高三物理實驗描繪小燈泡的伏安特性曲線

高三物理實驗描繪小燈泡的伏安特性曲線第一頁，共五十四頁，2022年，8月28日一、實驗目的及教學目標1、描繪小燈泡的伏安特性曲線；2、分析曲線的變化規(guī)律并得出結論；3、能根據題目給出的實驗數據，正確描出實驗曲線，并由此計算相關物理量；能正確選擇適的儀表和器材，選擇適的量程和進行正確的實物連路，4、能處理相關的拓展性的實驗課題；能夠根據伏安特性曲線求出功率或導體電阻大小。二、實驗原理在純電阻電路中，電阻兩端的電壓與通過電阻的電流是線性關系，但在實際電路中，由于各種因素的影響，U—I圖像不再是一條直線。讀出若干組小燈泡的電壓U和電流I，然后在坐標紙上以U為縱軸，以I為橫軸畫出U—I曲線。第二頁，共五十四頁，2022年，8月28日三、實驗器材小燈泡、4V～6V學生電源、滑動變阻器、電壓表、電流表、開關和導線若干。四、實驗步驟1、適當選擇電流表，電壓表的量程，采用電流表的外接法，按圖中所示的原理電路圖連接好實驗電路圖。2、滑動變阻器采用分壓接法，把滑動變阻器的滑動片調至滑動變阻器的A端,電路經檢查無誤后，閉合電鍵S。3、改變滑動變阻器滑動片的位置，讀出幾組相應的電流表、電壓表的示數I和U,記入記錄表格內,斷開電鍵S；4、在坐標紙上建立一個直角坐標系，縱軸表示電流I，橫軸表示電壓U，用平滑曲線將各點連接起來，便得到伏安特性曲線。5、拆去實驗線路，整理好實驗器材。第三頁，共五十四頁，2022年，8月28日五、注意事項1、因本實驗要作出I—U圖線，要求測出一組包括零在內的電壓、電流值，因此，變阻器要采用分壓接法；2、本實驗中，因被測小燈泡電阻較小，因此實驗電路必須采用電流表外接法；3、電鍵閉合后，調節(jié)變阻器滑片的位置，使小燈泡的電壓逐漸增大，可在電壓表讀數每增加一個定值（如0.5V）時，讀取一次電流值；調節(jié)滑片時應注意使電壓表的示數不要超過小燈泡的額定電壓；4、電鍵閉合前變阻器滑片移到圖中的A端；5、坐標紙上建立坐標系，橫坐標所取的分度例應該適當，盡量使測量數據畫出的圖線占滿坐標紙。連線一定用平滑的曲線，不能畫成折線。第四頁，共五十四頁，2022年，8月28日六、誤差分析1、測量電路存在系統(tǒng)誤差，未考慮電壓表的分流，造成測得的I值比真實值偏大；2、描繪I—U線時作圖不準確造成的偶然誤差。七、實驗電路圖第五頁，共五十四頁，2022年，8月28日例1（03上海）、如圖所示中的圖1為某一熱敏電阻（電阻值隨溫度的改變而改變，且對溫度很敏感）的I—U關系曲線圖．（1）為了通過測量得到圖1所示I—U關系的完整曲線，在圖2、圖3兩個電路中應選擇的是圖

；簡要說明理由：

．（電源電動勢為9V，內阻不計，滑線變阻器的阻值為0－100Ω）（2）在圖4電路中，電源電壓恒為9V，電流表讀數為70mA，定值電阻R1＝250Ω．由熱敏電阻的I—U關系曲線可知，熱敏電阻兩端的電壓為

V；電阻R2的阻值為

Ω．⑶舉出一個可以應用熱敏電阻的例子：

______________________________________第六頁，共五十四頁，2022年，8月28日第七頁，共五十四頁，2022年，8月28日

解：⑴2；理由：從I—U圖象看，電流與電壓均從零值開始，圖2中的電壓可以從0調到所需的電壓，調節(jié)范圍較大（或圖3中不能測量0值附近的數據）.⑵5.2；111.8（111.6～112.0均可為正確）。分析與計算：R1支路電流為I1=U/R1=36mA,R2支路電流為34mA，在I—U曲線上，34mA對應的電壓大約為5.2V；熱敏電阻Rt=5.2/0.034=152.9,Rt+R2=9/0.034=264.7，所以R2≈111.8.

