高三物理实验描绘小灯泡的伏安特性曲线

高三物理实验描绘小灯泡的伏安特性曲线第1页，共54页，2023年，2月20日，星期四一、实验目的及教学目标1、描绘小灯泡的伏安特性曲线；2、分析曲线的变化规律并得出结论；3、能根据题目给出的实验数据，正确描出实验曲线，并由此计算相关物理量；能正确选择适的仪表和器材，选择适的量程和进行正确的实物连路，4、能处理相关的拓展性的实验课题；能够根据伏安特性曲线求出功率或导体电阻大小。二、实验原理在纯电阻电路中，电阻两端的电压与通过电阻的电流是线性关系，但在实际电路中，由于各种因素的影响，U—I图像不再是一条直线。读出若干组小灯泡的电压U和电流I，然后在坐标纸上以U为纵轴，以I为横轴画出U—I曲线。第2页，共54页，2023年，2月20日，星期四三、实验器材小灯泡、4V～6V学生电源、滑动变阻器、电压表、电流表、开关和导线若干。四、实验步骤1、适当选择电流表，电压表的量程，采用电流表的外接法，按图中所示的原理电路图连接好实验电路图。2、滑动变阻器采用分压接法，把滑动变阻器的滑动片调至滑动变阻器的A端,电路经检查无误后，闭合电键S。3、改变滑动变阻器滑动片的位置，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,断开电键S；4、在坐标纸上建立一个直角坐标系，纵轴表示电流I，横轴表示电压U，用平滑曲线将各点连接起来，便得到伏安特性曲线。5、拆去实验线路，整理好实验器材。第3页，共54页，2023年，2月20日，星期四五、注意事项1、因本实验要作出I—U图线，要求测出一组包括零在内的电压、电流值，因此，变阻器要采用分压接法；2、本实验中，因被测小灯泡电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法；3、电键闭合后，调节变阻器滑片的位置，使小灯泡的电压逐渐增大，可在电压表读数每增加一个定值（如0.5V）时，读取一次电流值；调节滑片时应注意使电压表的示数不要超过小灯泡的额定电压；4、电键闭合前变阻器滑片移到图中的A端；5、坐标纸上建立坐标系，横坐标所取的分度例应该适当，尽量使测量数据画出的图线占满坐标纸。连线一定用平滑的曲线，不能画成折线。第4页，共54页，2023年，2月20日，星期四六、误差分析1、测量电路存在系统误差，未考虑电压表的分流，造成测得的I值比真实值偏大；2、描绘I—U线时作图不准确造成的偶然误差。七、实验电路图第5页，共54页，2023年，2月20日，星期四例1（03上海）、如图所示中的图1为某一热敏电阻（电阻值随温度的改变而改变，且对温度很敏感）的I—U关系曲线图．（1）为了通过测量得到图1所示I—U关系的完整曲线，在图2、图3两个电路中应选择的是图

；简要说明理由：

．（电源电动势为9V，内阻不计，滑线变阻器的阻值为0－100Ω）（2）在图4电路中，电源电压恒为9V，电流表读数为70mA，定值电阻R1＝250Ω．由热敏电阻的I—U关系曲线可知，热敏电阻两端的电压为

V；电阻R2的阻值为

Ω．⑶举出一个可以应用热敏电阻的例子：

______________________________________第6页，共54页，2023年，2月20日，星期四第7页，共54页，2023年，2月20日，星期四

解：⑴2；理由：从I—U图象看，电流与电压均从零值开始，图2中的电压可以从0调到所需的电压，调节范围较大（或图3中不能测量0值附近的数据）.⑵5.2；111.8（111.6～112.0均可为正确）。分析与计算：R1支路电流为I1=U/R1=36mA,R2支路电流为34mA，在I—U曲线上，34mA对应的电压大约为5.2V；热敏电阻Rt=5.2/0.034=152.9,Rt+R2=9/0.034=264.7，所以R2≈111.8.

