資源簡介

實驗學案36 描繪小燈泡的伏安特性曲線
實驗目的
1．描繪小燈泡的伏安特性曲線．
2．分析伏安特性曲線的變化規律．
實驗原理
1．用________測出流過小燈泡的電流，用________測出小燈泡兩端的電壓，測出多組(U，I)值，在U－I坐標系中描出各對應點，用________的曲線將這些點連接起來．
圖1
2．電路的選擇：本實驗用伏安法測量在不同電壓下燈絲的電流和電壓，描繪出伏安特性曲線．由于使用的小燈泡是“3.8 V，0.3 A”的，正常發光時燈絲電阻約為13 Ω，阻值較小，因此應該用電流表________電路；由于要測小燈泡在不同電壓下的電流、電壓，電壓取值范圍要盡量大，因此滑動變阻器應該用________接法電路．電路圖如圖1所示．
實驗器材
學生電源(4～6 V直流)、小燈泡“4 V，0.7 A”或“3.8 V，0.3 A”、電流表(內阻較小)、電壓表(內阻很大)、開關和導線、____________、坐標紙、鉛筆．
實驗步驟
1．確定電流表、電壓表的量程，照圖1連好電路．(注意開關應______，滑動變阻器與燈泡并聯部分電阻為____)
2．閉合開關S，調節滑動變阻器，使電流表、電壓表有較小的明顯示數，記錄一組電壓U和電流I的值．
3．用同樣的方法測量并記錄約12組U值和I值．
4．斷開開關S，整理好器材．
5．在坐標紙上，以U為橫坐標、I為縱坐標建立直角坐標系，并根據表中數據描點，連接各點得到I－U圖線．(注意：連接各點時，不要出現折線)
數據處理
根據測量的數據把電壓表和電流表的各組數據填入下表中，然后作出I－U圖線.
次數 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
電壓U/V
電流I/A
實驗結論
描繪出的圖線是一條______．它的斜率隨電壓的增大而______，這表明小燈泡的電阻隨電壓(溫度)升高而______．燈絲的電阻率隨溫度的升高而增大．燈絲不發光時溫度是室溫，正常發光時溫度很高，其電阻率的變化是很顯著的，所以燈絲的阻值隨小燈泡兩端電壓的升高而明顯增大，其I－U圖線不再是過原點的直線．
注意事項
1．本實驗中被測小燈泡燈絲的電阻值較小，因此測量電路必須采用電流表外接法．
2．滑動變阻器應采用分壓式接法：目的是為了使小燈泡兩端的電壓能從0開始連續變化．
3．I－U圖線在U0＝1.0 V左右將發生明顯彎曲，故在U＝1.0 V左右繪點要密，以防出現較大誤差．
4．建立坐標系時，縱軸表示電流，橫軸表示電壓，兩坐標軸選取的標度要合理，使得根據測量數據畫出的圖線盡量占滿坐標紙．
誤差分析
1．測量電路存在系統誤差，未考慮電壓表的分流，造成測得的I值比真實值大．
2．描繪I－U圖線時作圖不準確造成的偶然誤差．
3．測量時讀數不準確和在坐標紙上描點不準確引起的誤差．
題型一　實驗儀器及電路的選擇
【例1】在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”的實驗中，可供選擇的實驗儀器如下：
器材 規格 器材 規格
小燈泡 標有“3.8 V，0.3 A”字樣 滑動變阻器R1 最大阻值10 Ω，額定電流1.0 A
電壓表V 量程0～5 V，內阻約5 kΩ 滑動變阻器R2 最大阻值 1 kΩ，額定電流0.5 A
電流表A1 量程0～100 mA，內阻約4 Ω 直流電源E 電動勢約為6 V，內阻約為0.5 Ω
電流表A2 量程0～500 mA，內阻約0.4 Ω 導線、電鍵等
(1)在上述器材中，滑動變阻器應選________，電流表應選________．
(2)在圖2中用筆畫線代替導線，把實驗儀器連接成完整的實驗電路．
圖2
圖3
(3)利用實驗中得到的實驗數據在I－U坐標系中，描繪出了如圖3所示的小燈泡的伏安特性曲線．根據此圖給出的信息，可以判斷出下圖中正確的是(圖中P為小燈泡功率)(　　)
[規范思維]
　
　
　
　
　
題型二　伏安特性曲線的描繪及實驗結果的應用
【例2】 影響物質材料電阻率的因素很多，一般金屬材料的電阻率隨溫度的升高而增大，而半導體材料的電阻率則與之相反，隨溫度的升高而減小．某課題研究組需要研究某種導電材料的導電規律，他們用該種導電材料制作成電阻較小的元件Z做實驗，測量元件Z中的電流隨兩端電壓從零逐漸增大過程中的變化規律．
(1)他們應選用下圖中所示的哪個電路進行實驗．(　　)
(2)①由(1)實驗測得元件Z的電壓與電流的關系如下表所示．根據表中數據請在圖4中作出元件Z的I－U圖線.
