2019-2020学年高中物理 第2章 学生实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线课件 教科版选修3-1

第二章直流电路学生实验：描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．知识探究一、实验原理用测出流过小灯泡的电流，用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，用一条平滑的曲线将这些点连起来．二、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”)、、电压表、、开关、导线若干、铅笔、坐标纸．电流表电压表滑动变阻器电流表三、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，按如图所示的电路图连接好实物图(注意开关应，滑动变阻器与小灯泡并联部分电阻为)．量程断开零2．闭合开关S，调节滑动变阻器，使电流表、电压表有明显的示数，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/A4.断开开关，整理好器材．四、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．(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．将描出的点用的曲线连接起来，就得到小灯泡的伏安特性曲线．平滑五、误差分析1．系统误差：由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，对电路的影响会带来误差．2．测量误差：测量时读数带来误差．3．作图误差：在坐标纸上描点、作图带来误差．六、注意事项1．因I­U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接法．2．由于小灯泡的电阻较小，故采用电流表接法．3．闭合开关S前，滑动变阻器的触头应移到使小灯泡分得电压为零的一端，使开关闭合时小灯泡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灯泡两端电压过大而烧坏灯丝．分压式外4．I­U图线在U0＝1.0V左右将发生明显弯曲，故在U＝1.0V左右绘点要密，以防出现较大误差．5．当小灯泡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．6．画I­U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．典例剖析【例1】在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，供选择的实验仪器如下：器材规格器材规格小灯泡标有“3.8V，0.3A”字样滑动变阻器R1最大阻值10Ω，额定电流1.0A电压表V量程0～5V，内阻5kΩ滑动变阻器R2最大阻值1kΩ，额定电流0.5A电流表A1量程0～100mA，内阻4Ω直流电源E电动势约6V，内阻约0.5Ω电流表A2量程0～500mA，内阻0.4Ω导线、开关等(1)在上述器材中，滑动变阻器应选________；电流表应选________．(填器材代号)(2)在下图中用笔画线代替导线，把实验仪器连接成完整的实验电路．[解析](1)为方便实验操作，滑动变阻器应选R1；灯泡额定电流为0.3A＝300mA，电流表应选A2.(2)描绘灯泡伏安特性曲线，电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压接法；灯泡正常发光时的电阻R＝3.80.3Ω＝12.67Ω，电压表内阻为5kΩ，电流表内阻为0.4Ω，电压表内阻远大于灯泡电阻，电流表应采用外接法，实物电路图如图所示．[答案](1)R1A2(2)见解析【例2】图为“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为3V.(1)在方框图中画出与实物电路相应的电路图．(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，应停留在滑动变阻器________端；(选填“左”或“右”)②闭合开关后，逐渐移动变阻器的滑片，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记录如下表中一组U和I的数据，断开开关．根据实验数据在图中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从图线上可以得出，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升高而________．③小灯泡正常工作时的电阻约为________．(保留小数点后一位有效数字)[解析](1)描绘小灯泡的伏安特性曲线，电压与电流要从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法，灯泡电阻较小，约为几欧姆到十几欧姆，远小于电压表内阻，电流表应采用外接法．(2)①为保护电路安全，开关闭合之前，图中滑动变阻器的滑片应该置于左端．②根据表格中的数据，画出小灯泡的I­U图线(3)①从图线上可以得出，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升高而增大．③根据I­U图线得当灯泡两端电压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.