第18讲 实验：描绘I－U特性曲线-2024年新高二物理暑假预习讲义（人教版2019必修第三册）

第18讲　实验：描绘I－U特性曲线 学习目标　 1.知道什么是伏安特性曲线及其特点。 2.知道线性元件与非线性元件的区别。 3.会用图像法处理实验数据，并会运用伏安特性曲线对电学元件进行分析。 实验基础 一、实验设计 1.测量电路：用电流表测量通过小灯泡的电流，用电压表测量小灯泡两端的电压。由于小灯泡的电阻远小于电压表的内阻，实验时采用电流表外接法。 2.控制电路：利用两节干电池作为电源，使用滑动变阻器改变通过小灯泡的电流和它两端的电压。实验时，我们希望小灯泡两端的电压在零至额定电压之间变化，因此控制电路中滑动变阻器采用分压接法。 3.实验电路图 甲 二、实验操作 1.如图甲所示连接电路。 2.将滑动变阻器的滑片P置于A端，使小灯泡L两端的电压为零，检查电路无误后，闭合开关S。 3.将滑片P逐渐向B端移动，让电压表每次读数的变化量相等，直到达到小灯泡的额定电压。读出若干组电压表的示数U及相应的电流表的示数I，记录在下面的表格中。 4.断开开关S，拆除电路，整理器材。 5.如图乙所示，在坐标纸上建立平面直角坐标系。以纵坐标表示电流I，横坐标表示电压U，根据实验得到的数据在坐标系上描点，并用平滑曲线连接起来，便得到小灯泡的I－U特性曲线。 乙 三、注意事项 1.电路的连接方式 (1)电流表应采用外接法：因为小灯泡的电阻很小，与量程为0.6 A的电流表串联时，电流表的分压影响很大。 (2)滑动变阻器应采用分压式接法：目的是使小灯泡两端的电压能从0开始连续变化。 2.闭合开关S前，滑动变阻器的触头应移到使小灯泡分得电压为0的一端，使开关闭合时小灯泡的电压能从0开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小灯泡两端电压过大而烧坏灯丝。 3.I－U图线在U0左右将发生明显弯曲，故在U＝U0左右绘点要密，以防出现较大误差。 四、误差分析 1.由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，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。 实验探究 探究一　实验原理与设计 例1 现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V，0.6 W”的小灯泡的I－U图线，有下列器材供选用： A.电压表(0～3 V，内阻3 kΩ；0～15 V，内阻10 kΩ) B.电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω；0～3 A，内阻0.1 Ω) C.滑动变阻器(10 Ω，2 A) D.滑动变阻器(100 Ω，1.0 A) E.蓄电池(6 V) (1)为了减小测量误差，图甲中的S1应接________(选填“M”或“N”)，滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)。 (2)根据选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需要电路。 (3)开关S闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于________端(选填“A”“B”或“AB正中间”)，闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，电压表示数变化明显，但电流表示数始终为0，则电路故障为________。 探究二　实验数据分析 例2 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，小灯泡的额定电压为2.5 V，额定功率为0.5 W，此外还有以下器材可供选择： A.直流电源3 V(内阻不计) B.直流电流表A1：量程0～300 mA(内阻约为5 Ω) C.直流电流表A2：量程0～3 A(内阻约为0.1 Ω) D.直流电压表V：量程0～3 V(内阻约为3 kΩ) E.滑动变阻器R1：阻值范围0～100 Ω，额定电流0.5 A F.滑动变阻器R2：阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A G.导线和开关 实验要求：滑动变阻器便于调节，小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。 (1)实验中电流表应选用________(填写仪器前的字母)。 (2)在图甲所示的虚线框中画出符合要求的实验电路图(虚线框中已将所需的滑动变阻器画出，请补齐电路的其他部分，要求滑片P向b端滑动时，灯泡变亮)。 (3)根据实验数据，画出小灯泡的I－U图线如图乙所示。由此可知，当电压为0.5 V时，小灯泡的灯丝电阻是________ Ω。 (4)根据实验测量结果可以绘制小灯泡的电功率P随其两端电压U或电压的平方U2变化的图像，在图中所给出的a、b、c图像中可能正确的是________(选填“a”“b”或“c”)。 探究三　拓展创新实验 例3 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： (a) (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)。 (b) (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 I/mA 140.0 160.0 180.0 200.0 220.0 U/mV 152.0 184.0 216.0 250.0 I/mA 240.0 260.0 280.0 300.0 (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，可得此时小灯泡的电功率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)。 巩固练习 1.(实验原理与设计)在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中，除标有“6 V　1.5 W”字样的小电珠、导线和开关外，还有下列器材： A.直流电源(6 V) B.直流电流表(量程为3 A，内阻0.1 Ω以下) C.直流电流表(量程为300 mA，内阻约为5 Ω) D.直流电压表(量程为10 V，内阻约为15 kΩ) E.直流电压表(量程为5 V，内阻约为5 kΩ) F.滑动变阻器(10 Ω，2 A) G.滑动变阻器(1 kΩ，0.5 A) 实验要求小电珠两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。 (1)实验中电流表应选用________，电压表应选用________，滑动变阻器应选用________(填写序号)。 (2)在虚线框内画出实验电路图。 2.(实验数据处理)某学习小组探究LED灯的伏安特性曲线。 (a) (b) (1)实验需要灯两端的电压从零开始调节，滑动变阻器应采用________(选填“限流式”或“分压式”)接法。 (2)某同学已连接部分导线，请在图(a)中完成电路的连接。 (3)检查电路连线正确后，某同学闭合开关，看到灯闪亮一下立即熄灭，造成这一现象的原因可能是_______________________________________________ _______________________________________________________________。 (4)描绘出灯的伏安特性曲线如图(b)所示，当灯两端电压为0.80 V时，灯的功率为________(结果保留2位有效数字)。 3.(拓展创新实验)某同学要研究一小灯泡L(3.6 V　0.30 A)的伏安特性。所用器材有：电流表A1(量程200 mA，内阻Rg1＝10.0 Ω)、电流表A2(量程500 mA，内阻Rg2＝1.0 Ω)、定值电阻R0(阻值R0＝10.0 Ω)、滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω)、电源E(4.5 V)、开关S和若干导线。该同学设计的电路如图(a)所示。 (1)根据图(a)，在图(b)的实物图中画出连线。 (2)若I1、I2分别为流过电流表A1和A2的电流，利用I1、I2、Rg1和R0写出：小灯泡两端的电压U＝________，流过小灯泡的电流I＝________。为保证小灯泡的安全，I1不能超过________ mA。 (3)实验时，调节滑动变阻器，使开关闭合后两电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片位置并读取相应的I1和I2。所得实验数据在下表中给出。 I1/mA 32 55 85 125 144 173 I2/mA 171 229 299 379 424 470 根据实验数据可算得，当I1＝173 mA时，灯丝电阻R＝________ Ω(保留1位小数)。 (4)如果用另一个电阻替代定值电阻R0，其他不变，为了能够测量完整的伏安特性曲线，所用电阻的阻值不能小于________ Ω(保留1位小数)。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$ 第18讲　实验：描绘I－U特性曲线 学习目标　 1.知道什么是伏安特性曲线及其特点。 2.知道线性元件与非线性元件的区别。 3.会用图像法处理实验数据，并会运用伏安特性曲线对电学元件进行分析。 实验基础 一、实验设计 1.测量电路：用电流表测量通过小灯泡的电流，用电压表测量小灯泡两端的电压。由于小灯泡的电阻远小于电压表的内阻，实验时采用电流表外接法。 2.控制电路：利用两节干电池作为电源，使用滑动变阻器改变通过小灯泡的电流和它两端的电压。实验时，我们希望小灯泡两端的电压在零至额定电压之间变化，因此控制电路中滑动变阻器采用分压接法。 3.实验电路图 甲 二、实验操作 1.如图甲所示连接电路。 2.将滑动变阻器的滑片P置于A端，使小灯泡L两端的电压为零，检查电路无误后，闭合开关S。 3.将滑片P逐渐向B端移动，让电压表每次读数的变化量相等，直到达到小灯泡的额定电压。读出若干组电压表的示数U及相应的电流表的示数I，记录在下面的表格中。 4.断开开关S，拆除电路，整理器材。 5.如图乙所示，在坐标纸上建立平面直角坐标系。以纵坐标表示电流I，横坐标表示电压U，根据实验得到的数据在坐标系上描点，并用平滑曲线连接起来，便得到小灯泡的I－U特性曲线。 乙 三、注意事项 1.电路的连接方式 (1)电流表应采用外接法：因为小灯泡的电阻很小，与量程为0.6 A的电流表串联时，电流表的分压影响很大。 (2)滑动变阻器应采用分压式接法：目的是使小灯泡两端的电压能从0开始连续变化。 2.闭合开关S前，滑动变阻器的触头应移到使小灯泡分得电压为0的一端，使开关闭合时小灯泡的电压能从0开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小灯泡两端电压过大而烧坏灯丝。 