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描绘小灯泡伏安特性曲线


物理 人教版

基础回放·要点整合
基本实验要求
1. 实验原理
(1) 测多组小灯泡的U、I,并绘出I-U图象; (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
小灯泡“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、
图甲

开关、导线若干、坐标纸、铅笔.

3. 实验步骤
(1) 画出电路图(如图甲).
(2) 将小灯泡、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电路.
图乙

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(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, 就得到小灯泡的伏安特性曲线

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. 1 ④电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的 以上. 3 ⑤从便于操作来考虑,限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器,分压式接法要选用小 阻值滑动变阻器.

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规律方法总结
1. 滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比较
两种接法的电 路图 负载 R 上电压的 调节范围 负载 R 上电流的 调节范围

2. 两种接法的适用条件
(1)限流式接法适合测量阻值 较小的电阻(跟滑动变阻器的 总电阻相比相差不多或比滑 动变阻器的总电阻还小). (2)分压式接法适合测量阻值 较大的电阻(一般比滑动变阻 器的总电阻要大).

RE ≤U≤E R +R 0 E E ≤I≤ R R +R 0

0≤U≤E E 0≤I≤ R

3. 注意事项
(1)电流表外接法: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接法:本实验要作出U-I图象,要求测出多组包括零在 内的电流、电压值,故控制电路必须采用分压式接法.

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(3)保护元件安全:为保护元件不被烧毁,开关闭合前滑动变

阻器的滑片应位于最大电阻处,加在小灯泡两端的电压不要
超过其额定电压. 4.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.

课堂探究·考点突破
考点一 对实验原理和电路设计的考查
【 例 1】 (2012· 四川理综· 22(2))某学习小 组的同学拟探究小灯泡 L 的伏安特性曲 线,可供选用的器材如下: 小灯泡 L,规格“4.0 V 0.7 A”; 电流表 A1,量程 3 A,内阻约为 0.1 Ω; 电流表 A2,量程 0.6 A,内阻 r2=0.2 Ω; 电压表 V,量程 3 V,内阻 rV=9 kΩ; 标准电阻 R1,阻值 1 Ω; 标准电阻 R2,阻值 3 kΩ; 滑动变阻器 R,阻值范围 0~10 Ω; 学生电源 E,电动势 6 V,内阻不计; 开关 S 及导线若干.
乙 图1 甲 2.3V ① 甲同学设计了如图1甲所示的电路 来进行测量,当通过L的电流为0.46 A 时,电压表的示数如图乙所示,此时L 5 的电阻为________Ω.
U 2.30 RL= = Ω=5 Ω. I 0.46

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②乙同学又设计了如图2所示的电路来

【 例 1】

(2012· 四川理综· 22(2))某学习小

进行测量,电压表指针指在最大刻度

组的同学拟探究小灯泡 L 的伏安特性曲 线,可供选用的器材如下: 小灯泡 L,规格“4.0 V 0.7 A”; 电流表 A1,量程 3 A,内阻约为 0.1 Ω; 电流表 A2,量程 0.6 A,内阻 r2=0.2 Ω; 电压表 V,量程 3 V,内阻 rV=9 kΩ; 标准电阻 R1,阻值 1 Ω; 标准电阻 R2,阻值 3 kΩ; 滑动变阻器 R,阻值范围 0~10 Ω; 学生电源 E,电动势 6 V,内阻不计; 开关 S 及导线若干.

4 时,加在L上的电压值是________ V.

图2
②由题图知电压表 V 与 R2 串联,根据串 联分压,当电压表 V 的示数为 3 V 时,R2 UV 3 两端的电压 U2= R2= ×3 000 V= rV 9 000 1 V,所以灯泡两端的电压 U′=UV+U2 =(3+1) V=4 V.

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③学习小组认为要想更准确地描绘
【 例 1】 (2012· 四川理综· 22(2))某学习小

出L完整的伏安特性曲线,需要重 新设计电路.请你在乙同学的基础 上利用所供器材,在图3所示的虚 线框内补画出实验电路图,并在图 上标明所选器材代号.