[答案](1)见解析图(2)①左②见解析图(3)①先不变，后逐渐增大②增大③14.6随堂自测1．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)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图________(填字母代号)．ABCD[解析](1)描绘小灯泡伏安特性曲线实验要求电压调节范围大，因此滑动变阻器采用分压式，为使调节过程中电压变化尽可能均匀，选用最大阻值较小的滑动变阻器A.(2)由于小灯泡的电阻比较小，因此电流表采用外接法，选用B图．[答案](1)A(2)B2.以下是“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的操作步骤：A．闭合开关，记下电流表、电压表的一组示数(I，U)，移动滑动变阻器的滑动触头，每移动一次记下一组(I，U)值，共测出12组数据；B．将电流表、电压表、滑动变阻器、小灯泡、电源、开关正确连接成电路．电流表外接，滑动变阻器采用分压式，如图所示；C．调节触头位置，使闭合开关前触头处于滑动变阻器的左端；D．按所测数据，在坐标纸上描点并将各点用直线段连接起来，得出小灯泡的伏安特性曲线．(1)以上各步骤中存在错误或不妥之处的是____________，应如何改正：_________________________________________________.(2)将各步骤纠正后，按实验先后顺序排列：________．[解析]错误或不妥的步骤是ACD.A步骤：测量不同电压下的电流值I时，应先预设各组数据中的电压U或电流I的值，而不是随意测，随意测时会使描点疏密不均匀，画图线时出现较大误差，甚至无法画出I­U图线．C步骤：闭合开关前应使小灯泡两端电压为零，即触头应置于滑动变阻器最右端．D步骤：应将各点用平滑的曲线连接．[答案](1)见解析(2)BCAD3．用如图甲所示的电路图研究灯泡L(2.4V，1.0W)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)在闭合开关S前，滑动变阻器触头应放在________(填“a”或“b”)端．(2)根据电路图，请在图乙中以笔画线代替导线将图乙补充完整．(3)实验后作出的I－U图像如图丙所示，说出图中曲线弯曲的主要原因．甲乙丙[答案](1)a(2)电路连接图如图所示(3)随着电压升高，灯丝温度升高，灯丝电阻率增加，灯丝电阻增大4．有一个小灯泡上标有“4V，2W”的字样，现在要用伏安法测量这个小灯泡的伏安特性曲线．现有下列器材供选用：A．电压表V1(0～5V，内阻约10kΩ)B．电压表V2(0～10V，内阻约20kΩ)C．电流表A1(0～0.3A，内阻约1Ω)D．电流表A2(0～0.6A，内阻约0.4Ω)E．滑动变阻器R1(0～10Ω，2A)F．滑动变阻器R2(0～100Ω，0.2A)G．学生电源(直流6V)、开关及导线(1)为了调节方便，测量尽可能准确，实验中应选用电压表________，电流表________，滑动变阻器________．(填器材的前方选项符号，如A、B)(2)为使实验误差尽量减小，要求从零开始多取几组数据；请在下面的方框中完成实验电路图．(3)P为图中图线上的一点，PN为图线上P点的切线、PQ为U轴的垂线，PM为I轴的垂线，对应P点，小灯泡的电阻约为________Ω.(保留两位有效数字)(4)小灯泡的I­U图线是曲线而不是过原点的直线，原因是__________________________________________．[解析](1)根据小灯泡标有“4V，2W”的字样，电压表应选A；通过小灯泡的额定电流I＝PU＝0.5A，电流表应选D；本实验要求小灯泡电流从零开始调节，滑动变阻器应用分压式接法，为便于调节(灵敏)，应选阻值小的变阻器E.(2)因小灯泡电阻远小于电压表内阻，所以电流表应用外接法，要求小灯泡电流从零开始调节，所以滑动变阻器应用分压式接法，电路如答案图所示．(3)P点表示当小灯泡两端电压为2.4V时，通过小灯泡的电流为0.45A，此时小灯泡的电阻R＝UI≈5.3Ω.(4)小灯泡两端电压越大，通过小灯泡的电流越大，小灯泡的热功率越大，温度越高，导致电阻率变大，小灯泡的电阻增大，I­U图像斜率变小．也就是说随着电压的增大，小灯泡的电阻增大，使I­U图像斜率变小．[答案](1)ADE(2)电路如图所示(3)5.3(4)灯丝的电阻会随温度的升高而增大5．要测绘某电学元件(最大电流不超过6mA，最大电压不超过7V)的伏安特性曲线，设计电路如图所示，图中定值电阻R＝1kΩ，用于限流；电流表量程为10mA，内阻约为5Ω；电压表(未画出)量程为10V，内阻约为10kΩ；电源电动势E＝12V，内阻不计．(1)实验时有两个滑动变阻器可供选择：a．阻值0～200Ω，额定电流0.3Ab．阻值0～20Ω，额定电流0.5A本实验应选用的滑动变阻器是________(填“a”或“b”)．(2)正确接线后，测得数据如下表所示．12345678910U(V)0.003.006.006.166.286.326.366.386.396.40I(mA)0.000.000.000.060.501.002.003.004.005.50①根据以上数据，电压表是并联在M与________之间的(填“O”或“P”)．②根据以上数据，在图中画出该元件的伏安特性曲线．[解析]因为描绘的是元件的伏安特性曲线，故要求滑动变阻器采用分压式接法，为了调节灵活和方便，应选用阻值较小、额定电流较大的滑动变阻器，故选用滑动变阻器b；根据题中提供的数据以及电流表内接和外接的判定方法，可知电流表应采用内接法，故电压表应接在M、P之间．[答案](1)b(2)①P②如图所示