第5节　实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线

对应学生用书p156

一、实验目的

描绘小灯泡的伏安特性曲线，并分析曲线的变化规律．

二、实验原理

1．实验电路(如图所示)：电流表采用外接(小灯泡电阻很小)，滑动变阻器采用分压式(使电压能从零开始连续变化)．

2．实验原理：用电压表和电流表可以分别测出多组小灯泡的电压和电流值，在坐标纸的I－U坐标系中描出各个点，用一条平滑的曲线将这些点连接起来．

三、实验器材

学生电源(4～6 V直流)，小灯泡(“4 V　0.7 A”或“3.8 V　0.3 A”)，电流表(内阻较小)，电压表(内阻很大)，滑动变阻器，开关和导线．

四、实验步骤

1．连接电路：确定电流表、电压表的量程，按实验电路图连好电路．(注意开关应断开，滑动变阻器与灯泡并联部分电阻为零)．

2．测量数据：闭合开关S，调节滑动变阻器，使电流表、电压表有较小但明显的示数，记录一组电压U和电流I值．

3．重复测量：用同样的方法测量并记录12组U值和I值．

　　4.整理器材：断开开关S，整理好器材．

5．描绘曲线：在坐标纸上，以U为横坐标、I为纵坐标建立直角坐标系，并根据表中数据描点，先观察所描点的走向，再用平滑曲线连接各点得到I－U图线．

五、注意事项

1．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．本实验要作出I－U图线，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式接法．

3．为保护元件不被烧毁，开关闭合前变阻器滑片应位于图中的左端．

4．加在小灯泡两端的电压不要超过其额定电压．

5．连图线时曲线要平滑，绝对不要出现折线．

六、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，则电流表示数偏大．

2．测量时读数带来误差．

3．在坐标纸上描点、作图时带来误差．

对应学生用书p157

例1　为描绘标有“4.5 V　2 W”字样小灯泡的伏安特性曲线，有下列器材可供选用：

A．电压表V1(0～3 V，内阻为3 kΩ)

B．电压表V2(0～15 V，内阻为15 kΩ)

C．电流表A(0～0.6 A，内阻约1 Ω)

D．定值电阻R0(阻值为3 kΩ)

E．滑动变阻器R(10 Ω，2 A)

F．学生电源E(直流6 V，内阻不计)

G．开关、导线若干

(1)为使实验误差尽可能小，并要求从零开始多取几组数据，下图所示的四幅电路图中满足实验要求的是______．该实验电路图中○,X)是电压表________(填“V1”或“V2”)；该电路图中小灯泡两端电压U与对应电压表读数UV的比值＝________．

(2)正确连接电路，闭合开关前，将滑动变阻器的滑片P应移到________(填“a”或“b”)端；实验操作中，为使灯泡不被烧坏，当观察到电表○,X)的示数接近________V时，要特别注意滑动变阻器的调节．

[审题指导] 要描绘额定电压4.5 V的小灯泡的伏安特性曲线，小灯泡两端的电压必须从“0”值开始变化到4.5 V为止．所以要采用分压式电路，滑动变阻器要选用总阻值较小的以便于调节．依题中条件，电压表量程不符合既读数精确又能安全使用的要求，故要依给出的器材把小量程的电压表改装成量程较大的电压表．实验前，应移动变阻器的滑片，使输出电压为0，实验中再缓慢加大输出电压到4.5 V为止．

[解析] (1)实验要求从零开始取数据，所以滑动变阻器接成分压式电路，甲、丙错；绘制伏安特性曲线，应该使灯泡两端电压由0～4.5 V连续变化，如果用0～15 V量程电压表测量，其最小分度值为0.5 V，测量误差较大，所以选用0～3 V量程的电压表V1，再串联定值电阻，将其改装为6 V量程的电压表，所以乙正确．由分压规律可知，＝2.

(2)正确连接电路，闭合开关前，应使灯泡两端电压最小，故滑动变阻器的滑片应移到a端；由于电压表内阻与定值电阻阻值相等，由分压规律可知，当电压表读数接近2.25 V时，小灯泡两端电压接近4.5 V的额定电压．

[答案] (1)乙　V1　2　(2)a　2.25

例2　在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，采用如图1所示电路．

某同学在实验中得到下面九组U和I的数据：

　　(1)在图2中根据实验数据描绘小灯泡的伏安特性曲线．从图线上可以看出，当通过小灯泡的电流逐渐增大时，灯丝的阻值逐渐________；这表明灯丝的电阻率随温度升高而________．(以上两空均选填“增大”“不变”或“减小”)

图2

(2)将本实验中的小灯泡直接接在电动势为3.0 V、内阻为2.0 Ω的直流电源两端，则小灯泡的实际功率约为________W．(保留2位有效数字)

[解析] (1)从图线上可以看出，当通过小灯泡的电流逐渐增大时，图线上点的纵坐标与横坐标比值逐渐增大，灯丝的阻值逐渐增大；

(2)在图2中画出电源的伏安特性曲线，二线交点的纵坐标和横坐标值的乘积等于小灯泡的实际功率约为0.62 W.