3.I－U图线在U0左右将发生明显弯曲，故在U＝U0左右绘点要密，以防出现较大误差。 四、误差分析 1.由于电压表不是理想电表，内阻并非无穷大，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。 实验探究 探究一　实验原理与设计 例1 现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V，0.6 W”的小灯泡的I－U图线，有下列器材供选用： A.电压表(0～3 V，内阻3 kΩ；0～15 V，内阻10 kΩ) B.电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω；0～3 A，内阻0.1 Ω) C.滑动变阻器(10 Ω，2 A) D.滑动变阻器(100 Ω，1.0 A) E.蓄电池(6 V) (1)为了减小测量误差，图甲中的S1应接________(选填“M”或“N”)，滑动变阻器应选用________(用序号字母表示)。 (2)根据选择的电路，用笔画线代替导线在图乙中将实物连接成实验所需要电路。 (3)开关S闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于________端(选填“A”“B”或“AB正中间”)，闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，电压表示数变化明显，但电流表示数始终为0，则电路故障为________。 答案　(1)M　C　(2)见解析图　(3)A　小灯泡断路 解析　 (1)因灯泡电阻较小，故电流表采用外接法，则S1应接在M点；由电路图可知，电路采用了滑动变阻器分压式接法，所以滑动变阻器采用总阻值较小的C。 (2)根据实验原理图画出实物图，如图所示。 (3)为了保证实验安全，开始时灯泡两端的电压应为最小，故滑动变阻器的滑片应在A端；由题意可知，电压表示数变化明显，说明电压表与电源相连，且滑动变阻器连接正常，而电流表没有示数说明电路是断开的，由电路图可知，只能是小灯泡发生了断路。 探究二　实验数据分析 例2 在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，小灯泡的额定电压为2.5 V，额定功率为0.5 W，此外还有以下器材可供选择： A.直流电源3 V(内阻不计) B.直流电流表A1：量程0～300 mA(内阻约为5 Ω) C.直流电流表A2：量程0～3 A(内阻约为0.1 Ω) D.直流电压表V：量程0～3 V(内阻约为3 kΩ) E.滑动变阻器R1：阻值范围0～100 Ω，额定电流0.5 A F.滑动变阻器R2：阻值范围0～10 Ω，额定电流2 A G.导线和开关 实验要求：滑动变阻器便于调节，小灯泡两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。 (1)实验中电流表应选用________(填写仪器前的字母)。 (2)在图甲所示的虚线框中画出符合要求的实验电路图(虚线框中已将所需的滑动变阻器画出，请补齐电路的其他部分，要求滑片P向b端滑动时，灯泡变亮)。 (3)根据实验数据，画出小灯泡的I－U图线如图乙所示。由此可知，当电压为0.5 V时，小灯泡的灯丝电阻是________ Ω。 (4)根据实验测量结果可以绘制小灯泡的电功率P随其两端电压U或电压的平方U2变化的图像，在图中所给出的a、b、c图像中可能正确的是________(选填“a”“b”或“c”)。 答案　(1)B　(2)见解析图　(3)5.0(或5)　(4)b 解析　(1)小灯泡的额定电流为I＝＝ A＝200 mA，故电流表应选B。 (2)因为小灯泡的电阻远小于电压表的内阻，所以采用电流表外接法；又因为小灯泡两端的电压要求从零开始变化，所以必须采用分压电路，实验电路如图所示。 (3)由题图乙得，当电压为0.5 V时，通过小灯泡的电流为0.1 A，小灯泡的灯丝电阻为 R＝＝5.0 Ω。 (4)由题图乙可知，随着小灯泡两端电压的增大，灯泡的电阻R增大，小灯泡的功率为P＝，可知R增大，P－U2图像的斜率减小，b正确，a、c错误。 探究三　拓展创新实验 例3 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： (a) (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)。 (b) (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 I/mA 140.0 160.0 180.0 200.0 220.0 U/mV 152.0 184.0 216.0 250.0 I/mA 240.0 260.0 280.0 300.0 (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，可得此时小灯泡的电功率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)。 答案　(1)10　(2)a　(3)0.7　(4)2 700.0　(5)增大　(6)0.074　10 解析　(1)由于小灯泡的额定电压为2.5 V，则小灯泡达到额定电压时，R0分得的电压约为3.5 V，由欧姆定律得R＝＝Ω＝12 Ω，若R>12 Ω，则小灯泡无法达到额定电压，故选10 Ω的定值电阻。 (2)由题图(a)知，滑动变阻器采用分压式接法，则闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于a端。 (3)由题图(b)可知，当电流为10 mA时，电压表的读数U＝7.0 mV，电压表内阻较大，流过电压表的电流可忽略不计，由欧姆定律得小灯泡的电阻R＝＝ Ω＝0.7 Ω。 (4)根据电表的改装原理，有(RV＋R2)＝U，代入数据解得R2＝2 700.0 Ω。 (5)根据题表中数据结合题图(b)中U－I曲线的斜率可得，随着流过小灯泡电流的增大，灯丝的电阻增大。 (6)由于改装后的电压表的量程是原电压表量程的10倍，由P＝UI结合题表中数据可知P1＝0.046×10×0.16 W＝0.074 W，P2＝0.25×10×0.3 W＝0.75 W，故＝10。 巩固练习 1.(实验原理与设计)在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中，除标有“6 V　1.5 W”字样的小电珠、导线和开关外，还有下列器材： A.直流电源(6 V) B.直流电流表(量程为3 A，内阻0.1 Ω以下) C.直流电流表(量程为300 mA，内阻约为5 Ω) D.直流电压表(量程为10 V，内阻约为15 kΩ) E.直流电压表(量程为5 V，内阻约为5 kΩ) F.滑动变阻器(10 Ω，2 A) G.滑动变阻器(1 kΩ，0.5 A) 实验要求小电珠两端的电压从零开始变化并能进行多次测量。 (1)实验中电流表应选用________，电压表应选用________，滑动变阻器应选用________(填写序号)。 (2)在虚线框内画出实验电路图。 答案　(1)C　D　F　(2)见解析图 解析　(1)小电珠的额定电流为I＝＝0.25 A，则电流表应选用C；小电珠的额定电压为6 V，则电压表应选用D；滑动变阻器要接成分压电路，则应该选择阻值较小的F。 (2)因小电珠电阻相对电压表内阻较小，则采用电流表外接电路；因小电珠两端电压从0开始变化，则滑动变阻器采用分压电路，电路图如图所示。 2.(实验数据处理)某学习小组探究LED灯的伏安特性曲线。 (a) (b) (1)实验需要灯两端的电压从零开始调节，滑动变阻器应采用________(选填“限流式”或“分压式”)接法。 (2)某同学已连接部分导线，请在图(a)中完成电路的连接。 (3)检查电路连线正确后，某同学闭合开关，看到灯闪亮一下立即熄灭，造成这一现象的原因可能是_______________________________________________ _______________________________________________________________。 (4)描绘出灯的伏安特性曲线如图(b)所示，当灯两端电压为0.80 V时，灯的功率为________(结果保留2位有效数字)。 答案　(1)分压式　(2)见解析图　(3)滑动变阻器调节不合适，导致流过灯泡的电流过大，灯泡被烧坏　(4)9.6×10－3 W 解析　(1)题中要求电压从零开始调节，所以滑动变阻器应该按分压式接法接在电路中。 (2)电路图如图所示。 (3)闭合开关，看到灯闪亮一下立即熄灭，造成这一现象的原因可能是滑动变阻器调节不合适，导致流过灯泡的电流过大，灯泡被烧坏。 (4)由题图(b)可知，当灯两端电压为0.80 V时，通过灯的电流为12 mA，则灯的功率为P＝UI＝0.8×12×10－3 W＝9.6×10－3 W。 3.(拓展创新实验)某同学要研究一小灯泡L(3.6 V　0.30 A)的伏安特性。所用器材有：电流表A1(量程200 mA，内阻Rg1＝10.0 Ω)、电流表A2(量程500 mA，内阻Rg2＝1.0 Ω)、定值电阻R0(阻值R0＝10.0 Ω)、滑动变阻器R1(最大阻值10 Ω)、电源E(4.5 V)、开关S和若干导线。该同学设计的电路如图(a)所示。 (1)根据图(a)，在图(b)的实物图中画出连线。 (2)若I1、I2分别为流过电流表A1和A2的电流，利用I1、I2、Rg1和R0写出：小灯泡两端的电压U＝________，流过小灯泡的电流I＝________。为保证小灯泡的安全，I1不能超过________ mA。 (3)实验时，调节滑动变阻器，使开关闭合后两电流表的示数为零。逐次改变滑动变阻器滑片位置并读取相应的I1和I2。所得实验数据在下表中给出。 I1/mA 32 55 85 125 144 173 I2/mA 171 229 299 379 424 470 根据实验数据可算得，当I1＝173 mA时，灯丝电阻R＝________ Ω(保留1位小数)。 (4)如果用另一个电阻替代定值电阻R0，其他不变，为了能够测量完整的伏安特性曲线，所用电阻的阻值不能小于________ Ω(保留1位小数)。 答案　(1) (2)I1(Rg1＋R0)　I2－I1　180　(3)11.6　(4)8.0 解析　 (1)见答案图。 (2)根据串、并联知识可得小灯泡两端的电压U＝I1(Rg1＋R0)，流过小灯泡的电流I＝I2－I1，小灯泡的额定电压U额＝3.6 V，由U额＝I1(Rg1＋R0)可得I1＝180 mA，即为了保证小灯泡的安全，I1不能超过180 mA。 (3)灯丝的电阻R＝＝ 当I1＝173 mA时，I2＝470 mA 解得R＝11.6 Ω。 (4)小灯泡的额定电压U额＝3.6 V， 由Ig1(Rg1＋R)≥U额可得R≥8.0 Ω。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $$