第2章 5 实验：描绘I-U特性曲线-【优化探究】2025-2026学年新教材高中物理必修第三册同步导学案配套PPT课件（教科版）

5　实验:描绘I-U特性曲线 第二章　电路及其应用 [学习目标]　1.知道I-U特性曲线及其特点,知道线性元件与非线性元件的区别(难点)。2.掌握描绘小灯泡的I-U特性曲线的原理和方法,会用图像法处理实验数据(重点)。 课堂检测 素养达标 内容索引 基础实验要求 一、导体的I-U特性曲线 1.I-U特性曲线:以　　　为纵轴,以　　　为横轴,这样画出的电学元件的I-U图像叫作电学元件的I-U特性曲线。  电流I 电压U 2.线性元件和非线性元件 (1)线性元件:I-U特性曲线是一条过原点的　　　,如金属导体、电解质溶液。  (2)非线性元件:I-U特性曲线是一条　　　,如气态导体和半导体元件。  直线 曲线 3.I-U图线与U-I图线 　　　图线 比较内容　　　 I-U图线 U-I图线 坐标轴 横坐标表示电压U、纵坐标表示电流I 横坐标表示电流I、纵坐标表示电压U 斜率 图线上的点与坐标原点连线的斜率表示导体 　 　　　  图线上的点与坐标原点连线的斜率表示导体的　 　  电阻的倒数 电阻 　　　图线 比较内容　　　 I-U图线 U-I图线 线性元件图线的形状   R1　　R2    R1　　R2  > < 　　　图线 比较内容　　　 I-U图线 U-I图线 非线性元件图线的形状(其中一种) 电阻随U的增大而　　    电阻随I的增大而　　  增大 减小 二、实验:描绘I-U特性曲线 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(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。 3.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,按如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、电压表有明显的示数,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。 (4)断开开关,整理好器材。 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 电压U/V                 电流I/A                 4.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。 5.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。 6.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)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零的一端,使开关闭合时小灯泡的电压从零开始变化,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。 (4)I-U图线在U0=1.0 V左右将发生明显弯曲,故在U=1.0 V左右绘点要密,以防出现较大误差。 (5)当小灯泡的电压接近额定值时要缓慢增加,到额定值记录I后马上断开开关。 (6)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。 [典例1]　(2023·绵阳检测)如图所示是某导体的I-U图线,图中α=45°,下列说法不正确的是(　　) A.通过该导体的电流与其两端的电压成正比 B.此导体的电阻R不变 C.I-U图线的斜率表示电阻的倒数,所以R= Ω=1 Ω D.在该导体两端加6 V电压时,每秒通过导体截面的电荷量是3 C 实验创新研析 C 由题图可知,通过该导体的电流与其两端的电压成正比,故A说法正确,不符合题意;由I=可知,图线的斜率表示电阻的倒数,则由图像可知电阻R= Ω=2 Ω,故B说法正确,不符合题意,C说法错误,符合题意;在R两端加6 V的电压时,电路中电流I==3 A,则每秒通过导体截面的电荷量为q=It=3×1 C=3 C,故D说法正确,不符合题意。 [典例2]　(多选)如图是A、B两个导体的I-U特性曲线,其中图线A的斜率为k,并且图线A与横轴成α角。下列关于这两个导体的I-U特性曲线的说法正确的是(　　 ) A.两条图线的交点表示此状态下两导体的电阻相等 B.导体A的电阻值不随电压变化而变化 C.导体B是非线性元件,曲线上某点切线的斜率为相应状态的电阻的倒数 D.B的电阻随电压的增大而减小 ABD 两条图线的交点表示两导体的U和I相等,此时电阻R=,则电阻也相等,故A正确;I-U图像中图线上的点与原点的连线的斜率表示电阻的倒数,根据题图图像可知,导体A的电阻值不随电压变化而变化,导体B的电阻随电压的增大而减小,故C错误,B、D正确。 [典例3]　以下是“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的操作步骤: A.闭合开关,记下电流表、电压表的一组示数(I,U),移动滑动变阻器的滑动触头,每移动一次记下一组(I,U)值,共测出12组数据; B.将电流表、电压表、滑动变阻器、小灯泡、电源、开关正确连接成电路。电流表外接,滑动变阻器采用分压式,如图所示; C.调节触头位置,使闭合开关前触头处于滑动变阻器的左端; D.