⑶热敏温度计（提出其它实例，只要合理就给分）第8页，共54页，2023年，2月20日，星期四例2、为了测定和描绘“220Ｖ40Ｗ”白炽电灯灯丝的伏安特性曲线，可以利用调压变压器供电。调压变压器是一种自耦变压器，它只有一组线圈Ｌ，绕在闭合的环形铁心上，输入端接在２２０Ｖ交流电源的火线与零线间，输出端有一个滑动触头Ｐ，移动它的位置，就可以使输出电压在０~250Ｖ之间连续变化，左图画出的是调压变压器的电路图符号。实验室内备有交流电压表．交流电流表．滑动变阻器．开关．导线等实验器材。（1）在左图中完成实验电路图。（2）说明按你的实验电路图进行测量，如果电表内阻的影响不能忽略，在电压较高段与电压较低段相比较，哪段的误差更大？为什么？（3）如果根据测量结果作出的伏安特性曲线如右图所示，试根据图线确定，把两个完全相同的“220Ｖ40Ｗ”白炽电灯串联在220Ｖ交流电源的火线与零线间，这两只电灯消耗的总电功率是多大？第9页，共54页，2023年，2月20日，星期四

解：⑴如图所示。开关应安在火线一边，否则应适当扣分。火线与公共端相连的可不扣分。电流表外接与内接都可以。（本题电源输出电压可调，因此用不着滑动变阻器）第10页，共54页，2023年，2月20日，星期四⑵如果采用电流表外接的，电压较高段误差更大，因为电压越高，灯丝电阻越大，由于电压表分流而造成的误差越大；如果采用电流表内接的，电压较低段误差更大，因为电压越小，灯丝电阻越小，由于电流表分压造成的误差越大。（3）两个相同电灯串联在电路中，每个灯两端的电压都是110V，在图像上找到电压为110V时的电流值是0.22A，每一个灯消耗的功率约为24W，两灯消耗的总功率为48W。因此答案为48W±1W。第11页，共54页，2023年，2月20日，星期四

例3（04上海）、小灯泡灯丝的电阻会随温度的升高而变大.某同学为研究这一现象，用实验得到如下数据（I和U分别表示小灯泡上的电流和电压）：I/A0.120.210.290.340.380.420.450.470.490.50U/V0.200.400.600.801.001.201.401.601.802.00（1）在左下框中画出实验电路图.可用的器材有：电压表、电流表、滑线变阻器（变化范围0—10Ω电源、小灯泡、电键、导线若干.（2）在右图中画出小煤泡的U—I曲线.（3）如果某一电池的电动势是1.5V,内阻是2.0Ω.问:将本题中的灯泡接在该电池两端,小灯泡的实际功率是多少?（简要写出求解过程;若需作图,可直接画在第（2）小题的方格图中）第12页，共54页，2023年，2月20日，星期四解：（1）见下图;（2）见下图（3）作出U=E—Ir图线，可得小灯泡工作电流为0.35安，工作电压为0.80伏，因此小灯泡实际功率为0.28瓦第13页，共54页，2023年，2月20日，星期四

例3的U–I图线及U=E–Ir图线第14页，共54页，2023年，2月20日，星期四例4、使用如图1所示的器材测定小灯泡在不同电压下的电功率，并且作出小灯泡的电功率与它两端电压的平方的关系曲线．已知小灯泡上标有“6V，3W”字样，电源是3个铅蓄电池串联组成的电池组,滑动变阻器的规格是“52A”.要求：⑴把图1中实物连成实验电路；

⑵图2的4个图象中哪个可能是正确的？简单说明理由．第15页，共54页，2023年，2月20日，星期四解：变阻器通常用来控制电路中的电流或电压，可以有限流与分压两种接法，根据题意，灯泡电阻约为R=62/3=12

，若采用限流，即使变阻器阻值用到最大，灯泡电压最小值可达4V左右，其电压调节，范围约在4V－6V间，显然不宜选取合理数据范围作电功率与两端电压平方关系图线．而采用分压接法则灯泡两端电压变化范围为0V－6V间，便于选取数据作相应图线，至于电压表与电流表采用内接、外接，题目未给表的内阻，但实验学生用表在电阻为10左右时，内、外接表误差差别不大，本题不作要求，连线时应注意量程选择与表“＋”、“一”接线柱接法，接线如图3．第16页，共54页，2023年，2月20日，星期四图2中所绘图线，由横、纵坐标可知为P—U2图线，小灯泡在点亮时灯丝温度可高达上千摄氏度．随电压升高，灯丝温度升高，相应电阻率增大，电阻增大，与相应电阻不变时的功率相比要减少，或者说由P=U2/R可知，该图线斜率为1/R，随P增大，R增大，斜率减小，因此D图可能正确，而B图对应斜率不变、即R不变的情况，与本题实际不符。第17页，共54页，2023年，2月20日，星期四例4的实物连线图第18页，共54页，2023年，2月20日，星期四例5、电子技术兴趣小组为了研究某种二极管的特性，用如图所示的电路测定该元件的伏安特性曲线。实验发现当电源反接时，电路中无电流，当正向电压较小时也无电流，记录的部分数据如下表。U/V1.41.5

