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第二章学案5

学案5 实验:

描绘小灯泡的伏安特性曲线

[学习目标定位]1.会正确选择实验器材和实验电路.2.学会描绘小灯泡的伏安特性曲线并掌握分析图线的方法.

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.

2.实验器材

学生电源(4V~6V直流)或电池组、小灯泡(“4V 0.7A”或“3.8V 0.3A”)、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干、铅笔、坐标纸.

3.在虚线框中画出测小灯泡伏安特性曲线的电路图.

一、电流表的内接法和外接法的比较

内接法

外接法

电路图

误差原因

电流表的分压

电压表的分流

测量值和

真实值的

比较

R测=

=Rx+RA

测量值大于真实值

R测=

测量值小于真实值

适用于

测量

测大(填“大”或“小”)电阻或

>

测小(填“大”或“小”)电阻或

>

二、滑动变阻器的两种接法比较

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

~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、实验过程

1.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1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)

图1

(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

1

2

3

4

5

6

7

8

电压U/V

电流I/A

(4)断开开关,整理好器材.

2.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)将描出的点用平滑的曲线连接起来,就得到小灯泡的伏安特性曲线.

3.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.

4.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.

5.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.

例1

 有一个小灯泡上标有“4V 2W”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2中甲而不选用图乙的电路图来完成实验,请说明理由:

________________________________________________________________________.

图2

(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)把图3中所示的实验器材用实线连接成实物电路图.

图3

解析 因实验目的是要描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,故采用甲图所示的分压式电路合适,这样电压可以从零开始调节,且能方便地测多组数据.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,则电流表只能选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.小灯泡内阻为电流表内阻的

=20倍,电压表内阻是小灯泡的

=1250倍,故电流表采用了外接法.

答案 

(1)描绘小灯泡的I—U图线所测数据需从零开始,并要多取几组数据 

(2)A D E

(3)如下图所示.

例2

 某同学在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中得到如下表所示的几组U和I的数据:

编号

1

2

3

4

5

6

7

8

U/V

0.20

0.60

1.00

1.40

1.80

2.20

2.60

3.00

I/A

0.020

0.060

0.100

0.140

0.170

0.190

0.200

0.205

(1)在图4中画出I—U图象.

图4

(2)从图象上可以看出,当电压逐渐增大时,灯丝电阻的变化情况是____.

(3)这表明小灯泡的电阻随温度的升高而________.

答案 

(1)见解析图 

(2)开始时不变,后来增大

(3)增大

解析 画出I-U图象如图所示,曲线开始呈直线状说明开始时电阻不变,后来逐渐靠近U轴说明电阻增大.

要测绘一个标有“3V 0.6W”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).

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,

继续要选择电流表的接法,

题中

=5,而

=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.

1.为探究小灯泡L的伏安特性,连好如图1所示的电路后闭合开关,通过移动变阻器的滑片,使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大,直到小灯泡正常发光.由电流表和电压表得到的多组读数描绘出的U-I图象应是下图中的(  )

图1

答案 C

解析 小灯泡中的电流逐渐增大时其温度升高,导致电阻R会随着增大.由R=

得U=IR,即U-I图象的斜率变大,所以只有C选项对.

2.在探究小灯泡的伏安特性实验中,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、电键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2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2

①________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

②________________________________________________________________________

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________.

答案 

(1)分压

(2)①电键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

3.图3为“描绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图,已知小灯泡的额定电压为2.5V.

图3

(1)完成下列实验步骤:

①闭合开关前,调节滑动变阻器的滑片,____________;

②闭合开关后,逐渐移动滑动变阻器的滑片,________;

③断开开关,…….根据实验数据作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线.

(2)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图.

 

答案 

(1)①使它靠近滑动变阻器左端的接线柱

②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

(2)见解析图

解析 

(1)滑动变阻器为分压式接法,故闭合开关前,小灯泡两端的电压应为零,调节滑动变阻器的滑片,使它靠近滑动变阻器左端的接线柱.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.

(2)与实物电路相应的电路图如图所示.

4.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,可供选择的器材有:

A.小灯泡:

规格为“3.8V 0.3A”

B.电流表:

量程0~0.6A,内阻约为0.5Ω

C.电流表:

量程0~3A,内阻约为0.1Ω

D.电压表:

量程0~5V,内阻约为5kΩ

E.滑动变阻器:

阻值范围0~10Ω,额定电流2A

F.电池组:

电动势6V,内阻约为1Ω

G.开关一只,导线若干

(1)为了使测量尽可能地准确,需要使小灯泡两端电压从0逐渐增大到3.8V且能方便地进行调节,因此电流表应选________.(填器材前选项)

(2)根据你选用的实验电路,将图4所示的器材连成实物电路.

