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第5节实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线一、实验目的描绘小灯泡的伏安特性曲线，并分析曲线的变化规律．二、实验原理1．实验电路(如图所示)：电流表采用外接(小灯泡电阻很小)，滑动变阻器采用分压式(使电压能从零开始连续变化)2．实验原理：用电压表和电流表可以分别测出多组小灯泡的电压和电流值，在坐标纸的I－U坐标系中描出各个点，用一条平滑的曲线将这些点连接起来．三、实验器材学生电源(4～6V直流)，小灯泡(“4V0.7A”或“3.8V0.3A”)，电流表(内阻较小)，电压表(内阻很大)，滑动变阻器，开关和导线．四、实验步骤1．连接电路：确定电流表、电压表的量程，按实验电路图连好电路．(注意开关应断开，滑动变阻器与灯泡并联部分电阻为零)．2．测量数据：闭合开关S，调节滑动变阻器，使电流表、电压表有较小但明显的示数，记录一组电压U和电流I值．3．重复测量：用同样的方法测量并记录12组U值和I值.次数123456789101112电压U/V电流I/A4.整理器材：断开开关S，整理好器材．5．描绘曲线：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，先观察所描点的走向，再用平滑曲线连接各点得到I－U图线．五、注意事项1．本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法．2．本实验要作出I－U图线，要求测出一组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压式接法．3．为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于图中的左端．4．加在小灯泡两端的电压不要超过其额定电压．5．连图线时曲线要平滑，绝对不要出现折线．六、误差分析1．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，电流表外接，则电流表示数偏大．2．测量时读数带来误差．3．在坐标纸上描点、作图时带来误差．考点1器材选用、电路设计例1为测定标有“4.5V2W”字样小灯泡的伏安特性曲线，有下列器材可供选用：A．电压表V1(0～3V，内阻为3kΩ)B．电压表V2(0～15V，内阻为15kΩ)C．电流表A(0～0.6A，内阻约1Ω)D．定值电阻R0(阻值为3kΩ)E．滑动变阻器R(10Ω，2A)F．学生电源(直流6V，内阻不计)G．开关、导线若干(1)为使实验误差尽可能小，并要求从零开始多取几组数据，下图所示的四幅电路图中满足实验要求的是______．该实验电路图中)是电压表________(填“V1”或“V2”)；该电路图中小灯泡两端电压U与对应电压表读数UV的比值UUV＝________．(2)正确连接电路，闭合开关前，将滑动变阻器的滑片P应移到________(填“a”或“b”)端；实验操作中，为使灯泡不被烧坏，当观察到电表)的示数接近________V时，要特别注意滑动变阻器的调节．【解析】(1)实验要求从零开始取数据，所以滑动变阻器接成分压式电路，甲、丙错；绘制伏安特性曲线，应该使灯泡两端电压由0～4.5V连续变化，如果用0～15V量程电压表测量，其最小分度值为0.5V，测量误差较大，所以选用0～3V量程的电压表V1，再串联定值电阻，将其改装为6V量程的电压表，所以乙正确．由分压规律可知，UUV＝2.(2)正确连接电路，闭合开关前，应使灯泡两端电压最小，故滑动变阻器的滑片应移到a端；由于电压表内阻与定值电阻阻值相等，由分压规律可知，当电压表读数接近2.25V时，小灯泡两端电压接近4.5V的额定电压．【答案】(1)乙V12(2)a2.251．某实验小组想研究小灯泡的伏安特性，除了提供小灯泡(规格“12V5W”)外，还有以下一些器材：A．电源：12V，内阻不计B．电流表A1：0～0.6A，内阻约0.125ΩC．电流表A2：0～3A，内阻约0.025ΩD．