5．实验：描绘I U特性曲线-【金版教程】2025-2026学年高中物理必修第三册创新导学案全书Word（教科版2019）

物理 必修 第三册(教科) 5．实验：描绘I­U特性曲线 1．知道什么是I­U特性曲线，知道线性元件与非线性元件的区别。2.会通过实验得出数据，并用图像法处理实验数据，描绘I­U特性曲线。3.会运用I­U特性曲线对电学元件进行分析。 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 二　实验器材 电压表、电流表、干电池(两节)、小灯泡、滑动变阻器、开关、导线若干、坐标纸。 三　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。 U/V I/A 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I­U特性曲线。 探究　测量过程·获取数据 仔细观察下列图片，认真参与“师生互动”。 活动1：如图所示为描绘小灯泡I­U特性曲线的实验电路图，由图可知，电流表采用了何种接法？为什么要采用这种接法？ 提示：外接法。由于小灯泡的电阻远小于电压表的内阻。 活动2：滑动变阻器采用了何种接法？为什么要采用这种接法？ 提示：分压接法。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。 活动3：在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于哪一端？开关S闭合后，滑片P向哪侧移动，同时观察哪一块电表？ 提示：开关S闭合前，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。开关S闭合后，将滑片P逐渐向B端移动，同时观察电压表，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。 探究　分析数据·得出结论 活动1：本实验是通过什么方法来处理实验数据的？请详述。 提示：图像法。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I­U特性曲线。 活动2：根据实验数据描绘的图线有什么特点？为什么会出现这种情况？ 提示：小灯泡的I­U特性曲线并不是直线。原因是灯丝电阻随温度变化而变化。 活动3：我们如果要通过实验描绘一个定值电阻的I­U特性曲线，要求加在定值电阻两端的电压不要太大，每次通电时间要尽可能短，读数完毕立即切断电源。这样做的目的是什么？ 提示：我们通过实验描绘定值电阻的I­U特性曲线时，由于所加电压不太高，通过的电流不太强，而且每次通电时间很短，其温度可以认为保持不变，或者变化不大，从而由于温度的变化而引起的电阻改变可以忽略，因此其I­U特性曲线是一条直线，也正因为如此，才称其为“定值电阻”。 活动4：实验中有哪些误差？分别来源于哪里？ 提示：(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。 探究　典例探究·提升能力 在“描绘小灯泡的I­U特性曲线”实验中，小灯泡的额定电压为2.5 V，额定电流为0.2 A，此外还有以下器材可供选择： A．直流电源：两极间电压为3 V 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I­U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。 [规范解答]　(1)小灯泡的额定电流为0.2 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；又因为描绘小灯泡的I­U特性曲线，小灯泡的电流和电压必须从零开始调整，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，小灯泡的电流为0.10 A，此时小灯泡的灯丝电阻为R＝＝5.0 Ω。 [答案]　(1)B　(2)图见规范解答　(3)5.0 小灯泡的I­U特性曲线不是一条过坐标原点的直线，但小灯泡仍是纯电阻元件，阻值仍等于两端电压与通过的电流之比。I­U特性曲线是一条过坐标原点的直线的元件，叫作线性元件；I­U特性曲线不是一条过坐标原点的直线的元件，叫作非线性元件。 注：I­U图线上某点对应的阻值，等于该点与坐标原点连线的斜率的倒数，而不等于该点切线斜率的倒数。 　现要用伏安法描绘一只标值为“2.5 V，0.24 A”小灯泡的I­U特性曲线，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(两极间电压为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________(选填“A”“B”或“AB中间”)处；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，若电表及导线连接均无问题，则电路故障为____________________。 答案　(1)M　C　(2)图见解析 (3)A　小灯泡断路 解析　(1)因小灯泡电阻远小于电压表内阻，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；为了调节方便，所以滑动变阻器采用总阻值较小的C。 (2)因小灯泡标值为“2.5 V，0.24 A”，则电压表选接0～3 V，电流表选接0～0.6 A，实物连接如图所示。 (3)为了保证实验电路安全，开始时使小灯泡两端的电压为零，故开关S闭合之前，滑动变阻器的滑片应该置于A端；由题意可知，闭合开关后，移动滑动变阻器的滑片，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，而电流表示数始终为0，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。 1．在“描绘小电珠的I­U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(提供的电压为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)图见解析 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；小电珠两端的电压从零开始变化，则滑动变阻器要采用分压式接法，为了调节方便，应该选择总阻值较小的F。 (2)小电珠正常工作时的电阻约为＝24 Ω，因为<，则电流表应外接。根据以上分析，可画出电路图如图所示。 2．某学习小组探究LED灯的I­U特性曲线。 (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I­U特性曲线如图b所示，当灯两端电压为0.80 V时，灯的电阻为________(结果保留两位有效数字)。 答案　(1)分压式　(2)图见解析 (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)67 Ω 解析　(1)题中要求灯两端的电压从零开始调节，所以滑动变阻器应采用分压式接法。 (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12.0 mA，则灯的电阻为R＝＝ Ω＝67 Ω。 3．某同学要研究一小灯泡L(3.6 V，0.30 A)的I­U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(提供的电压为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(保留一位小数)。 (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I­U特性曲线，所用电阻的阻值不能小于________Ω(保留一位小数)。 答案　(1)图见解析 (2)I1(Rg1＋R0)　I2－I1　180 (3)11.6　(4)8.0 解析　(1)实物图如图所示。 (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＝I额(Rg1＋R0)，可得I额＝180 mA，所以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。 4．某学习小组通过实验来研究电器元件Z的伏安特性曲线。他们在实验中测得电器元件Z两端的电压与通过它的电流的数据如下表： U/V 0.00 0.20 0.50 1.00 I/A 0.000 0.050 0.100 0.150 U/V 1.50 2.00 2.50 3.00 I/A 0.180 0.195 0.205 0.215 (1)利用表格中数据绘出的电器元件Z的伏安特性曲线，如下图所示，分析曲线可知该电器元件Z的电阻随U变大而________(选填“变大”“变小”或“不变”)。 (2)若把电器元件Z接入如图所示的电路中时，理想电流表的读数为0.150 A，已知A、B两端的电压恒为2 V，则定值电阻R0阻值为________ Ω。(结果保留两位有效数字) 答案　(1)变大　(2)6.7 解析　(1)由I­U图像可知，随电压增大，电压与电流的比值增大，元件阻值变大。 (2)由图像可知，电流为0.150 A时，Z两端的电压为1 V，A、B两端电压为Z和R0两端的电压之和，所以R0两端的电压也为1 V，流过R0的电流为0.150 A，所以R0＝ Ω＝6.7 Ω。 5．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9999.9 Ω)、电源E(提供的电压为6 V)、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U­I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(保留一位有效数字)。 (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 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”)。 答案　(1)10　(2)a　(3)0.7　(4)2700.0　(5)增大 解析　(1)因为小灯泡的额定电压为2.5 V，电源提供的电压为6 V，为方便调节，应使R1的滑片在b端附近时，小灯泡两端的电压达到2.5 V，此时定值电阻分担的电压约为6 V－2.5 V＝3.5 V，电阻约为≈11.7 Ω，又因为此时R0两端的电压等于或略小于3.5 V，则R0应选取阻值为10 Ω的定值电阻。 (2)为了保护电路，闭合开关前，滑动变阻器的滑片应置于使小灯泡两端电压为0处，即应置于变阻器的a端。 (3)由图b可知，当流过电流表的电流为I＝10 mA时，电压表示数为U＝7 mV，则此时小灯泡的电阻为R＝ Ω＝0.7 Ω。 (4)若电压表满量程时对应小灯泡两端的电压为3 V，有＝，解得R2＝2700.0 Ω。 (5)由图b可知，随着流过小灯泡电流的增加，变大，则灯丝的电阻增大；而由表格中数据也可得到相同结论。 5 学科网（北京）股份有限公司 $$