2.5 实验：描绘I-U特性曲线（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中物理必修第三册（教科版2019）

第5节　实验：描绘I­U特性曲线 物理观念 科学探究 科学态度与责任 　　熟悉分压电路，根据实验需要选择实验器材连接电路。 　　通过实验探究过程加深对小灯泡伏安特性曲线的了解；培养学生合作学习的意识和能力；培养观察、实验、概括、分析实验数据、解决实验和生活中出现的问题的能力。 　　培养学生实事求是的科学态度和良好的学习习惯。 (2023·全国卷)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，在答题卡所给图上用实线画出实验中应得到的关系曲线的示意图。 [问题设计] 如何判断采用内接法还是外接法？第二问中，是否可以采用描点法确定图线位置？ 提示：先求出小灯泡在额定电压下的电阻，然后进行判断。在第二问中，判断在相同的电压下，电流表的读数，然后利用描点法画出新的图线。 1．实验目的 (1)测多组小电珠的U、I的值，并绘出I－U图像； (2)由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系。 2．实验器材及电路图 小电珠“3.8 V，0.3 A”、电压表“0～3 V～15 V”、电流表“0～0.6 A～3 A”、滑动变阻器、学生电源、开关、导线若干、坐标纸、铅笔。 3．实验步骤 (1)画出电路图(如实验原理图甲)。 (2)将小电珠、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如实验原理图乙所示的电路。 (3)测量与记录 移动滑动变阻器触头位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入自己设计的表格中。 (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，就得到小电珠的伏安特性曲线。 4．实验器材选取 (1)原则：①安全；②精确；③操作方便。 (2)具体要求： ①电源允许的最大电流不小于电路中的实际最大电流。干电池中电流一般不允许超过0.6 A。 ②用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流。 ③电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值。 ④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的以上。 ⑤从便于操作的角度来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用较小阻值的滑动变阻器。 5．注意事项 (1)电路的连接方式： ①电流表应采用外接法：因为小电珠(3.8 V，0.3 A)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：目的是使小电珠两端的电压能从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电珠分得电压为0的一端，使开关闭合时小电珠的电压能从0开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏灯丝。 (3)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。 6．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。 【例】 某实验小组做“描绘小灯泡伏安特性曲线”的实验。除开关、导线以外，实验室还有以下器材可供选择： A．待测小灯泡L(3 V，1.8 W)； B．电流表A1(量程0.3 A，内阻约1 Ω)； C．电流表A2(量程0.6 A，内阻约0.5 Ω)； D．电压表V(量程3 V，内阻约5 kΩ)； E．滑动变阻器R1(最大阻值5 Ω，额定电流2.0 A)； F．滑动变阻器R2(最大阻值100 Ω，额定电流1.0 A)； G．电池组E(电动势为4.5 V，内阻不计)。 (1)为了尽可能减小实验误差，且要求能够在0～3 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，电流表选________，滑动变阻器选________(填写实验器材前的字母代号)。 (2)根据所选的器材，请在下图中完成电路图。 答案：(1)C　E (2)见解析图 解析：(1)小灯泡的额定电压标称值3 V，额定功率约为1.8 W，则额定电流I＝＝＝0.60 A，所以电流表选C；为减少实验误差，且能够方便操作，滑动变阻器选取总电阻小的，所以实验中滑动变阻器应选E。 (2)由于灯泡的电阻较小，电流表内接时使得测量灯泡电阻误差增大，所以电流表外接；故电路图如图所示。 [练] 同学们在实验室完成“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，一般使用小灯泡的参数为“3.8 V，0.6 A”。应选用的电路图是(　　) 　　　 A　　　　　　　　　B 　　　 C　　　　　　　　　D B　解析：描绘小灯泡伏安特性曲线，电压与电流应从零开始变化，故滑动变阻器应采用分压式接法；又因小灯泡电阻较小，故电流表应采用外接法。B正确。 1．发光二极管具有耗能少、体积小、亮度高等优点，现已逐步取代传统光源。某同学研究某发光二极管的伏安特性。经正确实验操作后，绘制的U－I图像如图乙所示，下列为实验备选器材： A．电压表V1(量程0～3 V，内阻约20 kΩ) B．电压表V2(量程0～15 V，内阻约100 kΩ) C．电流表A1(量程0～50 mA，内阻约40 Ω) D．电流表A2(量程0～6 A，内阻约2 Ω) E．滑动变阻器R1(0～10 Ω，额定电流2 A) F．滑动变阻器R2(0～1 000 Ω，额定电流0.1 A) G．电源E(电动势6 V，内阻不计) H．开关S，导线若干 (1)实验时，电压表应选用________，电流表选用________，滑动电阻器选用________(填选项字母)； (2)图甲为实验时的部分电路实物图，请用连线代替导线将电路补充完整； (3)已知该发光二极管的最佳工作电流为15 mA。现将它与电动势为3 V、内阻不计的电池组相连，根据乙图，还需串联一个阻值R＝________Ω的电阻才能使它工作在最佳状态(结果保留两位有效数字)。 答案：(1)A　C　E(2)见解析图 (3)53 Ω 解析：(1)电动势为6 V，绘制出发光二极管的I－U图像其电压在0～3 V的范围，若选量程0～15 V的电压表，则表盘指针的偏转将小于满偏值的，读数误差较大，故选电压表V1，选A；绘制出发光二极管的I－U图像其电流在0～30 mA的范围，若选量程0～6 A的电流表，则表盘指针的偏转将小于满偏值的，读数误差较大，故选电压表A1，选C；绘制出发光二极管的I－U图像其电流在0～30 mA的范围，则电流从零开始变化，则滑动变阻器应采用分压式接法，为方便调节，滑动变阻器应选R1，故选E。 (2)绘制出发光二极管的I－U图像其电流在0～30 mA的范围，则电流从零开始变化，则滑动变阻器应采用分压式接法，且由I－U图像可看出发光二极管的最大电阻约为Rx＝ Ω＝100 Ω，而＝ Ω＝894.4 Ω，则电流表应采用外接法，则完整的电路实物图如下 (3)由绘制出发光二极管的I－U图像可看出在发光二极管的最佳工作电流为15 mA时其电压为2.2 V，则将它与电动势为3 V、内阻不计的电池组相连，还需串联一个R＝＝ Ω＝53 Ω。 2．(2021·河北高考)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； (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3位有效数字)。 答案：(1)见解析图　(2)C　(3)27.0 解析：(1)电流表负极与滑动变阻器的右端的b位置连接，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。 (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，根据欧姆定律I＝可知小灯泡的电阻为R＝＝ Ω≈27.0 Ω。 [课时梯级训练(17)见P166] 学科网（北京）股份有限公司 $$