按所测数据,在坐标纸上描点并将各点用直线段连接起来,得出小灯泡的伏安特性曲线。 (1)以上各步骤中存在错误或不妥之处的是　　　　,应如何改正: 　 　 。  [答案]　(1)见解析 (1)错误或不妥的步骤是A、C、D。A步骤:测量不同电压下的电流值I时,应先预设各组数据中的电压U或电流I的值,而不是随意测,随意测时会使描点疏密不均匀,画图线时出现较大误差,甚至无法画出I-U图线。C步骤:闭合开关前应使小灯泡两端电压为零,即触头应置于滑动变阻器最右端。D步骤:应将各点用平滑的曲线连接。 (2)将各步骤纠正后,按实验先后顺序排列:　 。  (2)实验先后顺序为BCAD。 BCAD [典例4]　如图为“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图,已知小灯泡额定电压为3 V。 (1)在方框图中画出与实物电路相应的电路图。 [答案]　(1)图见解析　       (1)由实物电路图知滑动变阻器采用分压式接法,电流表采用外接法,电路图如图所示。 (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,应停留在滑动变阻器 　　　　(选填“左”或“右”)端;  ②闭合开关后,逐渐移动变阻器的滑片,增加小灯泡两端的电压,记录电流表和电压表的多组示数,直至电压达到额定电压; 左 ③断开开关,整理好实验器材。根据实验数据在图中作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线。 [答案]③图见解析 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 灯泡 发光 情况 不亮→微亮→逐渐变亮→正常发光 (2)①为保护电路安全,开关闭合之前,图中滑动变阻器的滑片应该置于左端。 ③根据表格中的数据,画出小灯泡的I-U图线。 (3)数据分析 ①从图线上可以得出,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升高而　　　　;  ③小灯泡正常工作时的电阻约为　　　　Ω(小数点后保留一位有效数字)。  先不变,后逐渐增大 增大 14.6 (3)①从图线上可以得出,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升高而增大。 ③根据I-U图线得,当灯泡两端电压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。 [典例5]　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(电动势4.5 V,内阻很小)、开关S和若干导线。该同学设计的电路如图所示。 (1)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。  I1(Rg1+R0) I2-I1 180 (1)并联电路两端电压相等,根据图示电路图,由欧姆定律可知,灯泡两端电压U=I1(Rg1+R0);由并联电路特点可知,流过小灯泡的电流I=I2-I1,小灯泡的额定电压为3.6 V,I1的最大值I1max== A=0.18 A= 180 mA,I1不能超过180 mA。 (2)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。所得实验数据在表格中给出。 根据实验数据可算得,当I1=173 mA时,灯丝电阻R=　　　　Ω(保留一位小数)。  I1/mA 32 55 85 125 144 173 I2/mA 171 229 299 379 424 470 11.6 (2)由表中数据可知,I1=173 mA时,I2=470 mA;由欧姆定律可知,此时灯泡电阻R=== Ω≈11.6 Ω。 (3)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(保留一位小数)。  (3)要测量完整的伏安特性曲线则灯泡两端的电压至少要达到额定电压U额=3.6 V,而电流表A1不能超过其量程Ig1=200 mA=0.2 A,根据欧姆定律有U额=Ig1(Rg1+R),代入数据有3.6 V=0.2 A×(10+R)Ω,解得R=8.0 Ω,即要完整的测量小灯泡伏安特性曲线所用电阻的阻值不能小于8.0 Ω。 8.0 课堂检测 素养达标 1.要测绘一个3.8 V灯泡L的伏安特性曲线,选用了电池组(电动势为4 V,内阻约为0.04 Ω)、电流表(量程0~0.6 A,内阻约0.3 Ω)、电压表(量程0~5 V,内阻约5 kΩ)、开关、导线和滑动变阻器(阻值范围0~10 Ω)。为了安全、准确地完成实验,应该选用的电路图为(　　) A 由于本实验需要测多组数据才能准确描绘伏安特性曲线,并且要求电压从零调节,所以变阻器应用分压式接法,由于小灯泡电阻较小,所以为了减小误差,应采用电流表外接法,故A正确,B、C、D错误。 2.有一个小灯泡上标有“4 V　2 W”的字样,现在要用伏安法测量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　　　　。  A D E (1)根据小灯泡标有“4 V　2 W”的字样,电压表应选A;通过小灯泡的额定电流I==0.5 A,电流表应选D;本实验要求小灯泡电流从零开始调节,滑动变阻器应用分压式接法,为便于调节,应选阻值小的变阻器E。 (2)为使实验误差尽量减小,要求从零开始多取几组数据,请完成下面方框中的实验电路图。 答案: (2)图见解析 (2)因小灯泡电阻远小于电压表内阻,所以电流表应用外接法,要求小灯泡电流从零开始调节,所以滑动变阻器应用分压式接法,电路如图所示。 (3)P为图中图线上的一点,PN为图线上P点的切线、PQ为U轴的垂线,PM为I轴的垂线。对应P点,小灯泡的电阻约为　　　　Ω(保留两位有效数字)。  5.3 (3)P点表示当小灯泡两端电压为2.4 V时,通过小灯泡的电流为0.45 A,此时小灯泡的电阻R=≈5.3 Ω。 (4)小灯泡的I-U图线是曲线而不是过原点的直线,原因是 　 。  (4)小灯泡两端电压越大,通过小灯泡的电流越大,小灯泡的热功率越大,温度越高,导致电阻率变大,小灯泡的电阻增大,I-U图线斜率变小。也就是说随着电压的增大,小灯泡的电阻增大,使I-U图线斜率变小。 灯丝的电阻会随温度的升高而增大 3.(2024·四川绵阳期末)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I-U图线。现有下列器材供选用: A.电压表(0~5 V,内阻约为10 kΩ); B.电压表(0~15 V,内阻约为20 kΩ); C.电流表(0~3 A,内阻约为1 Ω); D.电流表(0~0.6 A,内阻约为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: 　 。  描绘灯泡的I-U图线所测数据需从零开始,并要多取几组数据 (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。 (2)实验中所选用的器材有　　　　　　。  (2)因小灯泡额定电压为4 V,则电压表选0~5 V的A,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E的最大阻值与小灯泡内阻8 Ω相差不大,调节方便,故实验中所选用的器材为ADEG。 ADEG (3)把图中所示的实验器材用实线连接成实物电路图。 答案: (3)图见解析 (3)实物电路如图所示。 4.(2024·四川遂宁期中)某实验小组设计了探究小灯泡灯丝电阻与温度的关系的实验。实验室提供的器材如下: A.待测小灯泡(额定功率1.25 W,额定电流0.5 A); B.电流表(量程0~0.6 A,内阻0.1 Ω); C.电压表(量程0~3 V,内阻约5 kΩ); D.电压表(量程0~15 V,内阻约15 kΩ); E.滑动变阻器(最大阻值50 Ω); F.滑动变阻器(最大阻值1 kΩ); G.直流电源(电动势6 V,内阻可忽略); H.开关一个,导线若干。 实验中调节滑动变阻器,小灯泡两端电压可以从零至额定电压范围内变化,从而测出小灯泡在不同电压下的电流。 (1)实验中为较准确测量、方便调节,电压表应选用　　　,滑动变阻器应选用　　　。  (1)根据小灯泡额定功率1.25 W,额定电流0.5 A可知,额定电压 U== V=2.5 V 所以电压表应选C;题中要求小灯泡两端电压可以从零至额定电压范围内变化,则滑动变阻器应用分压式接法,为方便调节,滑动变阻器应选E。 C E (2)根据图甲设计的电路,完成图乙中的实物连线。 答案: (2)图见解析 (2)由题图甲可知,电压表并联在小灯泡两端,滑动变阻器采用分压式接法,即将左下方接线柱与电源正极相连,如图所示。 (3)如图丙所示是该研究小组测得小灯泡的I-U关系图线。由图线可知,小灯泡灯丝电阻随温度的升高而　　　(选填“增大”“减小”或“不变”);当小灯泡两端所加电压为1.5 V时,其灯丝电阻值约为　　　Ω。  增大 3.75 (3)由题图丙可知,随灯泡两端电压增大,通过灯泡的电流增大,温度升高且电压与电流的比值增大,灯丝电阻增大;由题图丙可知,当灯泡两端电压为1.5 V时,通过灯泡的电流为0.4 A,则灯丝电阻 R== Ω=3.75 Ω。 (4)若不考虑电表内阻的影响,得到的是上面的I-U关系图线。但实际电表内阻有影响,则实际的伏安特性曲线比上面的I-U关系图线位置偏 　　　(选填“高”或“低”)。  (4)因为采用电流表外接法,由于电压表的分流,使电流表示数偏大,则测量得到的I-U图像中的电流偏大,故实际图线的位置偏低。 低 5.如图甲为某一热敏电阻(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的I-U关系的完整曲线,在图乙和丙两个电路中应选择的是图　　　　,简要说明理由:___________________ 　　　　　　　 　　　　(电源电压为9 V,滑动变阻器的阻值为0~100 Ω)。  (1)要描绘I-U特性曲线,电压要从零开始连续变化且电压取值范围广,滑动变阻器应采用分压式接法,故选择的是题图乙。 乙 电压要从零开始连续 变化且电压取值范围广 (2)在图丁的电路中,电源电压恒为9 V,电流表(内阻忽略)读数为70 mA,定值电阻R1=250 Ω,由热敏电阻的I-U关系曲线可知,热敏电阻两端电压为　　　　V,电阻R2的阻值为　　　　Ω。  4.4 135.3 (2)热敏电阻和R2串联后与R1并联,电流表测量干路电流,已知电源电压和R1的电阻可求出流经它的电流I1== A=36 mA,又因为电流表示数为70 mA,所以通过热敏电阻的电流为I2=70 mA-36 mA=34 mA,从题图中可以看出当通过热敏电阻的电流为34 mA时,热敏电阻两端的电压为4.4 V,故R2的阻值为R2== Ω≈135.3 Ω。 $$