第二章 第5节 实验：描绘I⁃U特性曲线（Word练习）-【新课程学案】2025-2026学年高中物理必修第三册（教科版）

第5节　实验：描绘I⁃U特性曲线 ◉实验目的 1.描绘小灯泡的I⁃U特性曲线。 2.学习设计测量电路与控制电路。 　　◉实验原理与设计 1.原理：测量多组U、I值，绘制I⁃U图像，由图像反映电流与电压的关系。 2.电路图与实物图 　　◉实验器材 小灯泡、滑动变阻器、电压表、电流表、学生电源、开关、导线。 　　◉实验步骤 1.连线路：按电路原理图连接电路，注意电压表、电流表量程合适，闭合开关前检查滑动变阻器滑片位置正确。 2.测量与记录：接通电路，调节滑动变阻器滑片，逐渐增大小灯泡两端的电压，测量并记录对应的电压、电流，测量并记录多组U、I值。 3.作I⁃U图像：描点准确，用平滑曲线连接。 ◉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，得到小灯泡的伏安特性曲线。 　　◉误差分析 1.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，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。 　　◉注意事项 1.电流表应采用外接法：本实验中被测小灯泡灯丝的电阻值较小，因此测量电路必须采用电流表外接法。 2.滑动变阻器应采用分压式连接：本实验要作出I⁃U图像，要求测出一组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压接法。 3.保护元件安全：为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应置于使小灯泡分得的电压为零的位置。测量时加在小灯泡两端的电压不要超过其额定电压。 　　实验原理与操作 　　[典例]　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(保留三位有效数字)。  听课记录： 　数据处理与误差分析 　　[典例]　某学习小组欲描绘小灯泡(3 V，1.5 W)的U⁃I图线，可选用的实验器材如下： A.电池组：电动势约为4.5 V，内阻可不计； B.双量程的电压表： V1：量程3 V，内阻约为3 kΩ； V2：量程15 V，内阻约为15 kΩ； C.双量程的电流表： A1：量程0.6 A，内阻约为1 Ω； A2：量程3 A，内阻约为0.1 Ω； D.滑动变阻器R：阻值范围0~10 Ω，允许通过的最大电流为2 A； E.开关S，导线若干。 在尽量提高测量精度的情况下，请回答下列问题： (1)根据以上器材，用笔画线代替导线将实物图1连接成完整电路。 (2)闭合开关前，滑动变阻器的滑片应移到　　　　(选填“A”或“B”)端。  (3)调节滑动变阻器得到电压、电流数据如表所示，请在图2所示的坐标纸上画出小灯泡的U⁃I图线。 组数 1 2 3 4 5 6 7 U/V 0 0.28 0.58 0.92 1.50 2.00 3.00 I/A 0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.45 0.49 　　(4)根据U⁃I图线可得小灯泡在常温下的电阻约为　　　Ω(结果保留两位有效数字)。  听课记录： 微点拨 　　(1)描绘小灯泡的伏安特性曲线时，为了获得完整的特性曲线，滑动变阻器要采用分压式连接方式。 (2)在U⁃I坐标系中描出各对应坐标点后，要用平滑的曲线连接各点。 (3)常温下小灯泡的电阻值应对应I=0位置U⁃I图线的切线的斜率。 创新角度和创新思维 1.[实验器材的创新]某同学描绘一种电子元件的I⁃U关系图像，采用的实验电路图如图1所示，Ⓥ 为电压表， 为电流表，E为电源电动势约6 V)，R为滑动变阻器(最大阻值20 Ω)，R(0为定值电阻，S为开关。 (1)请用笔画线代替导线，将图2所示的实物电路连接完整。 (2)调节滑动变阻器，记录电压表和电流表的示数如下表： 电压 U/V 0.000 0.250 0.500 0.650 0.700 0.725 0.750 电流 I/mA 0.00 0.10 0.25 0.60 1.70 4.30 7.50 请根据表中的数据，在方格纸上作出该元件的I⁃U图线。 (3)根据作出的I⁃U图线可知，该元件是　　　　(选填“线性”或“非线性”)元件。  (4)在上述测量中，如果用导线代替电路中的定值电阻R0，会导致的两个后果是　　　　。  A.电压和电流的测量误差增大 B.可能因电流过大烧坏待测元件 C.滑动变阻器允许的调节范围变小 D.待测元件两端电压的可调节范围变小 2.[实验原理的创新]一同学探究阻值约为550 Ω的待测电阻Rx在0~5 mA 范围内的伏安特性。可用器材有：电压表V(量程为3 V，内阻很大)，电流表A(量程为1 mA，内阻为300 Ω)，电源E(电动势约为4 V，内阻不计)，滑动变阻器R(最大阻值可选10 Ω或1.5 kΩ)，定值电阻R0(阻值可选75 Ω或150 Ω)，开关S，导线若干。 (1)要求通过Rx的电流可在0~5 mA范围内连续可调，将图(a)所示的器材符号连线，画出实验电路的原理图； (2)实验时，图(a)中的R应选最大阻值为　　　　(填“10 Ω”或“1.5 kΩ”)的滑动变阻器，R0应选阻值为　　　　　(填“75 Ω”或“150 Ω”)的定值电阻；  (3)测量多组数据可得Rx的伏安特性曲线。若在某次测量中，电压表、电流表的示数分别如图(b)和图(c)所示，则此时Rx两端的电压为　　　　V，流过Rx的电流为　　　mA，此组数据得到的Rx的阻值为　　　　　Ω(保留3位有效数字)。  1.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，在图(c)上用实线画出实验中应得到的I⁃U关系曲线的示意图。 2.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9 999.9 Ω) 电源E(电动势6 V，内阻不计) 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U⁃I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1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 76.0 110.0 128.0 152.0 184.0 216.0 250.0 I/mA 140.0 160.0 180.0 200.0 220.0 240.0 260.0 280.0 300.0 (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”)。  (6)该同学观测到小灯泡刚开始发光时流过电流表的电流为160 mA，可得此时小灯泡电功率P1=　　　　W(保留2位有效数字)；当流过电流表的电流为300 mA时，小灯泡的电功率为P2，则=　　　(保留至整数)。  3.(2024·浙江6月选考)在测绘发光二极管在导通状态下的伏安特性曲线实验中： (1)用多用电表电阻挡判断发光二极管的正负极，选用×100挡时，变换表笔与二极管两极的连接方式，发现电表指针均不偏转。选用　　　　(选填“×10”或“×1 k”)挡重新测试，指针仍不偏转，更换二极管极性后，发现指针偏转，此时与多用电表红色表笔相连的是二极管　　　　(选填“正极”或“负极”)。  (2)图(A)是已完成部分连线的实物图，为实现电压可从零开始调节，并完成实验，P应连接　　　　　　接线柱(选填“a”“b”“c”或“d”)，Q应连接　　　　　　接线柱(选填“a”“b”“c”或“d”)。某次选用多用电表量程为50 mA 挡测量，指针如图(B)所示，则电流I=　　　　mA。  (3)根据测得数据，绘出伏安特性曲线如图(C)所示，说明该二极管是　　　　元件(选填“线性”或“非线性”)，正常发光时电压在　　　　V范围。  4.