(讲义)第2章 5.实验：描绘I U特性曲线-【提分教练】2023-2024学年新教材高中物理必修第三册(教科版2019)

5．实验：描绘I­U特性曲线 学习任务 1．进一步掌握滑动变阻器的两种接法与电流表内接法、外接法的选择。 2．能根据需要正确选择测量仪器及电表量程。 3．会根据所得的实验数据分析小灯泡的伏安特性曲线，并进行相关分析。 4．尝试进行实验误差的分析，了解测量中减小误差的方法。 一、实验原理与方法 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(I，U)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，即得小灯泡的伏安特性曲线，电路图如图所示。 二、实验器材 学生电源(4～6 V直流)或电池组、小灯泡(“4 V　0.7 A”或“3.8 V　0.3 A”)、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干、铅笔、坐标纸。 三、实验步骤 1．根据小灯泡上所标的额定值，确定电流表、电压表的量程，按图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) 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。 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。 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。 4．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。 5．分析：灯泡灯丝的电阻随温度变化而变化。曲线向横轴弯曲，即曲线上的点与原点的连线的斜率变小，电阻变大，说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大。 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，个别偏离较远的点应舍去。 【典例1】　一个小灯泡上标有“4 V　0.5 A”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的I­U图线。现有下列器材供选择： A．电压表(0～5 V，内阻约10 kΩ) B．电压表(0～15 V，内阻约20 kΩ) C．电流表(0～3 A，内阻约1 Ω) D．电流表(0～0.6 A，内阻约0.4 Ω) E．滑动变阻器(10 Ω，2 A) F．滑动变阻器(500 Ω，1 A) G．电源(直流6 V)、开关、导线若干 甲　　　　　　　　　乙 (1)实验时，选用图中 (填“甲”或“乙”)电路图来完成实验，请说明理由： 。 (2)实验中所用电压表应选 ，电流表应选 ，滑动变阻器应选 。(用字母序号表示) (3)把下图所示的实验器材用实线连接成实物电路图。 [解析]　(1)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，故采用题图甲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。 (2)小灯泡额定电压为4 V，因15 V的量程太大，读数误差大，则电压表选0～5 V的A而舍弃0～15 V的B。小灯泡的额定电流I＝0.5 A，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8 Ω，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，选用E。 (3)小灯泡内阻为电流表内阻的＝20倍，电压表内阻是小灯泡内阻的＝1 250倍，故电流表应选用外接法。 [答案]　(1)甲　描绘灯泡的I­U图线所测数据需从零开始，并要多测几组数据　(2)A　D　E (3)如图所示 【典例2】　图甲为“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡的额定电压为3 V。 甲　　　　　　　　　　乙 丙 (1)在图乙方框图中画出与实物电路相对应的电路图。 (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，滑片应停留在滑动变阻器的最 (选填“左”或“右”)端； ②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； ③记录如下8组U和I的数据，断开开关。根据实验数据在图丙方格纸上做出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 U/V