第二章 实验 测绘小灯泡的伏安特性曲线

实验：测绘小灯泡的伏安特性曲线[学习目标]1.理解电流表的内接法和外接法，并会进行正确选择.2.理解滑动变阻器的两种接法，能进行正确地应用.3.学会描绘小灯泡的伏安特性曲线并掌握分析图线的方法.一、电流表的内接法和外接法的比较1.两种接法的比较内接法外接法电路误差分析电压表示数UV＝UR＋UA＞UR电流表示数IA＝IRR测＝UVIA＞URIR＝R真电压表示数UV＝UR电流表示数IA＝IR＋IV＞IRR测＝UVIA＜URIR＝R真误差来源电流表的分压作用电压表的分流作用2.电流表内、外接的选择方法(1)直接比较法：当Rx≫RA时，采用内接法，当Rx≪RV时，采用外接法，即大电阻用内接法，小电阻用外接法，可记忆为“大内小外”.(2)公式计算法当Rx＞RARV时，用电流表内接法，当Rx＜RARV时，用电流表外接法，当Rx＝RARV时，两种接法效果相同.(3)试触法：图1如图1，把电压表的可动接线端分别试接b、c两点，观察两电表的示数变化，若电流表的示数变化明显，说明电压表的分流作用对电路影响大，应选用内接法，若电压表的示数有明显变化，说明电流表的分压作用对电路影响大，所以应选外接法.二、滑动变阻器两种接法的比较限流式分压式电路组成变阻器接入电路的特点采用“一上一下”的接法采用“两下一上”的接法调压范围ERxR＋Rx～E(不计电源内阻)0～E(不计电源内阻)适用情况负载电阻的阻值Rx与滑动变阻器的总电阻R相差不多，或R稍大，且电压、电流变化不要求从零调起(1)要求负载上电压或电流变化范围较大，且从零开始连续可调(2)负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器的总电阻R三、测绘小灯泡的伏安特性曲线1.实验原理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，即得小灯泡的伏安特性曲线，电路图如图2所示.图22.实验器材学生电源(4～6V直流)或电池组、小灯泡(“4V0.7A”或“3.8V0.3A”)、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干、铅笔、坐标纸.3.实验步骤(1)根据小灯泡上所标的额定值，确定电流表、电压表的量程，按图3所示的电路图连接好实物图.(注意开关应断开，滑动变阻器与小灯泡并联部分电阻为零)(2)闭合开关S，调节滑动变阻器，使电流表、电压表有较小的明显示数，记录一组电压U和电流I.(3)用同样的方法测量并记录几组U和I，填入下表.次数12345678电压U/V电流I/A(4)断开开关，整理好器材.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)在坐标纸中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.5.实验结果与数据分析(1)结果：描绘出的小灯泡灯丝的伏安特性曲线不是直线，而是向横轴弯曲的曲线.(2)分析：灯泡灯丝的电阻随温度变化而变化.曲线向横轴弯曲，即斜率变小，电阻变大，说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大.6.注意事项(1)因I－U图线是曲线，本实验要测出多组包括零在内的电压值、电流值，因此滑动变阻器应采用分压式接法.(2)由于小灯泡的电阻较小，故采用电流表外接法.(3)画I－U图线时纵轴、横轴的标度要适中，使所描绘图线占据整个坐标纸为宜，不要画成折线，应该用平滑的曲线连接，对个别偏离较远的点应舍去.一、实验原理的理解和实验电路、实验器材的选择例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.现有下列器材供选择：A.电压表(0～5V，内阻10kΩ)B.电压表(0～15V，内阻20kΩ)C.电流表(0～3A，内阻1Ω)D.电流表(0～0.6A，内阻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3________(选填“甲”或“乙”)的电路图来完成实验，请说明理由：________________________________________________________________________.图3(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)请根据(1)中所选电路，把图4中所示的实验器材用实线连接成实物电路图.图4答案(1)甲描绘小灯泡的I－U图线所测数据需从零开始，并要多测几组数据(2)ADE(3)如图所示解析因实验目的是要测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合适，这样小灯泡两端的电压可以从零开始调节，且能方便地测出多组数据.因小灯泡额定电压为4V，则电压表选0～5V的A，而舍弃0～15V的B，因15V的量程太大，读数误差大.小灯泡的额定电流I＝0.5A，则电流表应选D.滑动变阻器F的最大阻值远大于小灯泡内阻8Ω，调节不方便，电压变化与滑动变阻器使用部分的长度线性关系差，故舍去，则应选E.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10×1038＝1250倍，故电流表采用了外接法.二、实验数据的处理例2图5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.