U/V 0 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.50 1.60
I/A 0 0.20 0.45 0.80 1.25 1.80 2.80 3.20
圖4
②根據Z的I－U圖線可判斷元件Z是金屬材料還是半導體材料？
圖5
③把元件Z和電阻R接入如圖5所示的電路中，由實驗測得電阻R的I－U圖線如圖4所示．已知電源的電動勢E＝1.5 V，內阻不計．閉合電鍵S，電路穩定時，元件Z消耗的電功率為________W.
[規范思維]
　
　
　
　
　
　
[針對訓練] 在“描繪小電珠的伏安特性曲線”實驗中，所用器材有：小電珠(2.5 V，0.6 W)，滑動變阻器，多用電表，電流表，學生電源，開關，導線若干．
①粗測小電珠的電阻，應選擇多用電表________倍率的電阻擋(請填寫“×1”、“×10”或“×100”)；調零后，將表筆分別與小電珠的兩極連接，示數如圖6，結果為________Ω.
圖6
②實驗中使用多用電表測量電壓，請根據實驗原理圖7完成實物圖8中的連線．
圖7
圖8
③開關閉合前，應將滑動變阻器的滑片P置于________端，為使小電珠亮度增加，P應由中點向______________端滑動．
④下表為電壓等間隔變化測得的數據，為了獲得更準確的實驗圖象，必須在相鄰數據點________間多測幾組數據(請填寫“ab”、“bc”、“cd”、“de”或“ef”).
數據點 a b c d e f
U/V 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
I/A 0.000 0.122 0.156 0.185 0.216 0.244
圖9
1．為探究小燈泡L的伏安特性，連好如圖9所示的電路后閉合開關，通過移動變阻器的滑片，使小燈泡中的電流由零開始逐漸增大，直到小燈泡正常發光，由電流表和電壓表得到的多組讀數描繪出的U－I圖象應是(　　)
2．如圖10所示，在“描繪小燈泡的伏安特性曲線”實驗中，同組同學已經完成部分導線的連接，請你在實物接線圖中完成余下導線的連接．
圖10
3．表格中所列數據是測量小燈泡U－I關系的實驗數據：
U(V) 0.0 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
I(A) 0.000 0.050 0.100 0.150 0.180 0.195 0.205 0.215
(1)分析表格內實驗數據可知，應選用的實驗電路圖是圖11中的________(選填“甲”或“乙”)；
圖11
(2)在如圖12所示的方格紙內畫出小燈泡的U－I曲線．分析曲線可知小燈泡的電阻值隨I變大而________(選填“變大”、“變小”或“不變”)；
圖12
圖13
(3)如圖13所示，用一個定值電阻R和兩個上述小燈泡組成串并聯電路，連接到內阻不計、電動勢為3 V的電源上．已知流過電阻R的電流是流過燈泡L2電流的兩倍，則流過燈泡L1的電流約為________A.
4．某研究性學習小組為了制作一種傳感器，需要選用一電器元件．圖14為該電器元件的伏安特性曲線，有同學對其提出質疑，現需進一步驗證該伏安特性曲線，實驗室備有下列器材：
器材(代號) 規格
電流表(A1) 量程0～50 mA，內阻約為50 Ω
電流表(A2) 量程0～200 mA，內阻約為10 Ω
電壓表(V1) 量程0～3 V，內阻約為10 kΩ
電壓表(V2) 量程0～15 V，內阻約為25 kΩ
滑動變阻器(R1) 阻值范圍0～15 Ω，允許最大電流1 A
滑動變阻器(R2) 阻值范圍0～1 kΩ，允許最大電流100 mA
直流電源(E) 輸出電壓6 V，內阻不計
開關(S)、導線若干
圖14
(1)為提高實驗結果的準確程度，電流表應選用______；電壓表應選用________；滑動變阻器應選用__________．(以上均填器材代號)
