第5节 实验：描绘I-U特性曲线 （课件PPT）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第三册（教科版）

第5节　实验：描绘I-U特性曲线 实验目的 1．描绘小灯泡的I-U特性曲线。 2．学习设计测量电路与控制电路。 实验原理与设计 1．原理：测量多组U、I值，绘制I-U图像，由图像反映电流与电压的关系。 2．电路图与实物图 实验器材 小灯泡、滑动变阻器、电压表、电流表、学生电源、开关、导线。 实验步骤 1．连线路：按电路原理图连接电路，注意电压表、电流表量程合适，闭合开关前检查滑动变阻器滑片位置正确。 2．测量与记录：接通电路，调节滑动变阻器滑片，逐渐增大小灯泡两端的电压，测量并记录对应的电压、电流，测量并记录多组U、I值。 3．作I-U图像：描点准确，用平滑曲线连接。 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．在坐标纸上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，得到小灯泡的伏安特性曲线。 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，由于电压表的分流，使测得的电流值大于真实值。 2．测量时读数带来误差。 3．在坐标纸上描点、作图带来误差。 注意事项 1．电流表应采用外接法：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．滑动变阻器应采用分压式连接：本实验要作出I-U图像，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接法。 3．保护元件安全：为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应置于使小灯泡分得的电压为零的位置。测量时加在小灯泡两端的电压不要超过其额定电压。 [典例]　某同学研究小灯泡的伏安特性，实验室提供的器材有：小灯泡(6.3 V,0.15 A)，直流电源(9 V)，滑动变阻器，量程合适的电压表和电流表，开关和导线若干，设计的电路如图1所示。 (1)根据图1，完成图2中的实物连线。 实验原理与操作 (2)按照图1连线后，闭合开关，小灯泡闪亮一下后熄灭，观察发现灯丝被烧断，原因可能是________(单项选择，填正确答案标号)。 A．电流表短路 B．滑动变阻器的滑片接触不良 C．滑动变阻器滑片的初始位置在b端 (3)更换小灯泡后，该同学正确完成了实验操作，将实验数据 描点作图，得到I-U图像，其中一部分如图3所示。根据图像计算 出P点对应状态下小灯泡的电阻为________Ω(保留三位有效数字)。 [解析]　(1)电流表负极与滑动变阻器的上接线柱连接，如图所示。 (2)开关闭合，小灯泡闪亮一下后灯丝烧断，说明通过小灯泡的电流过大。电流表内阻非常小，短路几乎不影响通过小灯泡的电流，与灯丝烧断无关，A错误；滑动变阻器滑片接触不良，无电流通过小灯泡，B错误；滑动变阻器的滑片开始时置于b端，小灯泡部分分压达到最大，通过电流最大，可能会烧断小灯泡灯丝，C正确。 [答案]　(1)见解析图　(2)C　(3)27.0 [典例]　某学习小组欲描绘小灯泡(3 V，1.5 W)的U-I图线，可选用的实验器材如下： A．电池组：电动势约为4.5 V，内阻可不计； B．双量程的电压表： V1：量程3 V，内阻约为3 kΩ； V2：量程15 V，内阻约为15 kΩ； C．双量程的电流表： A1：量程0.6 A，内阻约为1 Ω； A2：量程3 A，内阻约为0.1 Ω； 数据处理与误差分析 D．滑动变阻器R：阻值范围0～10 Ω，允许通过的最大电流为2 A； E．开关S，导线若干。 在尽量提高测量精度的情况下，请回答下列问题： (1)根据以上器材，用笔画线代替导线将实物图1连接成完整电路。 (2)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应移到________(选填“A”或“B”)端。 (3)调节滑动变阻器得到电压、电流数据如表所示，请在图2所示的坐标纸上画出小灯泡的U-I图线。 (4)根据U-I图线可得小灯泡在常温下的电阻约为______Ω(结果保留两位有效数字)。 