图5(1)在图乙方框图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12345678U/V0.200.601.001.401.802.202.603.00I/A0.0200.0600.1000.1400.1700.1900.2000.205小灯泡发光情况不亮微亮逐渐变亮正常发光(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)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解析(1)与实物电路相对应的电路图如图所示.(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图线如图所示.(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＝30.205Ω≈14.6Ω.1.首先要根据表中数据选择合适的标度；2.描点后用平滑的曲线连接，个别偏离较远的点应舍去.1.在图6中，甲、乙两图分别为测灯泡电阻R的电路图，下列说法不正确的是()图6A.甲图的接法叫电流表外接法，乙图的接法叫电流表内接法B.甲中R测R真，乙中R测R真C.甲中误差由电压表分流引起，为了减小误差，应使R≪RV，故此法测较小电阻好D.乙中误差由电流表分压引起，为了减小误差，应使R≫RA，故此法测较大电阻好答案B解析题图甲叫做电流表的外接法，题图乙叫做电流表的内接法，A正确；题图甲由于电压表的分流导致电流的测量值偏大，由R＝UI可知，R测＜R真；R越小，电压表分流越小，误差越小，因此这种接法适合测小电阻；题图乙由于电流表的分压，导致电压的测量值偏大.由R＝UI得R测＞R真，R越大，电流表的分压越小，误差越小，因此这种接法适用于测大电阻，B错误，C、D正确；故选B.2.在测绘小灯泡的伏安特性曲线实验中，所用器材有：小灯泡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，要求小灯泡两端电压从0开始变化.(1)实验中滑动变阻器应采用____________接法(填“分压”或“限流”).(2)某同学已连接如图7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2个不当之处，并说明如何改正.图7①________________________________________________________________________.②________________________________________________________________________.答案(1)分压(2)①开关S不应闭合，应处于断开状态②滑动变阻器滑动触头P位置不当，应将其置于b端1.有一未知电阻Rx，为较准确地测出其阻值，先后用图1中甲、乙两种电路进行测试，利用甲图测得的数据是“2.8V5.0mA”，而用乙图测得的数据是“3.0V4.0mA”，那么该电阻测得的较为准确的情况是()图1A.560Ω，偏大B.560Ω，偏小C.750Ω，偏小D.750Ω，偏大答案D解析由于ΔUU＝2.8－3.02.8＜ΔII＝5.0－4.05.0，即电流表的变化大，电压表的分流作用大，根据试触法的原则，可知用电流表内接法比较准确，用题图乙电路，此时电阻为R＝UI＝3.0V4.0×10－3A＝750Ω.在电流表的内接法中，测量值大于真实值，故选D.2.要测绘一个标有“3V0.6W”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3V，并便于操作.已选用的器材有：电池组(电动势为4.5V)；电流表(量程为0～250mA，内阻约5Ω)；电压表(量程为0～3V，内阻约3kΩ)；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________(填字母代号).A.滑动变阻器(最大阻值20Ω，额定电流1A)B.滑动变阻器(最大阻值1750Ω，额定电流0.3A)(2)实验的电路图应选用下列图中的________(填字母代号).答案(1)A(2)B解析(1)根据“灯泡两端的电压需要由零逐渐增加到3V，并便于操作”可知控制电路必定为“分压电路”，而“分压电路”需要用总阻值较小的滑动变阻器，故选A.(2)在(1)中已经明确了控制电路，然后要选择电流表的接法，题中RxRA＝155＝3，而RVRx＝300015＝200，可知电压表的分流作用不如电流表的分压作用明显，故而应选择电流表的外接法，综上可知电路图应选用图B.3.图2是小组同学在做“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物连接图.图2图3(1)根据图2在虚线框中画出实验电路图；(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3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________.答案见解析解析(1)由实物连接图可知电路图如图所示.(2)电流表量程为0.6A时，最小刻度为0.02A，读数读到小数点后两位，所以①表示数为0.10A，②表示数为0.24A；电压表量程为3V，最小刻度为0.1V，应估读到0.01V，所以③表示数为2.00V，④表示数为0.28V，根据欧姆定律R1＝U1I1＝2.00V0.24A≈8.3Ω，R2＝U2I2＝0.280.10Ω＝2.8Ω.4.“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，提供的实验器材有：A.小灯泡(额定电压为3.8V，额定电流约为0.3A)B.电流表A(0～0.6A，内阻约为0.5Ω)C.电压表V(0～6V，内阻约为5kΩ)D.滑动变阻器R1(0～10Ω，2A)E.滑动变阻器R2(0～100Ω，0.2A)F.电源(6V，内阻不计)G.开关及导线若干(1)实验中滑动变阻器选________(填“R1”或“R2”).(2)该同学设计了实验测量电路，通过改变滑动变阻器滑片的位置，使电流表的读数从零