(2)為達到上述目的，請在虛線框圖15中畫出正確的實驗電路原理圖，并標明所用器材的代號．
圖15
(3)若發現實驗測得的伏安特性曲線與圖中曲線基本吻合，請說明該伏安特性曲線與小電珠的伏安特性曲線有何異同點？
相同點：
________________________________________________________________________.
不同點：
________________________________________________________________________.
5．小燈泡燈絲的電阻會隨溫度的升高而變大．某同學為研究這一現象，用實驗描繪小燈泡的伏安特性曲線．實驗可供選擇的器材有：
A．小燈泡(規格為“2.5 V，1.2 W”)
B．電流表A(量程為0～0.6 A，內阻為1 Ω)
C．電壓表V(量程為0～3 V，內阻未知)
D．滑動變阻器(0～10 Ω，額定電流為1 A)
E．滑動變阻器(0～5 Ω，額定電流為0.5 A)
F．電源(E＝3 V，內阻不計)
G．定值電阻R0(阻值R0＝6 Ω)
H．開關一個和導線若干
(1)要求小燈泡兩端的電壓從零開始變化，且能盡量消除系統誤差，在方框內畫出實驗電路圖．
(2)實驗中，應該選用的滑動變阻器是______(填寫器材前字母代號)．
圖16
(3)按照正確的電路圖，該同學測得實驗數據如下：(I是電流表A的示數，U是電壓表V的示數，U燈是小燈泡兩端的實際電壓)．請通過計算補全表格中的空格，然后在圖16中畫出小燈泡的伏安特性曲線．
I/A 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.48
U/V 0.08 0.15 0.25 0.40 0.60 0.90 1.30 1.85 2.50 3.00
U燈/V
(4)該同學將與本實驗中一樣的兩個小燈泡以及給定的定值電阻R0三者一起串聯接在本實驗中提供的電源兩端，則每個燈泡的實際功率是________W.
6．某學習小組通過實驗來研究電器元件Z的伏安特性曲線．他們在實驗中測得電器元件Z兩端的電壓與通過它的電流的數據如下表：
U/V 0.00 0.20 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50
I/A 0.00 0.10 0.20 0.30 0.36 0.38 0.40
現備有下列器材：
A．低壓直流電源：電壓6 V，內阻不計
B．電流表：量程為0～0.6 A～3 A，0.6 A內阻約為10 Ω，3 A內阻約為2 Ω
C．電壓表：量程為0～3 V～15 V，3 V內阻約為7.2 kΩ，15 V內阻約為36 kΩ
D．滑動變阻器：阻值為0～10 Ω，額定電流為3 A
E．電鍵K，導線若干
(1)按提供的器材，在實物圖17(a)上連接正確的實驗電路，要求測量誤差盡可能小．
圖17
(2)利用這些數據繪出的電器元件Z的伏安特性曲線如圖17(b)所示，分析曲線說明通過電器元件Z的電流隨電壓變化的特點．
(3)若把電器元件Z接入如圖17(c)所示的電路中時，通過Z的電流為0.10 A，已知A、B兩端電壓恒為1.5 V，則此時燈泡L的功率為________W.
實驗學案36　描繪小燈泡的伏安特性曲線
實驗原理
1．電流表　電壓表　一條平滑
2．外接法　分壓式
實驗器材
滑動變阻器
實驗步驟
1．斷開　零
實驗結論
曲線　減小　增大
【熱點題型精析】
例1 (1)R1　A2　(2)見解析圖　(3)BD
解析　(1)為方便電路調節，滑動變阻器應選擇R1；小燈泡正常工作時I額＝0.3 A＝300 mA>100 mA，故電流表應選A2.
(2)因為要求小燈泡
上的電壓從0開始增大，滑動變阻器應選用分壓式接法；而小燈泡正常工作時R燈＝＝ Ω≈13 ΩRV＝5 kΩ，故電流表應選擇外接法，其實驗電路如圖所示．
(3)在I－U圖象中，圖線斜率逐漸減小，小燈泡的R逐漸增大；由P＝知在P－U2圖象中，圖線的斜率應逐漸減小，故B正確；由P＝I2R在P－I2圖象中圖線的斜率R應逐漸增大，故D正確．
[規范思維]　(1)電路選擇要根據具體的情況來進行確定．(2)實驗原理是確定電路的首要條件．(3)各個用電器的作用要明確，選擇電路要根據需要來進行選擇．
例2 (1)A　(2)①見解析圖　②半導體材料
③0.64(0.60～0.68)
解析　(1)由測量的數據及題目要求可知，滑動變阻器應采取分壓式接法．因為元件Z的電阻較小，所以電流表應外接，因此實驗電路應選A圖．
(2)①描點畫出元件Z的I－U圖線如下圖曲線所示．②由I－U圖線可知，Z是半導體材料．③當電流強度為0.80 A時，元件Z兩端的電壓為0.80 V，定值電阻R上的電壓為0.70 V，此時元件Z上消耗的電功率為0.64 W.