图4

答案 

(1)B 

(2)见解析图

解析 

(1)因小灯泡的额定电流为0.3A,为减小读数误差,应让指针偏角大一些,故电流表选B.

(2)由电流表外接和滑动变阻器采用分压式接法知,电路图如图甲所示,由电路图连接的实物图如图乙所示.

 

5.如图5甲所示为某一热敏电阻(电阻值随温度的改变而改变,且对温度很敏感)的I-U关系曲线图.

(1)为了通过测量得到如图甲所示I-U关系的完整曲线,在图乙和图丙两个电路中应选择的是图_________,简要说明理由:

___________________________________________.

(电源电压为9V,滑动变阻器的阻值为0~100Ω)

(2)在如图丁所示的电路中,电源电压恒为9V,电流表读数为70mA,定值电阻R1=250Ω.由热敏电阻的I-U关系曲线可知,热敏电阻两端的电压为______V;电阻R2的阻值为________Ω.

 

       甲         乙

      丙      丁

图5

答案 

(1)乙 图乙加在热敏电阻两端的电压可以从零调到所需电压 

(2)5.2 111.8

解析 

(1)图乙的滑动变阻器用的是分压式接法,加在热敏电阻两端的电压可以从零调到所需电压,从而能够得到完整的I-U图线,故选图乙.

(2)通过R1的电流为I1=

A=36mA,通过热敏电阻的电流I2=I-I1=(70-36)mA=34mA,由题图甲可知热敏电阻两端的电压为5.2V,电阻R2=

Ω≈111.8Ω.

6.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中,可供选择的实验仪器如下:

小灯泡L,“3.8V,0.3A”

电压表V,量程0~5V,内阻5kΩ

电流表A1,量程0~100mA,内阻4Ω

电流表A2,量程0~500mA,内阻0.4Ω

滑动变阻器R1,最大阻值10Ω,额定电流1.0A

滑动变阻器R2,最大阻值5Ω,额定电流0.5A

直流电源E,电动势约为6V,内阻约为0.5Ω

(1)在上述器材中,滑动变阻器应选____________;电流表应选__________________.

(2)在虚线框内画出实验的电路图,并在图中注明各元件的符号.

 

(3)某实验小组完成实验后利用实验中得到的实验数据在I-U坐标系中,描绘出如图6所示的小灯泡的伏安特性曲线.根据此图给出的信息,可以判断下图中正确的是(图中P为小灯泡的功率)(  )

图6

答案 

(1)R1 A2 

(2)见解析图 (3)BD

解析 

(1)本题滑动变阻器采用分压式接法,通常应当选用最大阻值小的滑动变阻器,但本题中如果选用R2,则电路中的电流会超过R2允许通过的最大电流,故滑动变阻器应当选择R1.电流表A1的量程太小,故电流表应当选择A2.

(2)电路如图所示,由于电压要从0开始调,滑动变阻器用分压式接法;因为灯泡的内阻比较小,电流表用外接法.

(3)随着通过小灯泡电流的增大,小灯泡消耗的功率增大,小灯泡的电阻也增大,由P=

知B图正确,由P=I2R知D图正确.

7.在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中,用导线a、b、c、d、e、f、g和h按图7所示方式连接好电路,电路中所有元器件都完好,且电压表和电流表已调零.闭合开关后:

图7

(1)若不管怎样调节滑动变阻器,小灯泡亮度能发生变化,但电压表、电流表的示数总不能为零,则可能是________导线断路.

(2)某同学在实验中还测出a、b、c三种元件的伏安特性曲线分别如图8中的(a)、(b)、(c),下列说法正确的是(  )

图8

A.a可以作为标准电阻使用

B.b能作为标准电阻使用

C.b的阻值随电压升高而增大

D.c的阻值随电压升高而增大

答案 

(1)g 

(2)AC

解析 

(1)若调节滑动变阻器,小灯泡的亮度变化,但电压表、电流表示数总不能为零,说明滑动变阻器不起分压作用,所以可能是g导线断路.

(2)因a元件的I-U线是直线,说明电阻不随电压的变化而变化,故可作为标准电阻,故A对,B错.因I-U线上的点与原点的连线的斜率倒数表示电阻值,故C对,D错.选A、C.

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