组的同学拟探究小灯泡 L 的伏安特性曲 线,可供选用的器材如下: 小灯泡 L,规格“4.0 V 0.7 A”; 电流表 A1,量程 3 A,内阻约为 0.1 Ω; 电流表 A2,量程 0.6 A,内阻 r2=0.2 Ω; 电压表 V,量程 3 V,内阻 rV=9 kΩ; 标准电阻 R1,阻值 1 Ω; 标准电阻 R2,阻值 3 kΩ; 滑动变阻器 R,阻值范围 0~10 Ω; 学生电源 E,电动势 6 V,内阻不计; 开关 S 及导线若干.

图3

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考点二 对仪器选取、图象描绘及数据处理的考查
(1)在下面所给的虚线框中画出 他们进行实验的电路原理图, 指出上述器材中,电流表选择 A2 ________( 填“A1”或“A2”); R1 滑动变阻器选择________( 填 “R1”或“R2”).

【例 2】 物理兴趣小组的同学们从实验室中找到一 只小灯泡,其标称功率值为 0.75 W,额定电压值 已模糊不清.他们想测定其额定电压值,于是先用 欧姆表直接测出该灯泡的电阻约为 2 Ω,然后根据 公 式 计 算 出 该 灯 泡 的 额 定 电 压 U = PR = 2×0.75 V= 1.22 V.他们怀疑所得电压值不准 确,于是,再利用下面可供选择的实验器材设计一 个电路, 测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根 据测量数据来绘灯泡的 U-I 图线,进而分析灯泡 的额定电压. A.电压表 V(量程 3 V,内阻约 3 kΩ) B.电流表 A1(量程 150 mA,内阻约 2 Ω) C.电流表 A2(量程 500 mA,内阻约 0.6 Ω) D.滑动变阻器 R1(0~20 Ω) E.滑动变阻器 R2(0~100 Ω) F.电源 E(电动势 4.0 V,内阻不计) G.开关 S 和导线若干 H.待测灯泡 L(额定功率 0.75 W,额定电压未知)

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(2)在实验过程中,该同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加,当电压达到1.23 V时, 发现灯泡亮度很暗,当达到2.70 V时,发现灯泡已过亮,便立即断开开关,并将所测 数据记录在下边表格中.
次数 U/V I/mA 1 0.20 80 2 0.60 155 3 1.00 195 4 1.40 227 5 1.80 255 6 2.20 279 7 2.70 310

请你根据实验数据在图4中作出灯泡的U-I图线.

(3)由图象得出该灯泡的额定电压应为 2.5 ________V ;这一结果大于1.23 V,其 原因是 灯泡冷态电阻小于正常工作时的 电阻(或灯泡电阻随温度升高而 变大)

图4

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39.电学实验电路设计的思路与方法
1. 首先应明确题目的要求,看清题目要求测定什么物理量,验证、探究什么物理 规律,或要求设计达到何种标准的电路等.其设计原则是:安全、方便、经济.
2.在测量电路中,一般有电流表内接和外接两种方式,对于给定电表内阻的情况,应 先比较 R0 与待测电阻 Rx 的关系,其中 R0= RARV,若 Rx>R0,则设计为内接;若 Rx<R0,则设计为外接;若电表量程不合适,往往还要用定值电阻对电表进行改装.

3.在控制电
路中,滑 动变阻器 有分压式、 限流式两 种接法

若变阻器阻值较小,一般设计为分压式 若变阻器阻值较大,一般设计为限流式

在二者都可行时, 应先考虑限流方式

(1)数据要求从0开始变化; 下面三种情形必须设 计为分压式接法: (2)变阻器阻值太小,限流限不住 (3)调节变阻器时,不能获取有区分度的

多组数据

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【例3】某课外研究小组为了制作一种传感器,需要选用一电器元件,图5甲 为该电器元件的伏安特性曲线,有同学对其提出质疑,先需进一步验证

该伏安特性曲线,实验室备有下列器材:
器材(代号) 电流表(A1) 电流表(A2) 电压表(V1) 电压表(V2) 滑动变阻器(R1) 滑动变阻器(R2) 直流电源(E) 规 格

量程0-50 mA,内阻约为50Ω 量程0-200 mA,内阻约为10Ω 量程0-3 V,内阻约为10 kΩ 量程0-15 V,内阻约为25 kΩ 阻值范围0-15Ω,允许最大电流1 A 阻值范围0-1 kΩ,允许最大电流100 mA 输出电压6 V ,内阻不计

