第2章 第5节 实验：描绘I－U特性曲线-【优学精讲】2024-2025学年高中物理必修第三册教用课件(教科版)

第5节　实验：描绘I－U特性曲线 课前 知识梳理 1 典例 分类讲解 2 内容 索引 随堂 巩固落实 3 课前 知识梳理 PART 01 第一部分 3 一、实验目的 测绘小灯泡的伏安特性曲线，并分析其变化规律。 二、实验原理 1．I－U特性曲线：测量多组某电学元件两端的电压U及通过它的电流I的值，把这些数值记录在以U为横轴、以I为纵轴的坐标系上，并把这些数据点连成一条线，即该元件的I－U 特性曲线。 2．用电压表测出小灯泡两端的电压，用电流表测出通过小灯泡的电流，在I－U坐标系中描出各组实验数据对应的点，用平滑的曲线连接起来就得到小灯泡的伏安特性曲线。 课前 知识梳理 返回导航 三、实验器材 电源、小灯泡、电压表、电流表、滑动变阻器、开关、导线、坐标纸、铅笔。 课前 知识梳理 返回导航 四、实验步骤 1．确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分压式按如图甲、乙所示的电路原理图连接好实验电路。 实验原理图 课前 知识梳理 返回导航 2．把滑动变阻器的滑片调节到a端，电路经检查无误后，闭合开关S。 3．改变滑动变阻器滑片的位置，读出几组相应的电流表、电压表的示数I和U，记入记录表格内，断开开关S。 U/V             I/A             4.拆除实验电路，整理好实验器材。 课前 知识梳理 返回导航 五、数据处理 1．以I为纵坐标，U为横坐标建立坐标系。 2．选取适当的分度，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，得到小灯泡的伏安特性曲线。 课前 知识梳理 返回导航 六、误差分析 1．由于电压表不是理想电表，内阻对电路的影响会带来误差，电流表外接，则电流表示数偏大。 2．测量时，读数带来误差。 3．在坐标纸上描点、作图带来误差。 课前 知识梳理 返回导航 七、注意事项 1．开关闭合前，滑动变阻器的滑片应滑到使灯泡两端电压为零的位置，如实验原理图乙中a端。 2．在增大电压的过程中，要确保不超过小灯泡的额定电压。 3．在选择电表的量程时，掌握以下原则： 课前 知识梳理 返回导航 4．测绘I－U(U－I)图线时要注意三点：一是标度选取合理。即作出的图像既可以把表中所给出的所有点都标注上，同时又要使图像分布在中央位置上；二是用“·”或“×”标注点；三是用平滑曲线拟合连接各点，误差较大的点可以舍弃。 课前 知识梳理 返回导航 典例 分类讲解 PART 02 第二部分 12 题型一　导体的伏安特性曲线   研究导体中的电流与导体两端的电压之间的关系，可以用公式法，可以用列表法，还可以用图像法。 根据下面两个图像分析讨论： 典例 分类讲解 返回导航 (1)图甲是某元件的伏安特性曲线图，图线斜率的物理意义是什么？该元件是线性元件还是非线性元件？ (2)如果某元件的伏安特性曲线如图乙所示，该元件的电阻在图像中如何反映？该元件是线性元件还是非线性元件？ 提示：(1)图线的斜率表示导体电阻的倒数，该元件为线性元件。 (2)图线上一点与原点连线的斜率的倒数表示电阻，该元件为非线性元件。　 典例 分类讲解 返回导航 1．由I－U图像可以获取的信息 (1)坐标轴的意义：I－U图像中，横坐标表示电压U、纵坐标表示电流I。 (2)图线斜率的意义：I－U图像中，斜率表示电阻的倒数，在图中R2<R1。 典例 分类讲解 返回导航 图像 U－I图像 I－U图像 举例     坐标轴 含义 纵坐标表示电压U 横坐标表示电流I 纵坐标表示电流I 横坐标表示电压U 图线斜率 含义 斜率表示电阻，图中R1<R2 斜率表示电阻的倒数，图中R1>R2 2．