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《三维设计》2013-2014学年高中物理鲁科版选修3-1教材同步导学 第二部分 把书读薄：实验二 描绘小灯泡的伏安特性曲线（含解析）
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上传时间: 2014-08-16
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实验二描绘小灯泡的伏安特性曲线
一、实验目的
描绘小灯泡的伏安特性曲线，分析曲线的变化规律。
二、实验原理
(1)金属导体的电阻率随温度的升高而增大，从而使金属导体的电阻随温度的升高而增大，因此小灯泡的伏安特性曲线不是一条直线。测出若干组小灯泡两端的电压U和电流I值，然后在坐标纸上以I为纵轴、U为横轴画出I-U曲线。
(2)实验电路如图实－2－1所示，小灯泡的电阻很小，故电流表采用外接；应使电压能从0开始连续变化，故滑动变阻器采用分压接法。
三、实验器材 图实－2－1
小灯泡、4～6 V学生电源、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线、坐标纸。
四、实验过程
1．实验步骤
(1)连电路：按图实－2－1连接电路，且使滑动变阻器的触头P滑动至A端。
(2)测数据：闭合开关，逐渐使P向B端移动，记录不同状态时的电压表、电流表示数，取12组，而后拆除电路。
2．数据处理
(1)列表格：将记录的12组U、I值记录在表格中
实验次数
1
2
3
4
5
6
U
I
实验次数
7
8
9
10
11
12
U
I
(2)描曲线：在如图实－2－2所示坐标纸上以电流I为纵轴、电压U为横轴建立直角坐标系，描点绘出I-U曲线。
图实－2－2
(3)析规律：分析曲线变化规律，分析曲线不为直线的原因。
五、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)测量时读数不准，描绘I-U图线时作图不准确造成的偶然误差。
六、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的外接法。
(3)开关闭合后，调节变阻器滑片的位置，使灯泡的电压逐渐增大，可在电压表读数每增加一个定值(如0.5 V)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)开关闭合前，变阻器滑片移到使小灯泡分得电压为零处；
(5)在坐标纸上建立坐标系，横纵坐标所取的分度比例应该适当，尽量使测量数据画出的图线占满坐标纸。连线一定要用平滑的曲线，不能画成折线。
实验原理及器材的选取
[例1] 有一灯泡上标有“6 V 0.1 A”字样，现要测量该灯泡的伏安特性曲线，有下列器材供选用：
A．电压表(0～5 V，内阻2.0 kΩ)
B．电压表(0～10 V，内阻 3.0 kΩ)
C．电流表(0～0.3 A，内阻2.0 Ω)
D．电流表(0～6 A，内阻1.5 Ω)
E．滑动变阻器(30 Ω，2 A)
F．滑动变阻器(100 Ω， 0.5 A)
G．学生电源(直流9 V)及开关、导线等
(1)实验中所用的电压表应选________，电流表应选________，滑动变阻器应选 ________。
(2)画出实验电路图，要求电压从0 V开始测量。
[解析] (1)电压表的量程应大于小灯泡的额定电压6 V，故电压表选B。小灯泡的额定电流0.1 A，故电流表选C。由题目要求可知变阻器用分压式，故选电阻较小的E。
(2)小灯泡的电阻R＝＝＝60 Ω，故电流表应用外接法，变阻器接成分压式，电路如图所示。
[答案] (1)B C E (2)如图所示
实验数据的处理
[例2] 某同学在研究标有“3 V 0.3 A”字样的小灯泡的伏安特性曲线的实验中得到一组U和I的数据：
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
U/V
0.20
0.60
1.00
1.40
1.80
2.20
2.60
3.00
I/A
0.020
0.060
0.100
0.140
0.170
0.190
0.200
0.205
(1)在方框内画出实验电路图。
(2)在图中的方格纸内画出I-U图线。
图实－2－3
(3)根据I－U图线分析小灯泡的电阻随温度升高而________。
(4)小灯泡工作电压为3 V时，测得实际电功率为________ W。
[解析] (1)描绘元件的伏安特性曲线，滑动变阻器应采用分压接法，由实验数据知小灯泡的电阻为10 Ω左右，故电流表应外接。实验电路如图所示。
(2)描点连线之后I-U图线如图所示。
(3)由所绘图象知，曲线的斜率减小，故电阻增大，电阻率增大；
(4)U＝3.00 V时I＝0.205 A，故功率为0.615 W或0.62 W。