一组LED由三个相同的LED灯珠和一个定值电阻R0串联而成(图甲中虚线框内部分)，供电电压为12 V，由理论分析可知，每个小灯珠的工作电压应在3 V~4 V之间。为研究 LED灯珠的伏安特性并测量R0的值，小亮同学设计了图甲的电路进行实验。图甲中电源电压恒为12 V，电压表的量程为2 V、内阻为4.0 kΩ；电流表量程为30 mA、内阻很小可忽略。完成下列操作中的要求或填空： (1)为使电路能正常工作，a端应接电源的　　　　(选填“正极”或“负极”)。  (2)为完成实验并准确测量，定值电阻Rx应该选择的是　　　　。  A.1.0 kΩ B.4.0 kΩ C.8.0 kΩ D.20.0 kΩ (3)正确选择Rx后接通电源，将R的滑片从M端向N端滑动，记录多组电压表的示数U和电流表的示数I，并在图乙中绘出了灯珠D的U⁃I图线。其中，当R的滑片移动到N端时，电压表的示数为 1.80 V、电流表的示数为25.0 mA。不考虑电压表和电流表对电路的影响，则R0的值为　　　　Ω。  (4)灯珠D在通过某一电流时的实际功率　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)由图乙得到的测量值。  (5)若将这一组LED灯珠直接接到电动势为12 V、内电阻为152.0 Ω的叠层电池两端，一组LED中三个灯珠的总功率为　　　mW。(计算结果保留2位有效数字)  9 / 9 学科网（北京）股份有限公司 第5节　实验:描绘I⁃U特性曲线 把握常见的命题视角 命题视角(一) 　 [典例]　解析:(1)电流表负极与滑动变阻器的上接线柱连接,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 根据闭合电路的欧姆定律I=可知,小灯泡的电阻为 R== Ω≈27.0 Ω。 答案:(1)见解析图　(2)C　(3)27.0 命题视角(二) 　 [典例]　解析:(1)本实验应采用滑动变阻器分压接法以获得多组数据,同时由于小灯泡内阻较小,应采用电流表外接法以减小误差,故连线如图甲所示。 (2)由图甲可知测量电路与滑动变阻器的左侧并联,为了让小灯泡两端的电压值从零开始调节,开始时滑片应移到A端。 (3)根据描点法可得出对应的U⁃I图线如图乙所示。 (4)在U⁃I图线过原点时小灯泡最接近常温,在图乙中作出U⁃I 图线过原点的切线,如图丙所示。小灯泡在常温下的电阻即U⁃I图线过原点的切线的斜率,故R= Ω=2.0 Ω。 答案:(1)见解析图甲　(2)A　(3)见解析图乙 (4)2.0(1.8~2.2均可) 命题视角(三) 　 1.解析:(1)根据电路原理图,按着电流的方向进行实物电路图的连线,如图甲所示。 (2)由表格中的数据按着标度描出对应的各点,然后用平滑的曲线连接,使尽可能多的点位于曲线上,如图乙所示。 (3)根据作出的I⁃U图线可知,该元件为非线性元件。 (4)根据电路的原理图可知,若用导线代替电路中的定值电阻R0,待测元件两端电压的可调节范围变大,在调节滑动变阻器滑片时所允许的调节范围会变小,此时若调节滑动变阻器滑片,稍有不慎就会使通过待测元件的电流过大,烧坏待测元件或电流表,B、C正确,D错误;电压测量值与待测元件两端电压一致,即测量误差不变,A错误。 答案:(1)见解析图甲　(2)见解析图乙　(3)非线性　(4)BC 2.解析:(1)电流表内阻已知,电流表与R0并联扩大电流表量程,进而准确测量通过Rx的电流,电压表单独测量Rx的电压;滑动变阻器采用分压式接法,电表从0开始测量,满足题中通过Rx的电流从0~5 mA连续可调,电路图如图所示。 (2)电路中R应选最大阻值为10 Ω的滑动变阻器,方便电路的调节,测量效率高、实验误差小;通过Rx的电流最大为5 mA,需要将电流表量程扩大为原来的5倍,根据并联分流,即并联电路中电流之比等于电阻的反比,可知=,解得R0=75 Ω。 (3)电压表读数为U=2.30 V;电流表读数为0.84 mA,电流表量程扩大5倍,所以通过Rx的电流为I=0.84 mA×5=4.20 mA;根据欧姆定律可知Rx== Ω≈548 Ω。 