[規范思維]　(1)在描繪伏安特性曲線時應連成平滑的曲線，而不能是折線．如果這些點大致在一條直線上，則應描成一條直線，讓不在直線上的點均勻分布在直線兩側．(2)從I－U圖線判斷元件的電阻變化，進而判斷材料性質．
[針對訓練]
①×1　7.5　②如解析圖所示
③a　b　④ab
解析　①小電珠(2.5 V，0.6 W)對應電阻為R＝ Ω＝10.4 Ω，所以選“×1”擋．
②電流表的電阻也就幾歐，與電壓表幾千歐相比，小電珠的電阻算小電阻，所以電流表必須外接，伏安特性曲線要求電壓從0開始逐漸變大，所以滑動變阻器必須采用分壓接法．
③從a端開始，電壓為零，向b端移動，對小電珠所加電壓逐漸變大．
④ab之間電流增加了0.122 A，其他各段電流增加了0.03 A左右．所以需要在ab之間將電流分為0.030 A、0.060 A、0.090 A，分別測出相應的電壓值．
1．C　[小燈泡中的電流逐漸增大時燈絲的溫度升高，其電阻率增大，導致電阻R增大．只有C選項對．]
2．見解析
解析　滑動變阻器應采用分壓式接法，如圖所示
3．(1)甲　(2)U－I曲線見解析　變大　(3)0.21
解析　(1)從表中數據可看出，小燈泡兩端電壓可以從零開始調節，這說明滑動變阻器應選用分壓式接法，故應選用甲圖．
(2)在方格紙上根據U－I數據描點、連線，其U－I圖象如下圖所示．隨U和I的增大，圖線上各點與坐標原點連線的斜率越來越大，故其電阻變大．
(3)因流過電阻R的電流是流過燈泡L2電流的兩倍，則流過燈泡L1的電流是流過燈泡L2電流的3倍，而燈泡L1、L2兩端的電壓之和為3 V，在(2)描出的U－I圖象中，找出一個電流I對應的電壓U1，再找出3I對應的電壓U2，直到U1＋U2＝3 V為止．
最后得出結果，流過燈泡L1的電流約為0.21 A.
4．(1)A2　V1　R1　(2)電路圖如下圖所示
(3)伏安特性曲線都是非線性的．　小電珠的伏安特性曲線表明隨電流和電壓的增大電阻值增大，而該元件的伏安特性曲線表明隨電流和電壓的增大電阻值減小
解析　(1)從圖中所給的伏安特性曲線看出，最大電流不超過0.14 A，大于電流表A1的量程，小于電流表A2的量程，所以電流表選擇A2.圖中的最大電壓不超過V1的量程，且V1的測量更精確，R1的最大阻值與所給的伏安特性曲線反映的元件的電阻值相當，且I1＝＝ A＝0.4 A<1 A，而R2的阻值太大，所以選擇R1.(2)待測元件的電阻滿足RA5．(1)見解析　(2)D　(3)見解析圖　(4)0.18
解析　(1)要使小燈泡兩端電壓從零開始變化，滑動變阻器應采用分壓式接法，為測量更準確，應采用電流表內接法，實驗電路圖如下圖所示．
(2)由于采用分壓式接法，若選E，則滑動變阻器的電流I＝＝ A＝0.6 A>0.5 A，故滑動變阻器應選用D.
(3)由第(1)問中所畫電路圖分析可得：U燈＝U－IRA，則可根據表中數據求出U燈，并畫出U燈－I圖線如下圖所示.
I/A 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.48
U/V 0.08 0.15 0.25 0.40 0.60 0.90 1.30 1.85 2.50 3.00
U燈/V 0.03 0.05 0.10 0.20 0.35 0.60 0.95 1.45 2.05 2.52
(4)在同一坐標系中作出2U燈＋IR0＝E的圖線，根據此圖線與燈泡的U燈－I圖線的交點可得此時燈泡的電壓U燈＝0.6 V，電流I＝0.3 A．所以，燈泡的實際功率為P＝U燈I＝0.6 V×0.3 A＝0.18 W.
6．(1)如下圖所示　(2)電流隨電壓的增大非線性增大　(3)0.13

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