电压表V1：0～3V，内阻约3kΩE．电压表V2：0～15V，内阻约15kΩF．滑动变阻器R(最大阻值为18Ω，滑片的有效移动长度为27cm)G．开关一个，导线若干(1)完成该实验，需要选择的仪器有__________．(填仪器前的字母代号)(2)某位同学测得小灯泡的伏安特性曲线如图1所示．某次测量时，电流表指针位置如图2所示，电流表读数为____A，此时小灯泡的实际功率为____W.ABEFG0.402.4(3)根据I－U图象可知：从A点IA＝0.30A到B点IB＝0.50A的过程中小灯泡的电阻逐渐________(选填“增大”或“减小”)，改变的阻值约为____Ω(结果保留1位小数)．在获得A→B段图线数据的过程中，滑动变阻器的滑片移动了____cm.增大10.715【解析】(1)根据小灯泡规格“12V5W”可知额定电流I额＝P额U额＝512A≈0.42A，所以电流表应选0～0.6A量程；由于额定电压为12V，故电压表应选0～15V量程；还需要电源、滑动变阻器、开关和导线等，故所选器材为ABEFG.(2)电流表量程是0.6A，每小格电流是0.02A，所以电流表读数为I＝0.40A；根据I－U图象可知I＝0.40A时，小灯泡两端的电压U＝6.0V，所以小灯泡消耗的实际功率为P＝UI＝2.4W.(3)电路如图所示，根据I－U图象可知RA＝40.3Ω＝13.3Ω、RB＝120.50Ω＝24Ω，从A点到B点的过程中灯泡的电阻逐渐增大，改变的阻值为10.7Ω；设滑片在A点时与灯泡并联的滑动变阻器阻值为R，此时灯泡两端电压即与滑动变阻器并联电压为U并＝4V，滑动变阻器另段电压为12V－4V＝8V，通过灯泡的电流为IL＝0.30A，由串并联电路特点及欧姆定律可得，4VR＋0.3A×(18Ω－R)＝8V，解得R＝8Ω；与灯泡并联的滑动变阻器电阻丝长度为818×27cm＝12cm；在获得AB段图线数据的过程中，滑动变阻器的滑片移动了27cm－12cm＝15cm.考点2数据的处理例2在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，小灯泡的规格为“2.0V0.5A”．备有下列器材：A．电源E(电动势为3.0V，内阻不计)B．电压表V1(量程0～3V，内阻约1kΩ)C．电压表V2(量程0～15V，内阻约4kΩ)D．电流表A1(量程0～3A，内阻约0.1Ω)E．电流表A2(量程0～0.6A，内阻约0.6Ω)F．滑动变阻器R1(0～5Ω，3.0A)G．滑动变阻器R2(0～200Ω，1.25A)H．开关和若干导线为了尽可能准确地描绘出小灯泡的伏安特性曲线，请完成以下内容．(1)实验中电压表应选用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________(请填写选项前对应的字母)．(2)图甲是实物电路，请你不要改动已连接的导线，把还需要连接的导线补上．(3)某同学完成该实验后，又找了另外两个元件，其中一个是由金属材料制成的，它的电阻随温度的升高而增大，而另一个是由半导体材料制成的，它的电阻随温度的升高而减小．他又选用了合适的电源、电表等相关器材后，对其中的一个元件进行了测试，测得通过其中的电流与加在它两端的电压数据如下表所示：U/V0.400.600.801.001.201.501.60I/A0.200.450.801.251.802.813.20请根据表中数据在图乙中作出该元件的I－U图线；该元件可能是由__________(填“金属”或“半导体”)材料制成的．(4)在(3)的基础上，该同学进一步分析，如果让一节电动势为1.5V、内阻为0.5Ω的干电池只对该元件供电，则该元件消耗的功率为__________W(结果保留两位有效数字)．【解析】(1)因电源电压为3V，故电压表应选用B；灯泡的额定电流为0.5A，则电流表应选用E；因滑动变阻器要采用分压式接法，故滑动变阻器应选用总阻值较小的F.(3)由该元件的I－U图线的特征可知，元件的电阻随温度升高而减小，可知该元件可能是由半导体材料制成的．(4)在元件的I－U图象中作出电源的U－I图线，由图丙可知交点坐标I＝1.1A，U＝0.95V，则元件消耗的功率为P＝IU≈1.0W.