开关(S)
导线若干

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(1)为了提高实验结果的准确程度, A2 电流表应选用 ;电压表应 V1 选用 ;滑动变阻器应选 R1 用 .(以上均填器材代号)
(2)为了达到上述目的,请在乙图中画 出正确的实验电路原理图,并标明所 用器材的代号 ③看图象,估电阻,大约是几十欧,远小于 RV,确定电路表外接法,同时由电压U是连 点击可查看实 续变化的,变阻器一定连成分压式 验器材 器材(代号) 规 格 电流表(A1) 电流表(A2) 电压表(V1) 量程0-50 mA,内阻约为50Ω 量程0-200 mA,内阻约为10Ω 量程0-3 V,内阻约为10 kΩ ①看图像,确定 和 的大致量程

②结合图象,确定电路要连成分压式, 确定滑动变阻器用较小的阻值的

电压表(V2)

量程0-15 V,内阻约为25 kΩ

滑动变阻器(R1) 阻值范围0-15Ω,允许最大电流1 A 滑动变阻器(R2)阻值范围0-1 kΩ,允许最大电流100 mA 直流电源(E) 开关(S) 导线若干 图5


输出电压6 V ,内阻不计

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(3)若发现实验测得的伏安特性曲线
与图中的曲线基本吻合,则该元件的 电阻阻值随电压的增大而 减小 ,

④图线与原点连线的斜率为电阻的倒数

⑤找到U=2.0 V时对应的I值,由P=UI 求电功率

(选填“增大”、“减小或“”不 变”),当 该电器元件两端电压U=20 V时原件消耗 0.12 的电功率为 W.

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1. (2012· 安徽理综· 21Ⅱ)图 6 为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图, 已知小 灯泡额定电压为 2.5 V. (1)完成下列实验步骤: ①闭合开关前,调节滑动变阻器的滑片,__________________________________; ②闭合开关后,逐渐移动滑动变阻器的滑片,_____________________________ _____________________________________________________; ③断开开关,??根据实验数据作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线.

(2)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图

图6

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1. (2012· 安徽理综· 21Ⅱ)图 6 为“测绘小灯泡伏安特性曲线”实验的实物电路图, 已知小 灯泡额定电压为 2.5 V. (1)完成下列实验步骤:

使它靠近滑动变阻器左端的接线柱 ; ①闭合开关前,调节滑动变阻器的滑片,__________________________________
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,直至电压达到其额定电压 ; _____________________________________________________
③断开开关,??根据实验数据作出小灯泡灯丝的伏安特性曲线.

(2)在虚线框中画出与实物电路相应的电路图

图6

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2.(2011· 福建理综· 19(2))某同学在探究规格为“6 V, 3 W”的小电珠伏 安特性曲线实验中: (1)在小电珠接入电路前,使用多用电表直接测量小电珠的电阻,则应 将选择开关旋至________挡进行测量.(填选项前的字母) A.直流电压 10 V C.欧姆×100 B.直流电流 5 mA D.欧姆×1

(2)该同学采用图 7 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 为待测小电珠, 电阻 20 kΩ), 为电压表(量程 6 V, 为电流表(量程 0.6 A,内阻 1 Ω),

E 为电源(电动势 8 V,内阻不计),S 为开关.

图7

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2.(2011· 福建理综· 19(2))某同学在探究规格为“6 V, 3 W”的小电珠伏 安特性曲线实验中: (1)在小电珠接入电路前,使用多用电表直接测量小电珠的电阻,则应
D 挡进行测量.(填选项前的字母) 将选择开关旋至________

A.直流电压 10 V C.欧姆×100

B.直流电流 5 mA D.欧姆×1

(2)该同学采用图 7 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 为待测小电珠, 电阻 20 kΩ), 为电压表(量程 6 V, 为电流表(量程 0.6 A,内阻 1 Ω),

E 为电源(电动势 8 V,内阻不计),S 为开关.