⑶熱敏溫度計（提出其它實例，只要合理就給分）第八頁，共五十四頁，2022年，8月28日例2、為了測定和描繪“220Ｖ40Ｗ”白熾電燈燈絲的伏安特性曲線，可以利用調壓變壓器供電。調壓變壓器是一種自耦變壓器，它只有一組線圈Ｌ，繞在閉合的環(huán)形鐵心上，輸入端接在２２０Ｖ交流電源的火線與零線間，輸出端有一個滑動觸頭Ｐ，移動它的位置，就可以使輸出電壓在０~250Ｖ之間連續(xù)變化，左圖畫出的是調壓變壓器的電路圖符號。實驗室內備有交流電壓表．交流電流表．滑動變阻器．開關．導線等實驗器材。（1）在左圖中完成實驗電路圖。（2）說明按你的實驗電路圖進行測量，如果電表內阻的影響不能忽略，在電壓較高段與電壓較低段相比較，哪段的誤差更大？為什么？（3）如果根據測量結果作出的伏安特性曲線如右圖所示，試根據圖線確定，把兩個完全相同的“220Ｖ40Ｗ”白熾電燈串聯在220Ｖ交流電源的火線與零線間，這兩只電燈消耗的總電功率是多大？第九頁，共五十四頁，2022年，8月28日

解：⑴如圖所示。開關應安在火線一邊，否則應適當扣分?；鹁€與公共端相連的可不扣分。電流表外接與內接都可以。（本題電源輸出電壓可調，因此用不著滑動變阻器）第十頁，共五十四頁，2022年，8月28日⑵如果采用電流表外接的，電壓較高段誤差更大，因為電壓越高，燈絲電阻越大，由于電壓表分流而造成的誤差越大；如果采用電流表內接的，電壓較低段誤差更大，因為電壓越小，燈絲電阻越小，由于電流表分壓造成的誤差越大。（3）兩個相同電燈串聯在電路中，每個燈兩端的電壓都是110V，在圖像上找到電壓為110V時的電流值是0.22A，每一個燈消耗的功率約為24W，兩燈消耗的總功率為48W。因此答案為48W±1W。第十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日

例3（04上海）、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，用實驗得到如下數據（I和U分別表示小燈泡上的電流和電壓）：I/A0.120.210.290.340.380.420.450.470.490.50U/V0.200.400.600.801.001.201.401.601.802.00（1）在左下框中畫出實驗電路圖.可用的器材有：電壓表、電流表、滑線變阻器（變化范圍0—10Ω電源、小燈泡、電鍵、導線若干.（2）在右圖中畫出小煤泡的U—I曲線.（3）如果某一電池的電動勢是1.5V,內阻是2.0Ω.問:將本題中的燈泡接在該電池兩端,小燈泡的實際功率是多少?（簡要寫出求解過程;若需作圖,可直接畫在第（2）小題的方格圖中）第十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日解：（1）見下圖;（2）見下圖（3）作出U=E—Ir圖線，可得小燈泡工作電流為0.35安，工作電壓為0.80伏，因此小燈泡實際功率為0.28瓦第十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日

例3的U–I圖線及U=E–Ir圖線第十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日例4、使用如圖1所示的器材測定小燈泡在不同電壓下的電功率，并且作出小燈泡的電功率與它兩端電壓的平方的關系曲線．已知小燈泡上標有“6V，3W”字樣，電源是3個鉛蓄電池串聯組成的電池組,滑動變阻器的規(guī)格是“52A”.要求：⑴把圖1中實物連成實驗電路；

⑵圖2的4個圖象中哪個可能是正確的？簡單說明理由．第十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日解：變阻器通常用來控制電路中的電流或電壓，可以有限流與分壓兩種接法，根據題意，燈泡電阻約為R=62/3=12

，若采用限流，即使變阻器阻值用到最大，燈泡電壓最小值可達4V左右，其電壓調節(jié)，范圍約在4V－6V間，顯然不宜選取合理數據范圍作電功率與兩端電壓平方關系圖線．而采用分壓接法則燈泡兩端電壓變化范圍為0V－6V間，便于選取數據作相應圖線，至于電壓表與電流表采用內接、外接，題目未給表的內阻，但實驗學生用表在電阻為10左右時，內、外接表誤差差別不大，本題不作要求，連線時應注意量程選擇與表“＋”、“一”接線柱接法，接線如圖3．第十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日圖2中所繪圖線，由橫、縱坐標可知為P—U2圖線，小燈泡在點亮時燈絲溫度可高達上千攝氏度．隨電壓升高，燈絲溫度升高，相應電阻率增大，電阻增大，與相應電阻不變時的功率相比要減少，或者說由P=U2/R可知，該圖線斜率為1/R，隨P增大，R增大，斜率減小，因此D圖可能正確，而B圖對應斜率不變、即R不變的情況，與本題實際不符。第十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日例4的實物連線圖第十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日例5、電子技術興趣小組為了研究某種二極管的特性，用如圖所示的電路測定該元件的伏安特性曲線。實驗發(fā)現當電源反接時，電路中無電流，當正向電壓較小時也無電流，記錄的部分數據如下表。U/V1.41.5

1.71.92.02.12.22.32.42.5I/mA002.04.012.022.032.042.052.060.0第十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日(1)請根據以上實驗數據用描點法在所給的坐標紙上作出這個二極管的U—I圖線；(2)若加在該二極管兩端的正向電壓達到1.9V后才能正常工作，則從圖線可以看出這種二極管正常工作前后的導電情況有何區(qū)別？(3)若電源的電動勢為6V，內阻不計。當電流表示數為12.0mA時,滑動變阻器接入電路的電阻為

