第二章 5．实验：描绘I-U特性曲线-【名师导航】2025-2026学年高中物理必修第三册教师用书word（教科版）

本讲义聚焦“描绘小灯泡I-U特性曲线”实验，系统梳理滑动变阻器分压式接法、电流表外接法的选择依据，仪器量程确定，数据处理（描点作图）及电阻随温度变化的分析，作为欧姆定律应用与非线性元件特性探究的学习支架。 资料通过典例解析器材选择（如“4V 0.7A”灯泡对应电流表量程0.6A的选择）、电路故障分析（如分压电路断路导致电压调节范围小），培养科学探究与科学思维。注重误差分析（电压表内阻影响、作图误差）与图像规范（平滑曲线连接），强化科学态度。课中辅助教师引导实验操作，课后通过练习题巩固电路分析与数据处理，助力查漏补缺。

5．实验：描绘I-U特性曲线 [学习目标]　1．进一步掌握滑动变阻器的两种接法与电流表内接法、外接法的选择。2．能根据需要正确选择测量仪器及电表量程。3．会根据所得的实验数据分析小灯泡的伏安特性曲线，并进行相关分析。4．尝试进行实验误差的分析，了解测量中减小误差的方法。 一、实验原理与方法 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(I，U)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，即得小灯泡的伏安特性曲线，电路图如图所示。 二、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。 三、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、电压表有较小的明显示数，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。 次数 1 2 3 4 5 6 7 8 电压U/V 电流I/A 4．断开开关，整理好器材。 四、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。 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。 4．结果：描绘出的小灯泡灯丝的伏安特性曲线不是直线，而是向横轴弯曲的曲线。 5．分析：灯泡灯丝的电阻随温度变化而变化。曲线向横轴弯曲，即曲线上的点与原点的连线的斜率变小，电阻变大，说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大。 五、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。 六、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．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，个别偏离较远的点应舍去。 【典例1】　一个小灯泡上标有“4 V　0.5 A”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的I-U图线。现有下列器材供选择： A．电压表(0～5 V，内阻约10 kΩ) B．电压表(0～15 V，内阻约20 kΩ) C．电流表(0～3 A，内阻约1 Ω) D．电流表(0～0.6 A，内阻约0.4 Ω) E．滑动变阻器(10 Ω，2 A) F．滑动变阻器(500 Ω，1 A) G．电源(直流6 V)、开关、导线若干 甲　　　　　　　　　乙 (1)实验时，选用图中________(选填“甲”或“乙”)电路图来完成实验，请说明理由： _______________________________________________________________ _____________________________________________________________________。 (2)实验中所用电压表应选________，电流表应选______，滑动变阻器应选______。(用字母序号表示) (3)把下图所示的实验器材用实线连接成实物电路图。 [解析]　(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，故采用题图甲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)小灯泡额定电压为4 V，因15 V的量程太大，读数误差大，则电压表选0～5 V的A而舍弃0～15 V的B。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F的最大阻值远大于小灯泡内阻8 Ω，调节不方便，电压变化与滑动变阻器使用部分的长度线性关系差，故舍去，选用E。 (3)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，故电流表应选用外接法。 [答案]　(1)甲　描绘灯泡的I-U图线所测数据需从零开始，并要多测几组数据　(2)A　D　E (3)如图所示 【典例2】　图甲为“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的实物电路图，已知小灯泡的额定电压为3 V。 甲　　　　　　　　　　乙 丙 (1)在图乙方框图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作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 (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________。