2019-2020学年高中物理 第二章 恒定电流 第3节 欧姆定律 第2课时 实验：测绘小灯泡的伏安

第二章恒定电流第2课时实验：测绘小灯泡的伏安特性曲线|实验基础·理一理|一、实验目的测绘小灯泡的伏安特性曲线．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I­U坐标系中描出各对应点，用平滑曲线将这些点连接起来．2．电路的选择：本实验用伏安法测量在不同电压下通过灯丝的电流，描绘伏安特性曲线．由于使用的小灯泡规格是“3.8V，0.3A”的，正常发光时灯丝电阻约为13Ω，阻值较小，因此应该用电流表外接法；由于要测小灯泡在不同电压下的电流，电压取值范围要尽量大，因此滑动变阻器应该用分压接法．电路图如图所示．三、实验器材学生电源(4～6V直流)、小灯泡“3.8V，0.3A”、电流表(内阻较小)、电压表(内阻很大)、开关和导线、滑动变阻器、坐标纸、铅笔．四、实验步骤1．确定电流表、电压表的量程，按照电路图连好电路．注意连接电路时开关应断开，滑动变阻器与灯泡并联部分电阻为0.2．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的值．3．调节滑动变阻器，逐渐增大灯泡两端电压，用同样的方法测量并记录约12组U值和I值．4．断开开关S，整理好器材．5．在坐标纸上，以U为横坐标、I为纵坐标建立直角坐标系，并根据表中数据描点，连接各点得到I­U图线．五、数据处理1．根据测量的数据把电压表和电流表的各组数据填入下表中.次数123456789101112电压U/V电流I/A2.描绘曲线：在如图所示坐标纸上以电流I为纵轴、电压U为横轴建立直角坐标系，描点绘出I­U曲线．注意：用平滑的线连接各点，不要出现折线．3．分析规律：分析曲线变化规律，分析曲线不为直线的原因．4．实验结论测绘出的图线是一条曲线，它的斜率随电压的增大而减小，这表明小灯泡的电阻随电压(温度)升高而增大．灯丝不发光时的温度是室温，灯丝两端的电压越大，通过灯丝的电流越大，灯丝的温度越高．小灯泡正常发光时灯丝温度很高，灯丝的电阻随温度升高而增大，所以灯丝的阻值随小灯泡两端电压的升高而增大，其I­U图线不是过原点的直线．六、误差分析1．测量电路存在系统误差，未考虑电压表的分流，电流表测得的I值比真实值大．2．测量时读数不准确引起偶然误差．3．在坐标纸上描点不准确、描绘I­U图线时作图不准确造成偶然误差．七、注意事项1．因本实验要作出小灯泡的IU图线，要求小灯泡两端电压最小从零开始变化，因此滑动变阻器要采用分压接法．2．本实验中，因被测小灯泡电阻较小，因此实验电路必须采用电流表的外接法．3．开关闭合前，滑动变阻器滑片移到使小灯泡分得电压为零处．4．开关闭合后，调节滑动变阻器滑片的位置，使小灯泡两端的电压逐渐增大，可在电压表读数每增加一个定值(如0.5V)时，读取一次电流值；调节滑片时应注意使电压表的示数不要超过小灯泡的额定电压．5．在坐标纸上建立坐标系，横、纵坐标所取的分度比例应该适当，尽量使根据测量数据画出的图线占满坐标纸．连线时一定要用平滑的曲线连接，不能画成折线．|热点题型·研一研|★题型一实验原理与操作【例1】描绘“2.8V,0.8W”灯泡的I­U图线．下列供选用的器材有：A．电压表V(0～3V，内阻约6kΩ)；B．电流表A1(0～3A，内阻约0.1Ω)；C．电流表A2(0～0.6A，内阻约0.5Ω)；D．滑动变阻器R1(10Ω，2A)；E．滑动变阻器R2(200Ω，0.5A)；F．蓄电池E(电动势4V，内阻不计)．(1)电流表选____，滑动变阻器选____(用器材的代号表示)．(2)现已完成实验电路部分导线的连接，如图所示．请用笔画线代替导线完成余下导线的连接．(3)在坐标纸上根据数据点绘出I­U图线．(4)将此灯泡与蓄电池E、滑动变阻器连接，滑动变阻器阻值调为____Ω时，灯泡正常发光．[解析](1)由P＝UI可得，电流为I＝0.29A，故电流表应选C；本实验中应选用分压接法，故滑动变阻器应选小电阻，故滑动变阻器选D.