线性元件的U－I图像与I－U图像 典例 分类讲解 返回导航 √ 角度1　线性元件的U－I图像 　　　(2024·广东汕头联考)两个电阻的U－I图像如图所示，则R1、R2的电阻比是(　　)  A．3∶1　　　　　　 B．6∶1 C．1∶2 D．1∶4 典例 分类讲解 返回导航 √ 典例 分类讲解 返回导航 √ 角度3　非线性元件的I－U图像 　　　(2024·河南焦作十一中校考)如图所示，横轴和纵轴分别表示某一小灯泡两端的电压U和流过小灯泡的电流I。图线上点A的坐标为(U1，I1)，过点A的切线与纵轴交点的纵坐标为I2。则小灯泡两端电压为U1时，其电阻等于(　　) 典例 分类讲解 返回导航 典例 分类讲解 返回导航 题型二　测小灯泡的伏安特性曲线 　　　在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，实验室提供了小灯泡(2.5 V　0.5 A)、电流表、电压表以及滑动变阻器等实验器材： 典例 分类讲解 返回导航 (1)在小灯泡接入电路前，使用多用电表直接测量小灯泡的电阻，则应将选择开关旋至哪个挡进行测量？(　　) A．直流电压10 V　　 B．直流电流5 mA C．电阻×100 D．电阻×1 D 典例 分类讲解 返回导航 (2)图甲为实验中某同学连接好的实验电路，在开关S闭合后，把滑片P从A向B端移动过程中会观察到电压表读数变_______(选填“大”或“小”)。 [解析]　由题图甲所示电路可知，在开关S闭合之前，应把滑动变阻器的滑片P移到A端；实验中滑片P从A向B端移动过程中会观察到电压表读数变大。 大 典例 分类讲解 返回导航 (3)某同学由测出的数据画出I－U图像，如图乙所示，当小灯泡两端电压为1.6 V时，小灯泡的电阻值R＝________Ω，此时小灯泡的实际功率P＝________W。 4 0.64 典例 分类讲解 返回导航 典例 分类讲解 返回导航 　　　某同学在探究规格为“6 V　3 W”的小灯泡I－U特性曲线的实验中采用图甲所示的电路进行测量。图中R为滑动变阻器(阻值范围0～20 Ω，额定电流1.0 A)，L为待测小灯泡，为电压表(量程0～6 V，内阻20 kΩ)，为电流表(量程0～0.6 A，内阻1 Ω)，E为电源(两极间电压8 V)，S为开关。 (1)在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于________(选填“左”或“右”)端。 [解析]　由题图甲可知，开关闭合前滑片P 应置于左端，使灯泡两端的电压最小。 左 典例 分类讲解 返回导航 (2)在实验过程中，已知各元器件均无故障，但闭合开关S后，无论如何调节滑片P，电压表和电流表的示数总是调不到零，其原因可能是哪一条导线没有连接好？(图甲中的小圆点表示接线点，并用数字标记，请用图甲中的数字说明存在断路的导线，如“2点至3点的导线”)_________________。 1点至5点的导线 典例 分类讲解 返回导航 [解析]　当1点到5点的导线断路时，小灯泡和滑动变阻器串联，电压表和电流表的示数都不为零。 典例 分类讲解 返回导航 (3)排除故障后进行实验，该同学描绘出的小灯泡的I－U特性曲线如图乙所示，则可以看出小灯泡的阻值随着两端电压的增大而怎样变化？原因是什么？ ________________________。 增大 原因见解析 典例 分类讲解 返回导航 典例 分类讲解 返回导航 题型三　测二极管的伏安特性曲线 　　　二极管具有单向导电性，小明同学在实验室找到了一个旧的二极管，如图甲所示，他想通过实验来描绘该二极管正向导电时的伏安特性曲线。 典例 分类讲解 返回导航 (1)由于二极管极性未知，小明先用多用电表来判断二极管的极性。