学习小组探究一小灯泡在不同电压下的电功率大小，实验器材如图甲所示，现已完成部分导线的连接 实验要求滑动变阻器
7、的滑片从左到右移动过程中，电流表的示数从零开始逐渐增大请按此要求用笔画线代替导线在图甲实物接线图中完成余下导线的连接；某次测量，电流表指针偏转如图乙所示，则电流表的示数为_A.该小组描绘的伏安特性曲线如图丙所示，根据图线判断，将_只相同的小灯泡并联后，直接与电动势为 3 V、内阻为 1 的电源组成闭合回路，可使小灯泡的总功率最大，其总功率的值约为_W(保留两位小数)【解析】实物图如图所示；由图知电流表量程为 0.6 A，所以读数为 0.44 A；电源内阻为 1，所以当外电路总电阻等于电源内阻时，消耗电功率最大，此时外电路电压等于内电压等于1.5 V，由图知当小灯泡电压等于 1.5 V 时电流约
8、为 0.38 A，此时电阻约为 4，并联后的总电阻为 1，所以需要 4 个小灯泡，小灯泡消耗的总功率约为 PU2R外1.521 W2.25 W.【答案】见解析 0.44 4 2.25【考题随练 3】(2013天津)要测绘一个标有“3 V 0.6 W”小灯泡的伏安特性曲线，灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到 3 V，并便于操作已选用的器材有：电池组(电动势为 4.5 V，内阻约 1 )电流表(量程为 0250 mA，内阻约 5 )电压表(量程为 03 V，内阻约 3 k)开关一个、导线若干(1)实验中所用的滑动变阻器应选下列中的_(填选项字母)A滑动变阻器(最大阻值 20 ，额定电流 1 A)B滑
9、动变阻器(最大阻值 1 750 ，额定电流 0.3 A)(2)实验的电路图应选用下列的图_(填选项字母)(3)实验得到小灯泡的伏安特性曲线如图所示如果将这个小灯泡接到电动势为 1.5 V，内阻为 5 的电源两端，小灯泡消耗的功率是_ W.【解析】(1)测量小灯泡的伏安特性曲线，电压变化范围要求要大，所以采用滑动变阻器的分压式接法，应选择小电阻大电流的滑动变阻器 A.(2)电流表的电阻与小灯泡的电阻接近，电流表的分压作用很明显，所以采用电流表的外接，灯泡两端的电压变化范围大，所以滑动变阻器要采用分压式接法，B 选项正确(3)将这个小灯泡接到电源两端，电路图如图 1 所示，电源与小灯泡直接串联，电
10、路方程为 EUIr，变形可得函数方程 UErI，其函数图像如图 2 所示，画出电动势为 1.5 V，内阻为5，短路电流为 0.30 A 图线，该图线和小灯泡的伏安特性曲线的交点即表示小灯泡与该电源直接串联的解根据交点坐标(1.0 V，0.1 A)可以计算出小灯泡消耗的功率为 PUI1.00.1 W0.1 W.【答案】(1)A(2)B(3)0.1【学法指导】如果我们能够写出小灯泡的函数方程与电源工作时的函数方程，两个方程联立即可“解”出此时小灯泡的实际功率实际情况是，由于小灯泡的伏安特性曲线不是直线，小灯泡不能看做定值电阻，无法利用闭合电路欧姆定律列方程求解但是在同一个伏安特性坐标系中，电路的函
11、数图像与小灯泡的函数图像“相交”，即为小灯泡在此电源中工作的“解”，读出坐标点(U，I)利用 PUI 即可解得小灯泡的实际功率【考题随练 4】在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，用导线 a、b、c、d、e、f、g 和 h 按下图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：(1)若不管怎样调节滑动变阻器，小灯泡亮度能发生变化，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灯泡的 UI 图线如图所示，电源的电动势 E_ V；小灯泡的电阻随温度的升高而_(3)将与上面相同的两个小灯泡并联后接到上面电源上，每一只小灯泡的实际电功率是_