答案:(1)见解析图　(2)10 Ω　75 Ω　(3)2.30 4.20　548 科学有效的训练设计 1.解析:(1)灯泡正常工作时的电阻RL== Ω=12 Ω,由题图(c)可知,当U=6 V时,I=0.5 A,此时电阻R==12 Ω=RL。因RV≈6 kΩ≫RL,RA≈1.5 Ω,由电阻关系可知,该同学选择的电路图是图(a)。 (2)若选用另一个电路图即图(b)实验,会有U=U灯+IRA,则分别代入电流I=200 mA、I=400 mA、I=500 mA,可得对应的电压应为1.3 V、3.8 V、6.75 V,描点连线得到的I⁃U关系曲线如图所示。 答案:(1)a　(2)见解析图 2.解析:(1)因为小灯泡额定电压为2.5 V,电源的电动势为6 V,则移动滑动变阻器时,为了保证电路安全,需要定值电阻分担的电压最大为U=6 V-2.5 V=3.5 V 则有R0= Ω≈11.7 Ω 则为了描绘小灯泡在0~300 mA的伏安特性曲线,R0应选取阻值为10 Ω的定值电阻; (2)为了保护电路,滑动变阻器的滑片应置于变阻器的a端; (3)由题图可知当流过电流表的电流为10 mA时,电压为7 mV,则小灯泡的电阻为R= Ω=0.7 Ω; (4)由题知电压表满量程时对应于小灯泡两端的电压为3 V时,有=,解得R2=2 700.0 Ω; (5)由题图(b)和表格可知流过小灯泡电流增加,图像中变大,则灯丝的电阻增大; (6)根据表格可知当电流为160 mA时,电压表的示数为46 mV,根据(4)的分析可知此时小灯泡两端电压为0.46 V,则此时小灯泡电功率P1=0.46×0.16 W≈0.074 W; 同理可知当流过电流表的电流为300 mA时,小灯泡两端电压为2.5 V,此时小灯泡电功率P2=2.5×0.3 W=0.75 W 故有=≈10。 答案:(1)10　(2)a　(3)0.7　(4)2 700.0　(5)增大　 (6)0.074　10 3.解析:(1)指针未偏转,说明电阻过大,应换用×1 k挡继续实验;根据“红进黑出”原则及二极管单向导电性可知,与红色表笔相连的是二极管负极。 (2)为实现电压可从零开始调节,滑动变阻器应采用分压式接法,P应连接a接线柱;电源使用的是两节干电池,电动势约为3 V,电压表应选取0~3 V量程,故Q接d接线柱。 多用电表量程为50 mA,分度值为1 mA,需要估读到0.1 mA,故电表的读数为40 mA+5.0×1 mA=45.0 mA。 (3)根据题图(C)可知,I随U非线性变化,故说明该二极管是非线性元件,根据题图(C)可知,正常发光时即有电流通过时电压在1.9~2.5 V范围。 答案:(1)×1 k　负极　(2)a　d　45.0　(3)非线性　1.9~2.5 4.解析:(1)灯珠正常发光要加正向电压,由题图甲可知,使电路能正常工作,a端应接电源的负极。 (2)由题图甲可知,三个灯珠串联,电源电压为12 V,每个灯珠两端最大电压约为4 V,改装后的电压表量程应为4 V,因此串联电阻内阻应与电压表内阻相等,故选B。 (3)电压表示数为1.8 V,则小灯珠两端电压为1.8×2 V=3.6 V,由题图甲可知,定值电阻阻值R0== Ω=48 Ω。 (4)由题图甲可知,由于电压表的分流作用,流过灯珠的电流小于电流表示数,即电流测量值偏大,由P=UI可知,灯珠的实际功率小于测量值。 (5)建立三个灯珠串联和电源构成的电路,设电压表示数为U,则每个灯珠两端的电压为2U,设流过灯珠的电流为I,则由闭合电路的欧姆定律得:E=U×2×3+IR0+Ir,即U=-I=2-I,在灯珠U⁃I坐标系内过(0 mA,2 V)和(30 mA,1 V)两个点作出U⁃I图像,如图所示, 由图示图线可知,对于一个LED灯珠:U=1.52 V, 电流I=14.0 mA; 而LED灯组的总功率为P总=UI×2×3+I2R0; 代入数据得P总=1.52×6×14.0×10-3 W+(14.0×10-3)2×48 W≈137.09×10-3 W≈1.4×102 mW。 答案:(1)负极　(2)B　(3)48　(4)小于　 (5)1.4×102(1.2×102~1.4×102均可) $