他将多用电表置于欧姆挡“×100”挡，进行欧姆调零之后，将红表笔接B端，黑表笔接A端，多用表读数如图乙中a所示；然后将红表笔接A端，黑表笔接B端，多用表读数如图乙中b所示；则图甲中________(选填“A”或“B”)端为该二极管的正极。 [解析]　从题图乙中的b可知，二极管的电阻非常小，即测量的为正向电阻，再结合“红进黑出”，即B端和欧姆表内部电源正极相连，所以B端为该二极管的正极。 B 典例 分类讲解 返回导航 (2)小明同学利用以下器材来描绘该二极管的伏安特性曲线。 A．一节干电池(电源电压1.5 V) B．滑动变阻器R1(0～20 Ω) C．滑动变阻器R2(0～2 000 Ω) D．电压表V(量程0～1.5 V、内阻约2 kΩ) E．电流表A(量程0～50 mA、内阻约5 Ω) F．待测二极管D G．导线、开关 为了提高测量精度，滑动变阻器应选用________(填序号字母)。 B 典例 分类讲解 返回导航 [解析]　二极管的正向电阻非常小，为了实验过程中便于操作，故应选择和其阻值相差不大的滑动变阻器，否则滑动变阻器过大，实验过程中电流变化不明显，故选滑动变阻器R1。 典例 分类讲解 返回导航 (3)请用笔代替导线，将实物图丙补充完整。 见解析图 [解析] 实验过程中电压需要从0开始，故采用滑动变阻器的分压接法，电路实物图如图所示。 典例 分类讲解 返回导航 (4)实验描绘出了该二极管正向导电的伏安特性曲线，其示意图如图丁所示，请描述该二极管正向导电的伏安特性：____________________________。 [答案]　当电压小于U0时，二极管正向电阻很大，电流为0；当电压大于U0时，二极管正向导通，电阻随电压的增加急剧减小 典例 分类讲解 返回导航 [解析]　由题图丁可知当电压小于U0时，电流为0，二极管正向电阻很大；当电压大于U0时，二极管正向导通，电流急剧增大，电阻随电压的增加急剧减小。 典例 分类讲解 返回导航 随堂 巩固落实 PART 03 第三部分 38 √ 1．某同学测得某白炽灯的伏安特性曲线如图所示。图像上A点与原点的连线与横轴成α角，A点的切线与横轴成β角，则(　　) A．白炽灯的电阻随电压的增大而减小 B．在A点，白炽灯的电阻可表示为tan β C．在A点，白炽灯的电功率可表示为U0I0 随堂 巩固落实 返回导航 解析：由图示可知，随电压增大，通过灯泡的电流增大，且电压和电流的比值增大，故灯泡的电阻变大，故A错误； 在A点，白炽灯的电功率可表示为P＝U0I0，故C正确。 随堂 巩固落实 返回导航 √ 2．在“测绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，用电压表和电流表测出多组(U，I)值，在I－U坐标系中描出各对应点，如图所示。以下是四位同学作出的小灯泡伏安特性曲线，其中最合理的是(　　) 随堂 巩固落实 返回导航 解析：根据描点法的基本要求，舍去误差较大的点后用平滑的曲线连接各点即可，不能是直线，也不能出现明显的折线，故A正确，B、C、D错误。 随堂 巩固落实 返回导航 3．某晶体二极管的伏安特性曲线如图所示，下列说法正确的是(　　)   A．加正向电压时，二极管的电阻较小，且 随着电压的增大而增大 B．加反向电压时，二极管的电阻较大，无 论加多大电压，电流都很小 C．无论是加正向电压还是加反向电压，电压 和电流都不成正比，所以二极管是非线性元件 D．二极管加正向电压时，电流随电压变化是一条直线 √ 随堂 巩固落实 返回导航 解析：由题图可知，二极管加正向电压导通后电流较大，电阻较小，且随电压的增大，图线与原点连线的斜率在增大，故电阻在减小。加反向电压时开始电流很小，但当反向电压很大时，二极管被击穿，电流剧增，故C正确。 随堂 巩固落实 返回导航 $