1.71.92.02.12.22.32.42.5I/mA002.04.012.022.032.042.052.060.0第19页，共54页，2023年，2月20日，星期四(1)请根据以上实验数据用描点法在所给的坐标纸上作出这个二极管的U—I图线；(2)若加在该二极管两端的正向电压达到1.9V后才能正常工作，则从图线可以看出这种二极管正常工作前后的导电情况有何区别？(3)若电源的电动势为6V，内阻不计。当电流表示数为12.0mA时,滑动变阻器接入电路的电阻为

________Ω。第20页，共54页，2023年，2月20日，星期四解：（1）U—I图象如图所示；（2）正常工作前导电性能差（或电阻大），正常工作后导电性能好（或电阻小）；⑶103/3。第21页，共54页，2023年，2月20日，星期四例6、如图1的电路中R1=R2=100Ω，是阻值不随温度而变的定值电阻．白炽灯泡L的伏安特性曲线如图2所示．电源电动势E=100V,内阻不计,求:⑴当电键K断开时灯泡两端的电压和通过灯泡的电流以及灯泡的实际电功率．⑵当电键闭合时，灯泡两端的电压和通过灯泡的电流以及灯泡的实际电功率．第22页，共54页，2023年，2月20日，星期四

解：（1）0.60A24W[K断开时，灯泡跟R1串联，电流相等，而且灯泡与R1的电压之和等于100V。结合灯泡的伏安特性曲线，灯泡电压为40V时，其电流大约是0..6A，R1分压60V，且为定值电阻，所以电流也为0.6A。]（2）0.46A12.4W[K闭合后，灯泡与R2并联，分压一定小于40V；当UL=30V时,IL=0.50A,通过R1的电流为0.80A，R1分压80V，则总电压等于110V;

当UL=25V时,IL大约0.45A,则总电流为0.70A,总电压为95V＜100V;

所以,取UL=27V,则IL大约0.46A,则总电流I=0.46+0.27=0.73A,R1分压73V,总电压恰好100V。灯泡消耗电功率PL=ULIL=0.46×27W=12.4W第23页，共54页，2023年，2月20日，星期四

八、课后练习1、某同学在做测定小灯泡功率的实验中得到如下一组U和I的数据：求：⑴在图上画出I—U图线。⑵从图线上可以看出，当功率逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是

；这表明导体的电阻随温度升高而

。编号12345678U/V0.20

0.601.001.40

1.80

2.20

2.603.00

I/A0.0200.0600.1000.140

0.170

0.190

0.200

0.205发光情况不亮微亮逐渐变亮正常发光第24页，共54页，2023年，2月20日，星期四⑴在图上画出I—U图线。⑵从图线上可以看出，当功率逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是

；这表明导体的电阻随温度升高而

。解：⑴I—U图线如图2所示。⑵先不变，后逐渐增大；增大。第25页，共54页，2023年，2月20日，星期四2、．两盏额定电压均为220Ｖ的白炽灯A、B的伏安特性曲线如图所示，试求：（１）两盏灯正常发光时的电阻；（２）将它们并联后接在110V的电源上时通过两灯的电流；（３）将它们串联后接在220V的电源上时两灯的实际功率分别是多少？第26页，共54页，2023年，2月20日，星期四

解：⑴U=220V时，IA=0.27A，∴RA=815;IB=0.18A，∴RB=1222。⑵图象横坐标为110V，对应的纵坐值IA=0.215A；IB=0.125A⑶串联后电压之和为220V，利用电流强度相等，寻找在相同纵坐标情况下，两电压之和为220V时两曲线的横坐标值。当I=0.15A时，UA=70V，UB=145V；取I=0.152A时，UA=72V,UB=148V。∴PA=11W；PB=22.5W。第27页，共54页，2023年，2月20日，星期四3．一个小灯泡的额定电压为6.3V，额定电流约为0.3A，用以下所给的实验器材描绘出小灯泡的伏安特性曲线，实验电路图所示。电源E1：电动势为8.0V，内阻不计；电源E2：电动势为12.0V，内阻不计；电压表V：量程为0—10V，内阻约为10kΩ

电流表A1：量程为0—3A，内阻约为0.1Ω;