组数 1 2 3 4 5 6 7 U/V 0 0.28 0.58 0.92 1.50 2.00 3.00 I/A 0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.45 0.49 [解析]　(1)本实验应采用滑动变阻器分压接法以获得多组数据， 同时由于小灯泡内阻较小，应采用电流表外接法以减小误差，故 连线如图甲所示。 (2)由图甲可知测量电路与滑动变阻器的左侧并联，为了让小灯 泡两端的电压值从零开始调节，开始时滑片应移到A端。 (3)根据描点法可得出对应的U-I图线如图乙所示。 (1)描绘小灯泡的伏安特性曲线时，为了获得完整的特性曲线，滑动变阻器要采用分压式连接方式。 (2)在U-I坐标系中描出各对应坐标点后，要用平滑的曲线连接各点。 (3)常温下小灯泡的电阻值应对应I＝0位置U-I图线的切线的斜率。　　 1．[实验器材的创新]某同学描绘一种电子元件的I-U关系图像，采用的实验电路图如图1所示， 为电压表， 为电流表，E为电源(电动势约6 V)，R为滑动变阻器(最大阻值20 Ω)，R0为定值电阻，S为开关。 (1)请用笔画线代替导线，将图2所示的实物电路连接完整。 创新角度和创新思维 (2)调节滑动变阻器，记录电压表和电流表的示数如下表： 请根据表中的数据，在方格纸上作出该元件的I-U图线。 电压U/V 0.000 0.250 0.500 0.650 0.700 0.725 0.750 电流I/mA 0.00 0.10 0.25 0.60 1.70 4.30 7.50 (3)根据作出的I-U图线可知，该元件是________(选填“线性”或“非线性”)元件。 (4)在上述测量中，如果用导线代替电路中的定值电阻R0，会导致的两个后果是________。 A．电压和电流的测量误差增大 B．可能因电流过大烧坏待测元件 C．滑动变阻器允许的调节范围变小 D．待测元件两端电压的可调节范围变小 解析：(1)根据电路原理图，按着电流的方向进行实物电路图的连线， 如图甲所示。 (2)由表格中的数据按着标度描出对应的各点，然后用平滑的曲线连 接，使尽可能多的点位于曲线上，如图乙所示。 (3)根据作出的I-U图线可知，该元件为非线性元件。 (4)根据电路的原理图可知，若用导线代替电路中的定值电阻R0，待测元件两端电压的可调节范围变大，在调节滑动变阻器滑片时所允许的调节范围会变小，此时若调节滑动变阻器滑片，稍有不慎就会使通过待测元件的电流过大，烧坏待测元件或电流表，B、C正确，D错误；电压测量值与待测元件两端电压一致，即测量误差不变，A错误。 答案：(1)见解析图甲　(2)见解析图乙　(3)非线性 (4)BC 2．[实验原理的创新](2022·全国乙卷)一同学探究阻值约为550 Ω的待测电阻Rx在0～5 mA范围内的伏安特性。可用器材有：电压表V(量程为3 V，内阻很大)，电流表A(量程为1 mA，内阻为300 Ω)，电源E(电动势约为4 V，内阻不计)，滑动变阻器R(最大阻值可选10 Ω或1.5 kΩ)，定值电阻R0(阻值可选75 Ω或150 Ω)，开关S，导线若干。 (1)要求通过Rx的电流可在0～5 mA范围内连续可调，将图(a)所示的器材符号连线，画出实验电路的原理图； (2)实验时，图(a)中的R应选最大阻值为________(填“10 Ω”或“1.5 kΩ”)的滑动变阻器，R0应选阻值为________(填“75 Ω”或“150 Ω”)的定值电阻； (3)测量多组数据可得Rx的伏安特性曲线。若在某次测量中，电压表、电流表的示数分别如图(b)和图(c)所示，则此时Rx两端的电压为________V，流过Rx的电流为________mA，此组数据得到的Rx的阻值为________Ω(保留3位有效数字)。 答案：(1)见解析图　(2)10 Ω　75 Ω　(3)2.30 4．20　548 1．(2023·全国甲卷)某同学用伏安法测绘一额定电压为6 V、额定功率为3 W的小灯泡的伏安特性曲线，实验所用电压表内阻约为6 kΩ，电流表内阻约为1.5 Ω。实验中有图(a)和(b)两个电路图供选择。 (1)实验中得到的电流I和电压U的关系曲线如图(c)所示，该同学选择的电路图是图(____________)(填“a”或“b”)。 (2)若选择另一个电路图进行实验，在图(c)上用实线画出实验中应得到的I-U关系曲线的示意图。 (2)若选用另一个电路图即图(b)实验，会有U＝U灯＋IRA，则分别代入电流I＝200 mA、I＝400 mA、I＝500 mA，可得对应的电压应为1.3 V、3.8 V、6.75 V，描点连线得到的I-U关系曲线如图所示。 