图7

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左 Ⅰ.在实验过程中,开关 S 闭合前,滑动变阻器的滑片 P 应置于最______

端;(填“左”或“右”) Ⅱ.在实验过程中,已知各元件均无故障,但闭合开关 S 后,无论如何调
1 节滑片 P,电压表和电流表的示数总是调不到零,其原因是 ________ 点

至________ 点的导线没有连接好;(图中的黑色小圆点表示接线点,并用 5 数字标记,空格中请填写图 7 中的数字) Ⅲ.该同学描绘出小电珠的伏安特性曲线 示意图如图 8 所示,则小电珠的电阻
增大 . 值随工作电压的增大而_______

(填“不变”、“增大”或“减小”)

图7

图8

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3.(2011· 山东理综· 23(2))某同学利用图 9 所示电路,探究了电源在 不同负载下的输出功率. ①所得实验数据如下表,请在图 10 上画出 U-I 图象. ②根据所画的 U-I 图象,可求得电流 I=0.20 A 时电源的输出 功率为__________ W.(保留两位有效数字)
U/V I/A 1.96 0.05 1.86 0.15 1.80 0.25 1.84 0.35 1.64 0.45 1.56 0.55

图10

图9

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3.(2011· 山东理综· 23(2))某同学利用图 9 所示电路,探究了电源在 不同负载下的输出功率. ①所得实验数据如下表,请在图 10 上画出 U-I 图象. ②根据所画的 U-I 图象,可求得电流 I=0.20 A 时电源的输出 0.37 功率为__________ W.(保留两位有效数字)
U/V I/A 1.96 0.05 1.86 0.15 1.80 0.25 1.84 0.35 1.64 0.45 1.56 0.55

图10

图9

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③实验完成后,该同学对实验方案进行了反思, 认为按图 9 电路进行实验操作的过程中存在安 全隐患,并对电路重新设计.在图 11 所示的电 路中,你认为既能测出电源在不同负载下的输 bc 出功率,又能消除安全隐患的是___________ . (Rx 阻值未知)

图9

图11

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4.小亮同学为研究某电学元件(最大电压不超过 2.5 V,最大电流不超过 0.55 A)的伏安特性曲线,在实验室找到了下列实验器材: A.电压表(量程是 3 V,内阻是 6 kΩ) B.电压表(量程是 15 V,内阻是 30 kΩ) C.电流表(量程是 0.6 A,内阻是 0.5 Ω) D.电流表(量程是 3 A,内阻是 0.1 Ω) F.滑动变阻器(阻值范围 0~5 Ω),额定电流为 0.6 A G.滑动变阻器(阻值范围 0~100 Ω),额定电流为 0.6 A H.直流电源(电动势 E=3 V,内阻不计) I.开关、导线若干 该同学设计电路并进行实验,通过实验得到如下数据(I 和 U 分别表示 电学元件上的电流和电压).

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I/A

0

0.12

0.21

0.29

0.34

0.38

0.42

0.45

0.47

0.49

0.50

U/V

0

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

1.80

2.00

(1)为了提高实验结果的准确程度,电流表选______ C ;电压表选________ A ;滑动变阻 F .(以上均填写器材代号) 器选______
(2)请在下面的虚线框中画出实验电路图; (3)在图12中描出该电学元件的伏安特性曲线

(4)据图中描出的伏安特性曲线可知,该 图12 电学元件的电阻随温度而变化的情况为 元件的电阻随温度升高而增大

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5. 在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线” 实 验时, 所用器材有: 电动势为 6 V 的电源、 额定电压为 2.5 V 的小灯泡、以及符合实 验要求的滑动变阻器、电表、开关和导 图13 线.要求能测出尽可能多组数据.图 13 是没有连接完整的实物电路.(已连接好的导线有 a、b、c、d、 e、f 六根) (1)请你用笔画线代替导线,在原图中将实物电路连接完整; (2)连好电路,闭合开关,移动变阻器滑片 P,发现小灯泡始终 不亮,但电压表有示数,电流表几乎不偏转,则故障的原因可 c段导线断路或灯泡损坏 能是______________________________ ; (3)排除故障后闭合开关,移动滑片 P 到某处,电压表的示数为 右 端滑动(选 2.2 V,要测量小灯泡的额定功率,应将滑片 P 向____ 填“左”或“右”);

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(4)通过移动滑片 P,分别记下了多组对应的电压表和电流表的读 数,并绘制成了如图 14 所示的 U-I 图象.根据 U-I 图象提供

0.5 的信息,可计算出小灯泡的额定功率是________ W;

图 14 (5)图线是曲线而不是过原点的直线,原因是 随温度的升高而增大 . ____________________

小灯泡的电阻


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