电流表A2：量程为0—300mA，内阻约为1Ω；滑动变阻器R：最大阻值10Ω，额定电流1.0A；第28页，共54页，2023年，2月20日，星期四

开关S，导线若干。⑴依照实验电路图将图中的实物图连接成实验电路。⑵实验中电源应该选用

；电流表应该选用

。⑶实验测出的数据如下表所示，依照这些数据在图所示的坐标纸中描绘出该小灯泡的伏安特性曲线。第29页，共54页，2023年，2月20日，星期四U/V00.50.81.01.21.52.0I/A00.050.080.100.120.140.16U/V2.53.04.05.06.06.3I/A0.180.200.230.250.270.27解：⑴实验原理和实和连线如图所示。⑵E1、A2⑶I—U曲线如图所示。第30页，共54页，2023年，2月20日，星期四4、一般情况下,金属导体的电阻会随着温度改变而改变.某同学为研究一小灯泡灯丝电阻与温度的关系,设计并完成了有关的实验。实验中用到了下列器材：待测小灯泡、15v直流稳压电源、滑动变阻器（最大阻值为30Ω、最大允许电流为1.0A）电压表（量程0-15V,内阻约15kΩ）、电流表（量程0-0.6A,内阻约0.13Ω）、开关一只及导线若干,实验中调节滑动变阻器,小灯泡两端的电压可从0V至额定电压范围内变化,从而测出小灯泡在不同电压下的电流，得到了下表中的实验数据：U/V00.751.381.802.303.24.3I/A00.040.070.090.120.150.18U/V5.06.17.28.310.312.0I/A0.190.210.220.230.250.26第31页，共54页，2023年，2月20日，星期四⑴请在右边框内画出为完成上述实验而设计的合理的电路图。⑵通过所测的数据可知，小灯泡的电阻随其两端所加电压的升高而_____（选填“增大”、“保持不变”或“减小”）。从而得到了灯丝电阻随温度变化的规律。⑶该小灯泡正常工作时的电阻值约为______Ω。（保留2位有效数字）（答案：⑴图略⑵增大⑶46）第32页，共54页，2023年，2月20日，星期四5、某同学选用一只标有“3.8V0.3A”的小灯泡，用电流表和电压表测量它在不同电压下的电流，从而计算出它在不同电压下的实际电阻值。根据实验数据画出的I-U图象如右.⑴从图象看出,电压越高，对应的实际电阻值越_____，这说明灯丝材料的电阻率随温度的升高而________。⑵若实验室提供的器材是：电动势为6V，内阻很小的铅蓄电池；量程0-0.6-3A的直流电流表；量程0-3-15V的直流电压表；最大阻值10Ω的滑动变阻器；一只电键和若干导线。⑴请画出正确的实验电路图；⑵并标出开始实验时所用的电表量程和滑动变阻器滑动触头的位置。第33页，共54页，2023年，2月20日，星期四解：⑴曲线上每一点和原点的连线的斜率的倒数表示该时刻对应的灯丝电阻。由图象可知随着电压的升高灯丝的电阻增大。这说明灯丝材料的电阻率随温度的升高而增大。⑵正常工作时灯丝的电阻才十几个欧姆，电压低时电阻更小，所以应作为小电阻处理，测量部分应该用外接法。灯丝两端的电压要求从零开始逐渐增大，所以供电部分必须采用分压电路。开始时电流表量程应选用0.6A，电压表量程应选用3V（快要超过3V时再改用15V量程），滑动变阻器滑动触头的位置应使灯丝两端分到的电压为零。电路略。第34页，共54页，2023年，2月20日，星期四6．(15分)热敏电阻是传感电路中常用的电子元件.现用伏安法研究热敏电阻在不同温度下的伏安特性曲线，要求特性曲线尽可能完整.已知常温下待测热敏电阻的阻值约4～5Ω.热敏电阻和温度计插入带塞的保温杯中,杯内有一定量的冷水,其它备用的仪表和器具有:盛有热水的热水杯（图中未画出）、电源（3V、内阻可忽略）、直流电流表（内阻约1Ω）、直流电压表（内阻约5kΩ）、滑动变阻器（0~20Ω）、开关、导线若干。⑴在图1中的方框中画出实验电路图，要求测量误差尽可能小。⑵根据电路图,在图2中的实物之间连线。⑶简要写出完成接线后的主要实验步骤。第35页，共54页，2023年，2月20日，星期四解：（1）如图3(2)如图4所示。