答案：(1)a　(2)见解析图 2．某同学用图(a)所示电路探究小灯泡的伏安特性，所用器材有： 小灯泡(额定电压2.5 V，额定电流0.3 A) 电压表(量程300 mV，内阻300 Ω) 电流表(量程300 mA，内阻0.27 Ω) 定值电阻R0 滑动变阻器R1(阻值0～20 Ω) 电阻箱R2(最大阻值9 999.9 Ω) 电源E(电动势6 V，内阻不计) 开关S、导线若干。 完成下列填空： (1)有3个阻值分别为10 Ω、20 Ω、30 Ω的定值电阻可供选择，为了描绘小灯泡电流在0～300 mA的U-I曲线，R0应选取阻值为________Ω的定值电阻。 (2)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于变阻器的________(填“a”或“b”)端。 (3)在流过电流表的电流较小时，将电阻箱R2的阻值置零，改变滑动变阻器滑片的位置，读取电压表和电流表的示数U、I，结果如图(b)所示。当流过电流表的电流为10 mA时，小灯泡的电阻为________Ω(保留1位有效数字)。 (4)为使得电压表满量程时对应于小灯泡两端的电压为3 V，该同学经计算知，应将R2的阻值调整为________Ω，然后调节滑动变阻器R1，测得数据如下表所示： U/mV 24.0 46.0 76.0 110.0 128.0 152.0 184.0 216.0 250.0 I/mA 140.0 160.0 180.0 200.0 220.0 240.0 260.0 280.0 300.0 答案：(1)10　(2)a　(3)0.7　(4)2 700.0　(5)增大　 (6)0.074　10 3．二极管具有单向导电性，电路符号是“ ”。实验小组想通过实验描绘某种型号的二极管正向导通时的伏安特性曲线，并从这种型号二极管说明书上得到其伏安特性曲线如图甲所示。 (1)根据实验室中已有如下的实验仪器，设计了如图乙所示的电路图。 A．干电池两节(每节电动势约1.5 V)； B．待测二极管； C．电流表(量程40 mA，内阻约几欧)； D．电流表(量程5 mA，内阻RA＝20 Ω)； E．滑动变阻器(阻值范围为0～10 Ω)； F．电阻箱(最大阻值为999 Ω)； G．导线、开关若干。 则图乙中电流表A1应选择________，电流表A2应选择________。(填仪器前的字母) (2)若电流表A1的读数为I1，电流表A2的读数为I2，电阻箱的阻值为R1，则此时二极管的电阻Rx的表达式为Rx＝________。 (3)将电阻箱的阻值调至________Ω时，电流表A1恰好半偏，此时二极管的电压为1 V。 (4)根据图甲，要准确描绘此二极管在正向导通时的伏安特性曲线，应该在电流表A2的读数在________区间多测几组数据(选填“0～2 mA”或“2～6 mA”)。 4．一组LED由三个相同的LED灯珠和一个定值电阻R0串联而成(图甲中虚线框内部分)，供电电压为12 V，由理论分析可知，每个小灯珠的工作电压应在3 V～4 V之间。为研究LED灯珠的伏安特性并测量R0的值，小亮同学设计了图甲的电路进行实验。图甲中电源电压恒为12 V，电压表的量程为2 V、内阻为4.0 kΩ；电流表量程为30 mA、内阻很小可忽略。完成下列操作中的要求或填空： (1)为使电路能正常工作，a端应接电源的________(选填“正极”或“负极”)。 (2)为完成实验并准确测量，定值电阻Rx应该选择的是________。 A．1.0 kΩ B．4.0 kΩ C．8.0 kΩ D．20.0 kΩ (3)正确选择Rx后接通电源，将R的滑片从M端向N端滑动，记录多组电压表的示数U和电流表的示数I，并在图乙中绘出了灯珠D的U-I图线。其中，当R的滑片移动到N端时，电压表的示数为 1.80 V、电流表的示数为25.0 mA。不考虑电压表和电流表对电路的影响，则R0的值为________Ω。 (4)灯珠D在通过某一电流时的实际功率________(选填“大于”“小于”或“等于”)由图乙得到的测量值。 (5)若将这一组LED灯珠直接接到电动势为12 V、内电阻为152.0 Ω的叠层电池两端，一组LED中三个灯珠的总功率为________mW。(计算结果保留2位有效数字) (3)根据小灯泡的伏安特性曲线可知在P点时的电压和电流分别为U＝2 V，I＝74 mA 根据闭合电路的欧姆定律I＝可知，小灯泡的电阻为 R＝＝ Ω≈27.0 Ω。 (4)在U-I图线过原点时小灯泡最接近常温，在图乙中作出U-I图线过原点的切线，如图丙所示。小灯泡在常温下的电阻即U-I图线过原点的切线的斜率，故R＝ Ω＝2.0 Ω。 [答案]　(1)见解析图甲　(2)A　(3)见解析图乙 (4)2.0(1.8～2.2均可) 解析：(1)电流表内阻已知，电流表与R0并联扩大电流表量程，进而准确测量通过Rx的电流，电压表单独测量Rx的电压；滑动变阻器采用分压式接法，电表从0开始测量，满足题中通过Rx的电流从0～5 mA连续可调，电路图如图所示。 (2)电路中R应选最大阻值为10 Ω的滑动变阻器，方便电路的调节，测量效率高、实验误差小；通过Rx的电流最大为5 mA，需要将电流表量程扩大为原来的5倍，根据并联分流，即并联电路中电流之比等于电阻的反比，可知＝，解得R0＝75 Ω。 (3)电压表读数为U＝2.30 V；电流表读数为0.84 mA，电流表量程扩大5倍，所以通过Rx的电流为I＝0.84 mA×5＝4.20 mA；根据欧姆定律可知Rx＝＝ Ω≈548 Ω。 解析：(1)灯泡正常工作时的电阻RL＝＝ Ω＝12 Ω，由题图(c)可知，当U＝6 V时，I＝0.5 A，此时电阻R＝＝12 Ω＝RL。因RV≈6 kΩ≫RL，RA≈1.5 Ω，由电阻关系可知，该同学选择的电路图是图(a)。 (5)由图(b)和上表可知，随流过小灯泡电流的增加，其灯丝的电阻________(填“增大”“减小”或“不变”)。 (6)该同学观测到小灯泡刚开始发光时流过电流表的电流为160 mA，可得此时小灯泡电功率P1＝______W(保留2位有效数字)；当流过电流表的电流为300 mA时，小灯泡的电功率为P2，则＝______(保留至整数)。 解析：(1)因为小灯泡额定电压为2.5 V，电源的电动势为6 V，则移动滑动变阻器时，为了保证电路安全，需要定值电阻分担的电压最大为U＝6 V－2.5 V＝3.5 V 则有R0＝ Ω≈11.7 Ω 则为了描绘小灯泡在0～300 mA的伏安特性曲线，R0应选取阻值为10 Ω的定值电阻； (2)为了保护电路，滑动变阻器的滑片应置于变阻器的a端； (3)由题图可知当流过电流表的电流为10 mA时，电压为7 mV，则小灯泡的电阻为R＝ Ω＝0.7 Ω； (4)由题知电压表满量程时对应于小灯泡两端的电压为3 V时，有＝ 解得R2＝2 700.0 Ω； (5)由题图(b)和表格可知流过小灯泡电流增加，图像中变大，则灯丝的电阻增大； (6)根据表格可知当电流为160 mA时，电压表的示数为46 mV，根据(4)的分析可知此时小灯泡两端电压为0.46 V，则此时小灯泡电功率 P1＝0.46×0.16 W≈0.074 W； 同理可知当流过电流表的电流为300 mA时，小灯泡两端电压为2.5 V，此时小灯泡电功率 P2＝2.5×0.3 W＝0.75 W 故有＝≈10。 解析：(1)电流表A1要与电阻箱串联构成电压表，则A1要用已知内阻的电流表D；电流表A2应选择C。 (2)根据题图乙可知二极管的电阻Rx的表达式为 Rx＝。 (3)当电流表A1恰好半偏时，此时二极管的电压为1 V，则电阻箱的电阻 R＝－RA＝Ω＝380 Ω。 (4)由题图甲可知此二极管在正向导通时的伏安特性中，当电流在2～6 mA区间图像弯曲的程度最大，可知要准确描绘此二极管在正向导通时的伏安特性曲线，应该在电流表A2的读数在2～6 mA区间多测几组数据。 答案：(1)D　C　(2)　(3)380　(4)2～6 mA 解析：(1)灯珠正常发光要加正向电压，由题图甲可知，使电路能正常工作，a端应接电源的负极。 (2)由题图甲可知，三个灯珠串联，电源电压为12 V，每个灯珠两端最大电压约为4 V，改装后的电压表量程应为4 V，因此串联电阻内阻应与电压表内阻相等，故选B。 (3)电压表示数为1.8 V，则小灯珠两端电压为1.8×2 V＝3.6 V，由题图甲可知，定值电阻阻值R0＝＝ Ω＝48 Ω。 (4)由题图甲可知，由于电压表的分流作用，流过灯珠的电流小于电流表示数，即电流测量值偏大，由P＝UI可知，灯珠的实际功率小于测量值。 (5)建立三个灯珠串联和电源构成的电路，设电压表示数为U，则每个灯珠两端的电压为2U，设流过灯珠的电流为I，则由闭合电路的欧姆定律得：E＝U×2×3＋IR0＋Ir，即U＝－I＝2－I，在灯珠U-I坐标系内过(0 mA,2 V)和(30 mA,1 V)两个点作出U-I图像，如图所示， $$