12、 W.【解析】(1)若调节滑动变阻器，小灯泡的亮度变化，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 E3.0 V，由曲线上每一点对应的 RUI 判断出小灯泡的电阻随温度的升高而增大(3)两个小灯泡并联后接到上面的电源上，如图 1 所示，这种情况下，路端电压为任一小灯泡两端的电压，假设一个小灯泡上的电流为 I，则干路中的电流为 2I，电路方程为 EU2Ir，变形可得函数方程 UE(2r)I，其函数图像如图 2 所示，这个电路图线与一个灯泡的伏安特性曲线的交点即为一个小灯泡的实际工作参量，因为路端电压 U 在数值上也是一个小灯
13、泡两端的电压，根据交点坐标(1.0 V，1.1 A)可以计算出一个小灯泡消耗的功率为 PUI1.01.1 W1.1 W.图 1 图 2【答案】(1)g(2)3.0 增大(3)1.1【考题随练 5】一小灯泡上标有“3 V 1.0 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个小灯泡的 IU 图线，要求测量数据从零开始可选器材如下：A电压表(03 V，内阻 10 k)B电压表(015 V，内阻 20 k)C电流表(03 A，内阻 0.4)D电流表(00.6 A，内阻 1)E滑动变阻器(10，2 A)F滑动变阻器(500，1 A)G学生电源(直流 06 V)、开关、导线若干(1)实验时，选用图 1 而不选用图
14、2 所示的电路来完成实验，请说明理由：_.(2)实验中电压表应选用_，电流表应选用_，滑动变阻器应选用_(用字母序号表示)(3)根据所选的原理图把图 3 中所示的实物图连接完整(4)在一次测量时，电压表、电流表的示数如图 4 所示则电压测量值为 U_V，电流测量值为 I_A，此时小灯泡的发光功率为 P_W.(5)通过实验测量得到的数据已经描在了图 5 所示的 IU 坐标系中，请用平滑的曲线将各点连接好【解析】(1)由于测量数据要从零开始，故采用图 1 所示的分压式电路(2)因小灯泡额定电压为 3.0 V，故电压表选用 A.小灯泡的额定电流为 I 额P额U额1.03.0 A0.33 A，则电流表
15、选用 D.滑动变阻器应选阻值较小的 E 以方便调节(3)所连的实物图如图 6 所示(4)由于电压表量程为 03 V，故电压表的读数为U1.81 V；电流表量程为 00.6 A，故电流表的读数为 I0.22 A此时灯泡的功率为 PUI1.810.22 W0.398 W.(5)所描绘的伏安特性曲线如图 7 所示 【答案】(1)描绘灯泡的 IU 图线所测数据需从零开始(2)A；D；E(3)见解析(4)1.81；0.22；0.398(5)见解析【考题随练 6】用发光二极管制成的 LED 灯具有发光效率高、使用寿命长等优点，在生产与生活中得到广泛应用发光二极管具有单向导电性，某同学想借用描绘小灯泡的伏安
16、特性曲线的方法来研究发光二极管的伏安特性(1)实验时先判断发光二极管的正负极，如图 1 所示，发光二极管的两接线端分别被称为“短脚”和“长脚”，该同学使用多用电表欧姆挡的“1k”挡来测量二极管的电阻，红、黑表笔分别与二极管的“长脚”和“短脚”接触，发现指针几乎不动调换接触脚后，指针偏转情况如图 2 所示，可读出此时二极管的阻值为 R_.(2)根据描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验电路，该同学设计了如图 3 所示的电路测量发光二极管的正向伏安特性，则发光二极管的“长脚”应与图 3 中的_(填“a”或“b”)端连接(3)按图 3 的电路图将图 4 中的实物图补充完整(4)该同学测得发光二极管的正向伏安
17、特性曲线如图 5 所示，实验时发现，当电压表示数 U0.95 V 时，发光二极管开始发光请你判断图 2 状态下发光二极管_(填“发光”或“不发光”)，理由是_【解析】(1)欧姆表的读数为 R4.01 k4 000.(2)由于黑表笔与欧姆表内部电池的正极相连，所以二极管的“长脚”应是正极，即二极管的“长脚”应与图 3 中的 b 端相连(3)连线图如答案图所示(4)在 UI 图像中，画一条斜率为 4 000 的通过原点的倾斜直线，读出直线与伏安特性曲线的交点的纵坐标约为 1.3 V，即二极管阻值为 4 000 时对应的工作电压约为 1.3 V，超过了二极管的发光电压，故二极管发光【答案】(1)4 000(2)b(3)如图所示(4)发光；二极管阻值为 4 000 时对应的工作电压约为 1.3 V，超过了二极管的发光电压