(3):①往保温杯中加入一些热水，待温度稳定时读出温度计值；②调节滑动变阻器,快速测出电流表和电压表的值；③重复①～②，测量不同温度下的数据；④绘出各测量温度下热敏电阻的伏安特性曲线。第36页，共54页，2023年，2月20日，星期四例6的原理电路图及实物连线图第37页，共54页，2023年，2月20日，星期四

7、为了研究“3.8V,0.3A”小灯泡的电阻随电流变化的规律，某同学测量小灯泡两端的电压和通过小灯泡的电流的关系.实验室可以提供的器材如下：①直流电源E（电动势约4V，内阻可不计）；②电流表A（量程为0—0.6A，内阻约0.5Ω）；③电压表V（量程为0—5V，内阻约20kΩ）；④滑动变阻器R1（阻值0—10Ω，额定电流2A）；⑤滑动变阻器R2（阻值0—200Ω，额定电流1.5A）⑥电键S及导线若干。实验测得的数据记录在下表中：U/V00.301.001.702.403.103.80I/A00.0740.2100.2100.2500.2840.300第38页，共54页，2023年，2月20日，星期四（1）请在坐标纸上画出小灯泡的U—I图线。（2）应选择的滑动变阻器为（填写仪器符号）：

。（3）根据以上条件在虚线框中画出符合要求的实验电路图，并在图中标出器材的符号。（4）试求：电压为1.50V和2.80V时小灯泡的电阻值并说明它们大小不同的原因。（结果保留2位有效数字。）第39页，共54页，2023年，2月20日，星期四第40页，共54页，2023年，2月20日，星期四第41页，共54页，2023年，2月20日，星期四解答：（1）如图a：（坐标选取合适；描点正确；将各点连成光滑曲线） （2）R1

（3）如图b：（分压电路；电流表外接） （4）由图可知：U1=1.50V时，I1=0.200A；

U2=2.80V时，I2=0.275A，得：RL1=U1/I1=7.5.RL2=U2/I2=10

由于小灯泡两端的电压升高时，灯丝的温度升高，导致灯丝电阻变大。所以有：RL2＞RL1

第42页，共54页，2023年，2月20日，星期四8．在现代电子线路中，各种电子元件在电路中起着各种不同的作用，如二极管能起单向导电作用．现有A、B两种电子元件的电压——电流关系如图(a)、(b)所示，问：(1)通过对图(a)、(b)伏安特性曲线的分析，能推测出这两种电子元件在电路中所起到的作用各是什么?第43页，共54页，2023年，2月20日，星期四

(2)某水质分析仪器上的小灯，要求在电源输出电压发生较大变化时，通过小灯的电流能基本保持不变，请在方框中用指定的符号画出满足要求的电路图．

解答:(1）电子元件A在电路中能起到恒流作用（即在电压有较大变化时，通过电路的电流几乎保持不变）；电子元件B在电路中能起到恒压作用（即在电流有较大变化时，元件B两端的电压几乎保持不变）。说明：答元件B能起开关、放大作用也视为正确。（2）以下三种电路均可。第44页，共54页，2023年，2月20日，星期四第8题供参考的三个电路图第45页，共54页，2023年，2月20日，星期四9．发光二极管是目前很多电器的指示灯用的电子元件,在电路中的符号是

,只有电流从标有“+”号的一端输入，从标有“－”号的一端流出时,它才可能发光，这时可将它视为一个纯电阻.某厂家提供的某种型号的发光二极管的伏安特性曲线如图所示。⑴若该型号的发光二极管的正常工作电压为2.0V，现用电动势为12V，内阻可以忽略不计的直流电源供电，为使该二极管正常工作，需要在电源和二极管之间_____（填“串联”或“并联”）一只阻值为_____Ω的定值电阻．第46页，共54页，2023年，2月20日，星期四⑵已知该型号的发光二极管允许通过的最大电流为56mA，试验证这种元件的伏安特性曲线与厂家提供的数据是否一致．如图所示，可选用的器材有：

A．直流电源，电动势4.5V，内阻可忽略不计；B．0-50Ω的滑动变阻器一只；

C．量程15V，内阻约50kΩ的电压表一只；D．量程5V，内阻约20kΩ的电压表一只；

E．量程3mA，内阻约10Ω的电流表一只；F．量程100mA，内阻约50Ω的电流表一只；

G．待测发光二极管一只；

H．导线、电键等．为准确、方便地进行检测，

第47页，共54页，2023年，2月20日，星期四电压表应该选用_____，电流表应该选用_____．（填字母符号）⑶若采用的实验电路图如图所示．试用笔画线代替导线将如图所示实物连接成实验电路．第48页，共5