[答案] (1)见“解析” (2)见“解析” (3)增大
(4)0.615(或0.62)
1．为探究小灯泡L的伏安特性，连好图实－2－4的电路后闭合开关，通过移动变阻器的滑片，使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大，直到小灯泡正常发光。由电流表和电压表得到的多组读数描绘出的U-I图象是图实－2－5中的( ) 图实－2－4
图实2－5
解析：灯丝电阻随电压的增大而增大，在图像上某点到原点连线的斜率应越来越大。C正确。
答案：C
2．在描绘小灯泡的伏安特性曲线的实验中，可以同时测定小灯泡的功率和电阻。
(1)测得的小灯泡的功率与实际的功率相比较，测量功率( )
A．总偏大 B．总偏小
C．无误差 D．都有可能
(2)小灯泡的电阻的测量值与实际值相比较( )
A．偏大 B．偏小
C．有时偏大，有时偏小 D．都有可能
解析：此实验电路为电流表外接，根据P＝UI，电流I测＞I真，所以P测＞P真。
电流表外接时，U测＝U真，I测＞I真，故R测＜R真。
答案：(1)A (2)B
3．以下是“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验的操作步骤：
A．闭合开关，记下电流表、电压表的一组示数(I，U)，移动滑动变阻器的滑动触头位置，每移动一次记下一组(I，U)值，共测出12组左右的数据
B．将电流表、电压表、滑动变阻器、小灯泡、电源、开关正确连接成电路。电流表外接，滑动变阻器采用分压式，如图实－2－6所示
C．调节触头位置，使闭合开关前触头处于滑动变阻器的左端
D．按所测数据，在坐标纸上描点并将各点用直线段连接起来，得出小灯泡的伏安特性曲线
图实－2－6
(1)以上各步骤中存在错误或不妥之处的是________，应如何改正__________________________________________。
(2)将各步骤纠正后，按实验先后顺序排列起来：________。
解析：(1)错误或不妥的步骤是ACD。A步骤：测量不同电压下的电流值I时，应先预设各组数据中的电压U或电流I值，而不是随意测，随意测时会使描点疏密不均匀，画图线时出现较大误差，甚至无法画出I-U图线。C步骤：闭合开关前应使小灯泡两端电压为零，即触头应置于滑动变阻器最右端。D步骤：应将各点用平滑的曲线连接起来。
(2)正确操作步骤顺序为BCAD。
答案：(1)见“解析” (2)BCAD
4．用下列器材组装成描绘电阻R0伏安特性曲线的电路，请将图实－2－7中实物图连线成为实验电路。
图实2－7
微安表μA(量程200 μA，内阻约200 Ω)；
电压表V(量程3 V，内阻约10 kΩ)；
电阻R0(阻值约20 kΩ)；
滑动变阻器R(最大阻值50 Ω，额定电流1 A)；
电池组E(电动势3 V，内阻不计)；
开关S及导线若干。
解析：因为要描绘电阻的伏安特性曲线，电压必须从零开始连续调节，所以用分压电路。电阻较大，用电流表内接法误差较小，电路如图所示。
答案：见“解析”
5．某同学用如图2－8甲所示电路，测绘标有“3.8 V 0.3 A”的小灯泡的灯丝电阻R随电压U变化的图像。
(1)除了导线和开关外，有以下一些器材可供选择：
电流表：A1(量程100 mA，内阻2 Ω)、A2(量程0.6 A，内阻约0.3 Ω)；
电压表：V1(量程5 V，内阻约5 kΩ)、V2(量程15 V，内阻约15 kΩ)；
滑动变阻器：R1(阻值范围0～100 Ω)、R2(阻值范围0～2 kΩ)；
电源：E1(电压为1.5 V)、E2(电压为4 V)。
为了调节方便，测量准确，实验中应选用电流表________，电压表________，滑动变阻器________，电源________。(填器材的符号)
图实－2－8
(2)根据实验数据，计算并描绘出R－U的图像如图乙所示。由图像可知，此灯泡在不工作时，灯丝电阻为________；当所加电压为3.00 V时，灯丝电阻为________，灯泡实际消耗的电功率为________W。
(3)根据R-U图象，可确定小灯泡耗电功率P与外加电压U的关系。符合该关系的示意图是图实－2－9中的______。
图实－2－9
解析：(1)由于灯泡的额定电压为3.8 V，额定电流为0.3 A，电流表应选择A2；电压表应选择V1。电源应选择E2。由于电路为分压电路，为便于调节，滑动变阻器应选用阻值较小的R1。
(2)由R-U图象可以读出，当灯泡不工作时，其电阻为
1．5 Ω。当电压为3.00 V时，其电阻为11.5 Ω，实际功率为P＝U2/R＝0.78 W。
(3)由P＝U2/R可以排除C、D，由于灯泡不工作时电阻不为零，但电功率为零，所以选项A正确，B错误。
答案：(1)A2 V1 R1 E2
(2)1.5 Ω 11.5 Ω 0.78(0.7～0.8均正确)
(3)A
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