[答案] (1)见解析　增大　增大　(2)0.62(0.60～0.64均对)

,　　在坐标纸上描出各组数据所对应的点后，要用平滑的曲线把各数据点连接起来，才得到小灯泡的伏安特性曲线．把小灯泡接到某电源上求小灯泡的实际功率时，要在小灯泡的伏案特性曲线所在的坐标纸上作出电源的U－I关系图线，读出两图线交点的坐标，其乘积即为小灯泡的实际功率．)

【变式1】　某同学在实验室发现一废旧电阻元件，其上标注“2.5 V　1.2 W”的字样，为描绘出该元件的U－I图线，该同学在实验室找到了下列实验器材：

A．直流电源(电动势E＝3 V，内阻不计)

B．电流表(量程0～3 mA，内阻为1 Ω)

C．电流表(量程0～0.6 A，内阻约为1 Ω)

D．滑动变阻器(阻值范围0～5 Ω，允许通过的最大电流为0.6 A)

E．滑动变阻器(阻值范围0～50 Ω，允许通过的最大电流为0.6 A)

F．定值电阻(阻值为999 Ω)

G．定值电阻(阻值为99 Ω)

H．开关、导线若干

(1)电流表应选________；由于没有电压表，应将电流表________和定值电阻________串联后作为电压表使用；滑动变阻器应选________．(填写器材前的字母标号)

(2)如图甲所示为该同学连接的部分电路，请你帮助他完成剩余部分的连线．

(3)该同学通过实验得到该元件的U－I图线如图乙所示，由图线可知，该元件的阻值随温度的升高而________(选填“增大”“不变”或“减小”)，若将该元件直接接到电动势为1.5 V、内阻为2 Ω的电源上，该元件消耗的功率为________．

[解析] (1)实验中电流表选用量程为0～0.6 A的C，需将另一电流表B和F串联，改装为量程为3 V的电压表，描绘该元件的U－I图线时，电压应从零开始测量，故应采用分压电路，为了便于操作，滑动变阻器选择D.

(2)实物连线中，由于待测元件阻值较小，电流表分压作用明显，故电流表应采用外接法．

(3)从题图乙中图线判断，电流增大，元件的阻值增大；直接接在电源上时，对电源有U＝1.5－2I(V)，作出此时该电源的U－I图线，如图所示，两图线的交点即为元件的实际电流与电压，故该元件消耗的功率P＝0.8×0.35 W＝0.28 W.

[答案] (1)C　B　F　D　(2)如图所示

(3)增大　0.28 W

例3　某实验小组设计了如图甲所示的电路，其中RT为热敏电阻，电压表量程为3 V，内阻RV约10 kΩ，电流表量程为0.5 A，内阻RA＝4.0 Ω，R为电阻箱．

(1)该实验小组首先利用该电路进行描绘热敏电阻的伏安特性曲线的实验．闭合开关，调节电阻箱，记录不同情况下的电压表示数U1、电流表示数I和电阻箱的阻值R，在I－U坐标系中，将各组U1、I的数值标记在相应位置，描绘出热敏电阻的部分伏安特性曲线，如图乙中曲线所示．为了完成该实验，应将导线c端接在________(选填“a”或“b”)点；

(2)利用(1)中记录的数据，通过分析计算可得外电路的电压U2，U2的计算式为________________________________；(用U1、I、R和RA表示)

(3)实验小组利用(2)中的公式，计算出各组的U2，将U2和I的数据也描绘在I－U坐标系中，如图乙中直线所示，根据图象分析可知，电源的电动势E＝________V、内阻r＝________Ω；

(4)实验中，当电阻箱的阻值调到8.5 Ω时，热敏电阻消耗的电功率P＝________W．(保留两位有效数字)

[解析] (1)利用伏安法测电阻，由题图乙中曲线可知热敏电阻的阻值远小于电压表内阻，所以电流表外接法，故导线c应接在a点；

(2)路端电压U2等于外电路各部分上的电压之和，则根据串、并联电路规律可知外电压U2＝U1＋I(R＋RA)；

(3)直线与U轴的交点为电动势，直线的斜率绝对值的倒数为内阻的大小；由题图乙中直线可知电源的电动势为6.0 V，内电阻为r＝ Ω＝5.0 Ω.

(4)等效电源内阻r0＝4.0 Ω＋5.0 Ω＋8.5 Ω＝17.5 Ω；在题图乙中作等效电源的I－U图象，如图所示；与热敏电阻的伏安特性曲线的交点坐标为(2.1，0.22)，所以热敏电阻的电功率P＝2.1×0.22 W≈0.46 W.

[答案] (1)a　(2)U2＝U1＋I(R＋RA)　(3)6.0　5.0(4.8～5.2均可)　(4)0.46(0.44～0.48均可)

,　　凡是与电源串联的电阻，都可以放入电源内，看作新的电源(等效电源)的内阻，利用作出等效电源的I－U图线解题．)