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实验八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：方式内容两种接法电路图负载R上电压调节范围负载R上电流调节范围闭合S前触头位置限流接法≤U≤Eb端分压接法0≤U≤Ea端对比说明串、并联关系不同分压电路调节范围大分压电路调节范围大都是为了保护电路元件0RERR0EEIRRRE0IR4.两种接法的选择：(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(一般比滑动变阻器的总电阻要大)。(3)三种必须用分压接法的情况。①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。②若Rx≫R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。③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(3.8V,0.3A)或(2.5V,0.6A)一个、电压表(0～3V～15V)与电流表(0～0.6A～3A)各一个、滑动变阻器(最大阻值20Ω)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。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：(1)电流表应采用外接法：本实验中被测小电珠的电阻值较小,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连接：目的是使小电珠两端的电压能从零开始连续变化。(3)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.图像的画法：(1)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。(2)I-U图线在U=1.0V左右时将发生明显弯曲,故在U=1.0V左右绘点要密,以防出现较大误差。(3)误差较大的点要舍去,I-U图线应是平滑曲线而非折线。3.当小电珠的电压接近额定值时要缓慢增加,到额定值记录I后马上断开开关。【实验改进】1.数据处理方式的改进：采用“DIS”数字化实验系统进行实验数据的采集和处理。2.与原数据处理方式的比较：(1)原方案。①优点：由学生读出电压表、电流表的数据,并动手绘出伏安特性曲线,可锻炼学生的读数、动手操作能力。②缺点：学生读数、绘图带来较大误差。(2)改进方案。①优点：电压、电流由传感器测出,由计算机进行数据分析,再进行绘图,快捷、准确,误差较小。②缺点：一切在计算机上进行,学生的动手能力得不到锻炼。热点1实验数据的分析和器材的选取【例证1】(2013·天津高考)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,内阻约1Ω);电流表(量程为0～250mA,内阻约5Ω);电压表(量程为0～3V,内阻约3kΩ);电键一个、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的图(填字母代号)。(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1.5V,内阻为5Ω的电源两端,小灯泡消耗的功率是W。【解题探究】(1)滑动变阻器的选取原则一般是什么?提示：一般情况下,若采用“分压式”接法,则选总阻值较小的滑动变阻器;若采用“限流式”接法,则选用与测量电阻阻值相当的滑动变阻器。(2)把小灯泡接入电源的两端后,如何确定通过小灯泡的电流强度和小灯泡两端的电压?提示：把小灯泡接入电路后,其两端的电压与电源的路端电压相等,在小灯泡的I-U图像中,再画出电源的I-U图线,两线的交点坐标即小灯泡的工作电流和电压。【解析】(1)根据小灯泡标示的额定值可以计算出小灯泡的额定电流I==0.2A,两个滑动变阻器在此电流下都能保证安全,根据测绘小灯泡的伏安特性曲线的要求,小灯泡两端的电压需要从零开始调节,故调节电路中滑动变阻器应采用分压接法。为方便调节应选用最大阻值小的滑动变阻器,故选A。P0.6AU3(2)额定电压下小灯泡的阻值R==15Ω,远小于电压表内阻,电流表内阻较大,故电流表应该采用外接法,所以电路应采用分压外接法,故选B。U3I0.2(3)在小灯泡的伏安特性曲线图像中,根据E=U+Ir,即I=0.3-0.2U,作出电源的I-U图像如图所示,由图像可知,由该电源对小灯泡供电的电流I=0.1A,电压U=1V,故小灯泡消耗的功率为P=IU=0.1W。答案：(1)A(2)B(3)0.1热点2实验原理的理解和电路的连接【例证2】有一个小电珠上标有“4V2W”的字样,现在要用伏安法描绘这个电珠的I-U图线。有下列器材供选用：A.电压表(0～5V,内阻10kΩ)B.电压表(0～10V,内阻20kΩ)C.电流表(0～0.3A,内阻1Ω)D.电流表(0～0.6A,内阻0.4Ω)E.滑动变阻器(5Ω,1A)F.滑动变阻器(500Ω,0.2A)(1)实验中电压表应选用,电流表应选用。(用序号字母表示)(2)为使实验误差尽量减小,要求电压从零开始变化且多取几组数据,滑动变阻器应选用。(用序号字母表示)(3)请在虚线框内画出满足实验要求的电路图,并把图中所示的实验器材用实线连接成相应的实物电路图。【解题探究】(1)小电珠的额定电流I=__________(2)要求电压从零开始变化,滑动变阻器应采用_____接法。(3)连接实物时应注意什么问题?提示：应先画出原理图,按照原理图按顺序连接实物。P0.5AU＝。分压【解析】(1)因小电珠的额定电压为4V,为保证安全,选用的电压表量程应稍大于4V,但不能大太多,量程太大则示数不准确,故选用0～5V的电压表,故选A;由P=UI得,小电珠的额定电流I==0.5A,故应选择0～0.6A量程的电流表,故选D。(2)由题意可知,电压从零开始变化,并要求多测几组数据,故只能采用滑动变阻器分压接法,而分压接法中应选总阻值小的滑动变阻器,故选E。PU(3)小电珠内阻R==8Ω,电压表内阻远大于小电珠内阻,应采用电流表外接法,故电路图和实物连接图如图所示。答案：(1)AD(2)E(3)图见解析2UP高考考情演变实验研究对象的变迁实验数据处理的变迁1.小电珠的I-U图像。2.小电珠的P-U2图像。