(保留到小数点后一位) [解析]　(1)与实物电路相对应的电路图如图(a)所示。 图(a) (2)①为保护实验器材，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I-U图线如图(b)所示。 图(b) (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电压U＝3 V时，I＝0.205 A，所以小灯泡正常工作时的电阻R＝ Ω≈14.6 Ω。 [答案]　(1)见解析图(a)　(2)①左　③见解析图(b) (3)①先不变，后逐渐增大　②增大　③14.6 Ω 1．在用电压表和电流表研究小灯泡在不同电压下的功率的实验中，实验室备有下列器材供选择： A．待测小灯泡“3.0 V　1.5 W” B．电流表(量程3 A，内阻约为1 Ω) C．电流表(量程0.6 A，内阻约为5 Ω) D．电压表(量程3.0 V，内阻约为10 kΩ) E．电压表(量程15.0 V，内阻约为50 kΩ) F．滑动变阻器(最大阻值为100 Ω，额定电流为50 mA) G．滑动变阻器(最大阻值为10 Ω，额定电流为1.0 A) H．电源(电动势为4.0 V，内阻不计) I．开关及导线等 (1)为了使实验误差最小，电流表应选用________；电压表应选用________；滑动变阻器应选用______。(只需填器材前面的字母即可) (2)请在虚线框内画出实验电路图(要求电压从零开始变化)。 (3)某同学在一次测量时，电流表、电压表的示数如图所示，则电压表的读数为________V，电流表读数为________A。 [解析]　(1)由题意可得，小灯泡的额定电压为3.0 V，则流过小灯泡的最大电流为 Imax＝＝ A＝0.5 A 为了减小误差，电流表选用量程为0.6 A的C，电压表选用量程为3.0 V的D，为了方便调节，滑动变阻器选用最大阻值较小的G。 (2)灯泡的电阻约为 R＝＝ Ω＝6 Ω 由于＝>＝ 可知电流表应采用外接法；电压需从零开始测量，则滑动变阻器应采用分压式接法，实验电路图如图所示。 (3)量程为3.0 V电压表的分度值为0.1 V，题图中电压表的读数为1.80 V；量程为0.6 A电流表的分度值为0.02 A，题图中电流表的读数为0.33 A。 [答案]　(1)C　D　G　(2)见解析图　(3)1.80　0.33 2．为描绘小灯泡的伏安特性曲线，实验室备有下列器材： A．小灯泡(额定电压6 V，额定电流600 mA) 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0～6 V，内阻约为10 kΩ) E．滑动变阻器R1(0～10 Ω，2 A) F．滑动变阻器R2(0～100 Ω，1.5 A) G．直流电源E(约6 V) H．开关、导线若干 (1)实验中电流表应选用________，滑动变阻器应选用________。(填器材前的字母代号) (2)请用笔画线代替导线，将图甲电路连接完整。 甲 乙 (3)实验电路连接正确，闭合开关，从最左端向最右端调节滑动变阻器滑片，记录电流表和电压表相应示数，根据实验数据在坐标系中描点，如图乙所示，则电路发生的故障是______________________________________。 [解析]　(1)由于小灯泡的额定电流为600 mA＝0.6 A，因此电流表选用；由于滑动变阻器采用分压式接法，为了调节方便，应选用最大阻值较小的滑动变阻器，即选用R1。 (3)闭合开关以后，调节滑动变阻器的滑片从最左端向最右端移动的过程中，由题图乙的描点可以看出，电压调节范围小且没有从零开始变化，由此可以判断电源负极与滑动变阻器左下接线柱间的电路断路，使电路变成了限流电路。 [答案]　(1)B　E　(2)如图所示　(3)电源负极和滑动变阻器左下接线柱间的电路断路 3．在伏安法测电阻的实验中，实验室备有以下器材： A．待测电阻R，阻值约为10 Ω左右 B．电压表V1：量程6 V，内阻约为2 kΩ C．电压表V2：量程15 V，内阻约为10 kΩ D．电流表A1：量程0.6 A，内阻约为0.2 Ω E．电流表A2：量程3 A，内阻约为0.02 Ω F．电源：电动势E＝12 V G．滑动变阻器R1：最大阻值为10 Ω，最大电流为2 A H．滑动变阻器R2：最大阻值为50 Ω，最大电流为0.2 A I．导线、开关若干 (1)为了较精确测量电阻阻值，除A、F、I之外，还要上述器材中选出该实验所用器材________(填器材前面的代号)； (2)在虚线框内画出该实验电路图； (3)用笔画线连接实物图(图中灯泡代替待测电阻)。 [解析]　(1)电源电动势为12 V，则电压表用量程为6 V的B即可；最大电流I＝＝ A＝1.2 A，则电流表选择量程为0.6 A的D即可；滑动变阻器用分压电路，故应该选取阻值较小的G即可。 (2)因待测电阻的阻值较小，故用电流表外接电路，滑动变阻器用分压电路，电路图如图所示。 (3)实物连线如图所示。 [答案]　(1)BDG　(2)见解析图　(3)见解析图 4．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________[选填“(a)”或“(b)”]。 (2)若选择另一个电路图进行实验，在图(c)上用实线画出实验中应得到的关系曲线的示意图。 [解析]　(1)小灯泡正常发光时的电阻R＝＝ Ω＝12 Ω，已知电压表的内阻约为6 kΩ，电流表的内阻约为1.5 Ω，小灯泡与电压表并联的阻值约为11.98 Ω，小灯泡与电流表串联的阻值约为13.5 Ω，由题图(c)可知，小灯泡正常发光时对应的电流为500 mA，对应的电阻为12 Ω，故该同学选择的电路图是(a)。 (2)若选择题图(b)进行实验，当小灯泡正常发光时，电流表示数为500 mA，而电压表示数要大于6 V，得到的示意图如图中实线所示。 [答案]　(1)(a)　(2)见解析图 5．要描绘一个标有“3 V　0.3 A”小灯泡的伏安特性曲线，要求灯泡两端的电压由零逐渐增加，且尽量减小实验误差。已选用的器材除导线、开关外，还有： 电池组(电动势为4.5 V，内阻约为1 Ω) 电流表(量程为0～0.6 A，内阻约为1 Ω) 电压表(量程为0～3 V，内阻约为3 kΩ) 滑动变阻器(最大阻值为20 Ω，额定电流为1 A) (1)实验电路应选用下列图中的________(填字母代号)。 A　　　　 　B　　　　　　C (2)按照(1)中选择的电路进行连线，如图甲所示，其中应该去掉的导线是________(选填相应的字母)。 甲　　　　　　　　　　乙 (3)闭合开关前滑动变阻器的滑片应该置于最________端(选填“左”或“右”)。 (4)以电压表的读数U为横轴，以电流表的读数I为纵轴，根据实验得到的多组数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线，如图乙所示。由图可知：随着电压的增大，小灯泡的电阻________(选填“增大”或“减小”)。 [解析]　(1)本实验要求小灯泡两端的电压从零逐渐增加，故滑动变阻器应采用分压式接法；由于灯泡内阻较小，因此应采用电流表外接法，故选择B电路。 (2)由题图可知，电压表左侧分别接了两条导线，由于本实验应采用电流表外接法，故应将导线b去掉。 (3)由题图可知，测量部分与滑动变阻器左侧并联，为了让电压从零开始调节，滑片开始时应置于最左端。 (4)I-U图像中图线上的点与坐标原点的连线的斜率表示电阻的倒数，则可知，随着电压的升高，小灯泡的电阻增大。 [答案]　(1)B　(2)b　(3)左　(4)增大 6．某同学研究小灯泡的伏安特性。所使用的器材有：小灯泡L(额定电压3.8 V，额定电流0.32 A)；电压表(量程3 V，内阻3 kΩ)；电流表(量程0.5 A，内阻0.5 Ω)；固定电阻R0(阻值1 000 Ω)；滑动变阻器R(阻值0～9.0 Ω)；电源E(电动势5 V，内阻不计)；开关S；导线若干。 (1)实验要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，在方框内画出实验电路原理图。 (2)实验测得该小灯泡伏安特性曲线如图所示。 由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻________(选填“增大”“不变”或“减小”)。 [解析]　(1)电压表量程为3 V，要求能够实现在0～3.8 V的范围内对小灯泡的电压进行测量，需要给电压表串联一个定值电阻扩大量程，题目中要求小灯泡两端电压从零开始，故滑动变阻器用分压式接法，小灯泡的电阻RL＝＝ Ω＝11.875 Ω，因＜，故电流表用外接法，实验电路原理图如图所示。 (2)由I-U图像知，随着电流的增加图像中的点与坐标原点连线的斜率在减小，则灯泡的电阻随电流的增加而增大。 [答案]　(1)见解析图　(2)增大 7．某同学用下列器材描绘额定电压为3.0 V的小灯泡的伏安特性曲线(要求电压变化从零开始)。 A．电流表(0.6 A，1 Ω) B．电压表(3 V，1 kΩ) C．滑动变阻器(10 Ω，1 A) D．电源(4 V，内阻不计) 甲　　　　　　　　　乙 丙 (1)请你在图甲的实物连接图中，把还需连接的导线补上。 (2)开关闭合前，滑动变阻器的滑片应置于________端(选填“左”或“右”)。 (3)闭合开关，移动滑动变阻器的滑片，电压表的示数逐渐增大，电流表指针却几乎不动，则电路的故障为__________________。 (4)排除故障后，某次测量时电流表的指针位置如图乙所示，其读数为________ A。 (5)小明完成实验后，由实验数据画出小灯泡的I-U图像，如图丙中实线所示，由图可确定小灯泡在电压为2.0 V时的电阻为________ Ω(保留两位有效数字)。 [解析]　(1)该实验要求电压从零调节，因此滑动变阻器应采用分压式接法，由于灯泡的电阻很小，因此电流表应采用外接法，由此可连接实物图，如图所示。 (2)开始实验之前，要使滑动变阻器的输出电压为零，根据电路图可知滑动变阻器的滑片应置于左端。 (3)电压表有示数，说明电压表的两个接线柱和电源的两极连接的电路中无断路；电流表指针几乎不动，说明电路中电阻很大，可能是断路了，故出现这种情况的可能性是小灯泡断路。 (4)本实验中电流表选择0.6 A量程，电流表的最小分度为0.02 A，故指针的示数为0.25 A。 (5)根据灯泡的I-U图像可知，当灯泡的电压为2.0 V时，灯泡的电流约为0.185 A，因此此时灯泡的电阻R＝＝ Ω≈11 Ω。 [答案]　(1)见解析图　(2)左　(3)小灯泡断路 (4)0.25　(5)11 回归本节知识，自我完成以下问题： 1．本实验中电流表采用外接法还是内接法？根据是什么？ 提示：采用电流表外接法。原因：小灯泡电阻较小。 2．描绘出的小灯泡灯丝的伏安特性曲线是曲线而不是直线说明了什么？ 提示：说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大。 3．本实验采用了什么科学方法来减小误差？ 提示：分压式外接法、图像法。 14 / 14 学科网（北京）股份有限公司 $