(2)由于R＝U2P＝9.8Ω，则有R2＜RVRA，所以电表采用外接法，由于要描绘小灯泡的I­U图线，滑动变阻器采用分压式，电路图为(3)在坐标纸上先描点，再用光滑的曲线连接，绘出I­U图线为(4)灯泡正常发光时，电压为UL＝2.8V，I＝0.29A，可得滑动变阻器阻值调为R＝U滑I＝E－ULI＝4.0－2.80.29Ω＝4.2Ω.[答案](1)CD(2)(3)(4)4.2|对点训练|1．要描绘一个小灯泡的伏安特性曲线，所用器材如下：a．小灯泡，型号为“3V,0.6A”b．电流表(0～0.6A，内阻约1Ω)c．电压表(0～3V，内阻约3kΩ)d．直流电源(4V，内阻不计)e．滑动变阻器(0～15Ω)f．电键要求灯泡两端的电压从0开始连续调节，下列四个电路图应选哪一个()解析：选A描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验要求灯泡两端的电压从0开始，故滑动变阻器采用分压接法，灯泡内阻R＝5Ω，接近电流表内阻，故电流表采用外接法，A选项正确．2．研究灯泡L(3.8V,1.8W)的伏安特性，并测出该灯泡在额定电压下正常工作时的电阻值，检验其标示的准确性．(1)选出既满足实验要求，又能减小误差的实验电路图________．(2)请按电路图连接好图1中的实物图．(3)实验后作出的I­U图象如图2所示，图中曲线弯曲的主要原因是___________________________________________．(4)根据所得到的图象，求出它在额定电压(3.8V)下工作时的电阻值R＝________Ω.这个测量值比真实值偏________(填“大”或“小”)．解析：(1)描绘小灯泡伏安特性曲线，电压应从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法；根据欧姆定律可知，灯泡电阻R＝U2P≈8Ω，电压表内阻远大于灯泡电阻，电流表应采用外接法，图丙正确．(2)根据电路图连接实物图，如图所示：(3)由图可知，图象的斜率越来越小，则说明小灯泡的电阻随着温度的升高而增大．(4)小灯泡在额定电压(3.8V)下工作时的电流为0.5A，灯泡电阻值R＝UI＝7.6Ω.由于电压表的分流作用使得电流表的示数大于通过电阻的实际电流，算出的电阻值偏小．答案：(1)丙(2)见解析(3)小灯泡的电阻随着温度的升高而增大(4)7.6小★题型二数据处理与误差分析【例2】小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大．某同学为研究这一现象，用实验来描绘小灯泡的伏安特性曲线．实验可供选择的器材有：A．小灯泡(2.5V,1.2W)；B．电流表(量程0～0.6A，内阻r＝1Ω)；C．电压表(量程0～3V，内阻未知)；D．滑动变阻器R2(0～5Ω，额定电流1A)；E．电源(E＝3V，内阻不计)；F．定值电阻R0(阻值6Ω)；G．开关一个和导线若干．(1)要求小灯泡两端的电压从零开始变化，且能尽量减小系统误差，在虚线框内画出完整的实验电路图．(2)按照正确的电路图，该同学测得实验数据如下：I是电流表的示数，U是电压表的示数，U灯是小灯泡两端的实际电压．请通过计算补全表格中的空格，然后在如图坐标纸中画出小灯泡的伏安特性曲线.I/A0.050.100.150.200.250.300.350.400.450.48U/V0.080.150.250.400.600.901.301.852.503.00U灯/V[解析](1)要求小灯泡两端的电压从零开始变化，故采用滑动变阻器的分压式接法；本题电流表的内阻已知为1Ω，其电压可算出，为了尽量减小系统误差，故采用电流表内接法．实验电路如图甲所示．(2)小灯泡两端的电压等于电压表的读数减去电流表两端的电压．因为电流表内阻为1Ω，故电流表两端的电压值与电流表的读数相等.I/A0.050.100.150.200.250.300.350.400.450.48U/V0.080.150.250.400.600.901.301.852.503.00U灯/V0.030.050.100.200.350.600.951.452.052.52小灯泡的伏安特性曲线如图乙所示．[答案]见解析|对点训练|3．图甲是小红同学在做“描绘小灯泡L的伏安特性曲线”实验的实物连接图．(1)根据图甲画出实验电路图．(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乙中的①②③④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______．解析：(1)根据实物图画出电路图如图．(2)由实物图可知，电流表接的是0.6A的量程，电压表接的是3V的量程，因此①的读数为0.02A×5＝0.10A，②的读数为0.02A×12＝0.24A，③的读数为0.1V×20.0＝2.00V，④的读数为0.1V×2.7＝0.27V.两组数据得到的电阻R1＝U1I1＝2.000.24Ω＝8.3Ω.R2＝U2I2＝0.270.10Ω＝2.7Ω.答案：(1)(2)①0.10A②0.24A③2.00V④0.27V8．3(8.3±0.1)Ω2.7(2.7±0.1)Ω(后两空答案可互换)4．在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，要测量一个标有“3V1.5W”的灯泡两端的电压和通过它的电流，现有如下器材：A．直流电源3V(内阻可不计)B．直流电流表0～600mA(内阻约0.5Ω)C．直流电压表0～3V(内阻约3kΩ)D．滑动变阻器(10Ω，1A)E．滑动变阻器(1kΩ，300mA)F．开关，导线若干(1)本实验中滑动变阻器选用______(填“D”或“E”)．(2)某同学用导线a，b，c，d，e，f，g和h连接的电路如图所示，电路中所有元器件都是完好的，且电压表和电流表已调零．闭合开关后发现电压表的示数为2V，电流表的示数为零，小灯泡不亮，则可确定断路的导线是________；若电压表示数为零，电流表的示数为0.3A，小灯泡亮，则断路的导线是________；若反复调节滑动变阻器，小灯泡亮度发生变化，但电压表，电流表示数不能调为零，则断路的导线是________．(3)下表中的各组数据是该同学在实验中测得的，根据表格中的数据在如图所示的方格纸上作出该灯泡的伏安特性曲线.U/V00.51.01.52.02.5I/A00.170.300.390.450.49解析：(1)因描绘小灯泡的伏安特性曲线，需测量多组数据，滑动变阻器需用分压式接法，为调节的方便，滑动变阻器用阻值较小的，故选D.(2)电压表有示数，说明电路为通路，而小灯泡不亮，灯泡与电压表串联电流很小，所以导线d断开；若电压表示数为零，而电流表有示数，说明电路接通，电压表没有接入电路，所以h断开；若电压表、电流表示数不能调为零，是因为滑动变阻器是限流式接法，故是g断开．(3)描点画图，如图所示．答案：(1)D(2)dhg(3)如图★题型三实验的改进与创新【例3】某学习小组通过实验来研究用电器Z的伏安特性．他们在实验中测得用电器Z两端的电压与通过Z的电流的数据如下表：U/V0.00.20.51.01.52.02.53.0I/A0.0000.0500.1000.1500.1800.1950.2050.215(1)有下列器材供选用：A．电压表(0～3V，内阻约为10kΩ)B．电压表(0～10V，内阻约为20kΩ)C．电流表(0～0.3A，r1＝1Ω)D．电流表(0～0.6A，r2＝0.4Ω)E．滑动变阻器(5Ω，1A)F．滑动变阻器(500Ω，0.2A)实验中电压表应选用____________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)．(2)请根据题中信息，在方框内画出电路图．(3)利用这些数据绘出的用电器Z的伏安特性曲线如图所示．请分析该图象形成的原因是________________________．[解析](1)分析表格数据可知，电压最大值为3V，电流最大值为0.215A，故选择电压表A，电流表C，滑动变阻器分压连接，选择滑动变阻器E.(2)电路图如图所示．(3