【答案】(1)BEF(2)如图甲所示(3)I－U图线如图乙所示半导体(4)1.0(0.98～1.1之间)2．某同学在实验室发现一废旧电阻元件，其上标注“2.5V1.2W”的字样，为描绘出该元件的U－I图线，该同学在实验室找到了下列实验器材：A．直流电源(电动势E＝3V，内阻不计)B．电流表(量程0～3mA，内阻为1Ω)C．电流表(量程0～0.6A，内阻约为1Ω)D．滑动变阻器(阻值范围0～5Ω，允许通过的最大电流为0.6A)E．滑动变阻器(阻值范围0～50Ω，允许通过的最大电流为0.6A)F．定值电阻(阻值为999Ω)G．定值电阻(阻值为99Ω)H．开关、导线若干(1)电流表应选____；由于没有电压表，应将电流表____和定值电阻____串联后作为电压表使用；滑动变阻器应选____．(填写器材前的字母标号)(2)如图甲所示为该同学连接的部分电路，请你帮助他完成剩余部分的连线．__________CBFD如图所示(3)该同学通过实验得到该元件的U－I图线如图乙所示，由图线可知，该元件的阻值随温度的升高而________(选填“增大”“不变”或“减小”)，若将该元件直接接到电动势为1.5V、内阻为2Ω的电源上，该元件消耗的功率为_____________.增大0.28W【解析】(1)实验中电流表选用量程为0～0.6A的C，需将另一电流表B和F串联，改装为量程为3V的电压表，描绘该元件的U－I图线时，电压应从零开始测量，故应采用分压电路，为了便于操作，滑动变阻器选择D.(2)实物连线中，由于待测元件阻值较小，电流表分压作用明显，故电流表应采用外接法．(3)从题图乙中图线判断，电流增大，元件的阻值增大；直接接在电源上时，有U＝1.5－2I(V)，作出此时该元件的U－I图线，如图所示，两图线的交点即为元件的实际电流与电压，故该元件消耗的功率P＝0.28W.考点3实验的创新例3某同学想要描绘标有“3.8V0.3A”字样小灯泡L的伏安特性曲线，要求测量数据尽量精确、绘制曲线完整．可供该同学选用的器材除开关、导线外，还有：电压表V1(量程0～3V，内阻等于3kΩ)电压表V2(量程0～15V，内阻等于15kΩ)电流表A1(量程0～200mA，内阻等于10Ω)电流表A2(量程0～3A，内阻等于0.1Ω)滑动变阻器R1(0～10Ω，额定电流2A)滑动变阻器R2(0～1kΩ，额定电流0.5A)定值电阻R3(阻值等于1Ω)定值电阻R4(阻值等于10Ω)定值电阻R5(阻值等于1kΩ)电源E(E＝6V，内阻不计)(1)请画出实验电路图，并将你选用的元件字母代码标在该元件的符号旁．(2)按你设计的电路图，把实物图连成实验电路，在图上标出元件字母代码．(3)该同学描绘出的I－U图象应是下图中的________．【解析】(1)用电压表V1和R5串联，可改装成量程为U＝Ugrg(rg＋R5)＝33×(3＋1)V＝4V的电压表；用量程为200mA的电流表A1与定值电阻R4并联可改装为量程为I＝Ig＋IgrgR4＝0.2A＋0.2×1010A＝0.4A的电流表；待测小灯泡的阻值较小，故采用电流表外接，电路图如图所示．(2)(3)小灯泡的电阻随温度升高而变大，故该同学描绘出的I－U图象应该是B.【答案】(1)见解析图(2)见解析图(3)B【小结】①如果知道电压表的内阻和它两端的电压，则通过它的电流IV＝UVRV，即电压表可当电流表使用，IV很小．②如给出的电表量程不符合尽量减小读数误差又能安全使用的要求，则要利用给出的定值电阻，从中选用适当的给电表扩大量程．③连实物图时，可以先一个一个“零件”连好，然后各“零件”组装成一个“系统”．例如：可以先连接测量系统，注意分清电流表是内接还是外接；再连接控制系统，注意分清滑动变阻器是连成限流式还是分压式．④描点时要严格按数据描，描好后先看点的大致分布，判断是直线型还是曲线型，画直线要使不在直线上的点对称分布在直线两旁，画曲线要平滑．3．LED二极管的应用是非常广泛的，2014年诺贝尔物理学奖被授予了日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二，以表