第二章 5.实验：描绘I-U特性曲线-【金版新学案】2023-2024学年新教材高二物理必修第三册同步课堂高效讲义教师用书（教科版2019）

5．实验：描绘I­U特性曲线 【学习目标】 1．描绘小灯泡的伏安特性曲线　2．分析伏安特性曲线的变化规律　3．会正确选择实验器材和实验电路　4．掌握分析图线的方法，正确进行数据处理 一、实验原理及操作 1．实验目的 (1)描绘小灯泡的伏安特性曲线。 (2)分析伏安特性曲线的变化规律。 2．实验原理和方法 (1)实验电路：小灯泡的电阻很小，电流表采用外接法；因电压要求从零开始连续变化，故滑动变阻器采用分压式接法。 (2)曲线形状：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，以I为纵轴、U为横轴画出小灯泡的I ­U图线，由于金属的电阻率(电阻)随温度的升高而增大，其伏安特性曲线不是一条直线。 3．实验器材 小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、直流电源、开关、导线、坐标纸。 4．实验步骤 (1)按实验电路图连接电路。 (2)把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S。 (3)移动滑动变阻器滑片位置，测出9组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入表格中。 实验 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 U I (4)断开开关，拆除电路，整理器材。 二、数据处理与分析 (一)数据处理 1．在坐标纸上以U为横轴，以I为纵轴，建立坐标系。 2．在坐标纸上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。 (二)误差分析 1．由于电压表、电流表不是理想电表，电表内阻对电路的影响会带来误差。 2．电流表、电压表的读数带来误差，要严格按照读数规则读数。 3．在坐标纸上描点、作图带来操作误差。 (三)注意事项 1．描绘I­U图线要求电压、电流从零开始变化，因此滑动变阻器采用分压式接法。小灯泡的电阻较小，电流表采用外接法。 学生用书第81页 2．调节滑片时应注意使电压表的示数不要超过小灯泡的额定电压，且要使实验中测出的各组数据均匀，间隔大致相等。 3．作图时两坐标轴的标度要适当，尽量使测量数据画出的图线占满坐标纸。连线时误差较大的点要舍去，要用平滑的曲线而不能画成折线。 类型一　实验原理与操作 有一个小灯泡上标有“4 V　2 W”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10 kΩ) B．电压表(0～15 V，内阻20 kΩ) C．电流表(0～3 A，内阻1 Ω) D．电流表(0～0．6 A，内阻0．4 Ω) E．滑动变阻器(10 Ω，2 A) F．滑动变阻器(500 Ω，1 A) G．学生电源(直流6 V)、开关、导线若干 (1)实验时，选用图甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由： ___________ ________________________________________________________________________。 (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)把图中所示的实验器材用实线连接成实物电路图。 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4 V，则电压表选0～5 V的A而舍弃0～15 V 的B，因15 V 的量程太大，读数误差大。小灯泡的额定电流I＝0．5 A，则电流表应选D。滑动变阻器应选用阻值小的滑动变阻器E。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，故电流表采用了外接法。 答案：　(1)描绘小灯泡的I­U图线所测数据需从零开始，并要多取几组数据　(2)A　D　E (3)如图所示 针对练．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“3．8 V　0．3 A” B．电流表：量程0～0．6 A，内阻约为0．5 Ω C．电流表：量程0～3 A，内阻约为0．1 Ω D．电压表：量程0～5 V，内阻约为5 kΩ E．滑动变阻器：阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A F．电池组：电动势6 V 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3．8 V 且能方便地进行调节，因此电流表应选________。(填器材前的选项符号) (2)根据你选用的实验器材，画出实验电路图，并将如图所示的器材连成实物电路。 解析：　(1)因小灯泡的额定电流为0．3 A，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，电路图如图甲所示，由电路图连接的实物图如图乙所示。 答案：　(1)B　(2)见解析 描绘小灯泡的伏安特性曲线的三要点 (1)被测小灯泡电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法。 (2)本实验要做I­U图像，要求电压值、电流值从零开始，故滑动变阻器要采用分压式接法。 (3)开关闭合前，滑动变阻器滑片应移到使小灯泡两端电压为零处。　　 学生用书第82页 类型二　实验数据分析 图甲为“测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。 (1)在图乙所示的虚线框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 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 小灯泡 发光情 况 不亮　微亮　逐渐变亮　正常发光 (3)数据分析 ①从图线上可以得知，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的升高而________。 ③小灯泡正常工作时的电阻约为________。(保留到小数点后1位) 解析：　(1)与实物电路相对应的电路图如图甲所示。 (2)①为保护电路安全，开关闭合之前，题图甲中滑动变阻器的滑片应该置于最左端。 ③根据表格中的数据，画出小灯泡的I­U图线如图乙所示。 (3)①从图线上可以得知，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的升高而增大。 ③根据I­U图线可得电压U＝3 V时，I＝0．205 A，所以小灯泡正常工作时的电阻约为R＝ Ω≈14．6 Ω。 答案：　(1)见解析图　(2)①左　③见解析图 (3)①先不变，后逐渐增大　②增大　③14．6 Ω 针对练．有一个小灯泡上标有“4 V　2 W”的字样，现在要用伏安法测绘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(0～5 V，内阻约10 kΩ) B．电压表V2(0～10 V，内阻约20 kΩ) C．电流表 A1(0～0．3 A，内阻约1 Ω) D．电流表 A2(0～0．6 A，内阻约0．4 Ω) E．滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A) F．滑动变阻器R2(0～100 Ω，0．2 A) G．学生电源(直流6 V)，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________。(填写器材前的选项符号) (2)为使实验误差尽量减小，要求从零开始多取几组数据，请在虚线框中画出实验电路图。 (3)如图所示，P为I ­U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，则由图可知：随着所加电压的增加，小灯泡的电阻将__________(选填“增大”“减小”或“不变”)；对应P点，小灯泡的电阻值约为__________Ω。(结果保留3位有效数字) 解析：　(1)灯泡额定电压为4 V，电压表选A。灯泡额定电流I＝＝ A＝0．5 A，则电流表选D。为方便实验操作，滑动变阻器选E。 (2)电压与电流从零开始变化，滑动变阻器应采用分压式接法；灯泡正常发光时电阻R＝＝ Ω＝8 Ω，＝＝20，＝＝1 250，＞，则电流表应采用外接法，电路图如图所示。 (3)由图像可知，随着所加电压的增加，通过小灯泡的电流增大，电压与电流的比值也增大，即灯泡电阻增大；在P点U＝2．4 V，I＝0．45 A，此时灯泡电阻R＝＝ Ω＝5．33 Ω。 答案：　(1)A　D　E　(2)电路图见解析　(3)增大　5．33 (1)描绘I­U图像时要让尽量多的点在图像上，不在图像上的点大致分布在图像的两侧。误差较大的点要舍去，I ­ U图线应是平滑的曲线而非折线。 (2)滑动变阻器的选择，要考虑它的额定电流，又要考虑它的阻值范围，分压式电路中通常选择阻值小的滑动变阻器。　　 学生用书第83页 1．为探究小灯泡L的伏安特性，连接好如图所示的电路后闭合开关，通过移动滑动变阻器的滑片，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，由电流表和电压表的读数得到多组数据并描绘出U ­I图线，则下列各图正确的是(　　) C　[小灯泡的灯丝是金属电阻丝，其电阻是非线性的，会随温度的升高而变大。开始时电压较低没有发光，灯丝的温度较低，其电阻变化不明显，所以U­I图像接近直线。但随着电压的不断增大，灯泡发光，温度变化很大，因而其电阻值也变化很大，所以其U­I图像为曲线，故选项C正确。] 2．如图所示为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡额定电压为2．5 V。 (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，逐渐移动变阻器的滑片 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________； ③断开开关，……根据实验数据在方格纸上做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。 解析：　(1)滑动变阻器为分压式接法，故闭合开关前，灯泡两端的电压为零，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。 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，直至电压达到其额定电压 (2)见解析图 3．一小灯泡，标有“3 V　0．6 W”字样，现用下面给出的器材测量该小灯泡正常发光时的电阻。电动势为12 V，内阻为1Ω的电源、最大阻值为5 Ω的滑动变阻器、内阻为1 Ω的电流表、内阻为10 kΩ的电压表、开关一个、导线若干。 (1)在设计电路过程中，为了尽量减小实验误差，电流表应采用________(选填“内接”或“外接”)法。滑动变阻器应采用________(选填“分压式”或“限流式”)接法。 (2)在下面的虚线框内画出你所设计的实验电路图(尽量减小实验误差)。 解析：　因小灯泡正常工作时的电阻约为Rx＝＝15 Ω，而电流表、电压表的内阻分别为1 Ω和10 kΩ，满足Rv≫Rx，电流表应外接；实验中因小灯泡两端电压只需3 V，而电源电动势为12 V，所以滑动变阻器应采用分压式接法。 答案：　(1)外接　分压式　(2)如图所示 4．某同学在做“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，得到如下表所示的一组U­I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)试在图上画出U­I图线 (2)当U＜1．40 V时，灯丝电压与电流成________比，灯丝电阻________；当U＞1．40 V时，灯丝的温度逐渐升高，其电阻随温度升高而________。 解析：　(1)根据给出的坐标纸建立坐标，然后描点。用平滑的曲线连接，如图所示。 (2)从图像得到，当U＜1．40 V时，灯泡电压与电流成正比，灯丝电阻不变；当U＞1．40 V时，由U­I图线可知，图线斜率逐渐增大，故其电阻随温度的升高而增大。 答案：　(1)见解析图　(2)正　不变　增大 学科网（北京）股份有限公司 $$