________Ω。第二十頁，共五十四頁，2022年，8月28日解：（1）U—I圖象如圖所示；（2）正常工作前導電性能差（或電阻大），正常工作后導電性能好（或電阻?。虎?03/3。第二十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日例6、如圖1的電路中R1=R2=100Ω，是阻值不隨溫度而變的定值電阻．白熾燈泡L的伏安特性曲線如圖2所示．電源電動勢E=100V,內阻不計,求:⑴當電鍵K斷開時燈泡兩端的電壓和通過燈泡的電流以及燈泡的實際電功率．⑵當電鍵閉合時，燈泡兩端的電壓和通過燈泡的電流以及燈泡的實際電功率．第二十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日

解：（1）0.60A24W[K斷開時，燈泡跟R1串聯，電流相等，而且燈泡與R1的電壓之和等于100V。結合燈泡的伏安特性曲線，燈泡電壓為40V時，其電流大約是0..6A，R1分壓60V，且為定值電阻，所以電流也為0.6A。]（2）0.46A12.4W[K閉合后，燈泡與R2并聯，分壓一定小于40V；當UL=30V時,IL=0.50A,通過R1的電流為0.80A，R1分壓80V，則總電壓等于110V;

當UL=25V時,IL大約0.45A,則總電流為0.70A,總電壓為95V＜100V;

所以,取UL=27V,則IL大約0.46A,則總電流I=0.46+0.27=0.73A,R1分壓73V,總電壓恰好100V。燈泡消耗電功率PL=ULIL=0.46×27W=12.4W第二十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日

八、課后練習1、某同學在做測定小燈泡功率的實驗中得到如下一組U和I的數據：求：⑴在圖上畫出I—U圖線。⑵從圖線上可以看出，當功率逐漸增大時，燈絲電阻的變化情況是

；這表明導體的電阻隨溫度升高而

。編號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發(fā)光情況不亮微亮逐漸變亮正常發(fā)光第二十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日⑴在圖上畫出I—U圖線。⑵從圖線上可以看出，當功率逐漸增大時，燈絲電阻的變化情況是

；這表明導體的電阻隨溫度升高而

。解：⑴I—U圖線如圖2所示。⑵先不變，后逐漸增大；增大。第二十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日2、．兩盞額定電壓均為220Ｖ的白熾燈A、B的伏安特性曲線如圖所示，試求：（１）兩盞燈正常發(fā)光時的電阻；（２）將它們并聯后接在110V的電源上時通過兩燈的電流；（３）將它們串聯后接在220V的電源上時兩燈的實際功率分別是多少？第二十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日

解：⑴U=220V時，IA=0.27A，∴RA=815;IB=0.18A，∴RB=1222。⑵圖象橫坐標為110V，對應的縱坐值IA=0.215A；IB=0.125A⑶串聯后電壓之和為220V，利用電流強度相等，尋找在相同縱坐標情況下，兩電壓之和為220V時兩曲線的橫坐標值。當I=0.15A時，UA=70V，UB=145V；取I=0.152A時，UA=72V,UB=148V?！郟A=11W；PB=22.5W。第二十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日3．一個小燈泡的額定電壓為6.3V，額定電流約為0.3A，用以下所給的實驗器材描繪出小燈泡的伏安特性曲線，實驗電路圖所示。電源E1：電動勢為8.0V，內阻不計；電源E2：電動勢為12.0V，內阻不計；電壓表V：量程為0—10V，內阻約為10kΩ

電流表A1：量程為0—3A，內阻約為0.1Ω;

電流表A2：量程為0—300mA，內阻約為1Ω；滑動變阻器R：最大阻值10Ω，額定電流1.0A；第二十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日

開關S，導線若干。⑴依照實驗電路圖將圖中的實物圖連接成實驗電路。⑵實驗中電源應該選用

；電流表應該選用

。⑶實驗測出的數據如下表所示，依照這些數據在圖所示的坐標紙中描繪出該小燈泡的伏安特性曲線。第二十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日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實驗原理和實和連線如圖所示。⑵E1、A2⑶I—U曲線如圖所示。第三十頁，共五十四頁，2022年，8月28日4、一般情況下,金屬導體的電阻會隨著溫度改變而改變.某同學為研究一小燈泡燈絲電阻與溫度的關系,設計并完成了有關的實驗。實驗中用到了下列器材：待測小燈泡、15v直流穩(wěn)壓電源、滑動變阻器（最大阻值為30Ω、最大允許電流為1.0A）電壓表（量程0-15V,內阻約15kΩ）、電流表（量程0-0.6A,內阻約0.13Ω）、開關一只及導線若干,實驗中調節(jié)滑動變阻器,小燈泡兩端的電壓可從0V至額定電壓范圍內變化,從而測出小燈泡在不同電壓下的電流，得到了下表中的實驗數據：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第三十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日⑴請在右邊框內畫出為完成上述實驗而設計的合理的電路圖。⑵通過所測的數據可知，小燈泡的電阻隨其兩端所加電壓的升高而_____（選填“增大”、“保持不變”或“減小”）。從而得到了燈絲電阻隨溫度變化的規(guī)律。⑶該小燈泡正常工作時的電阻值約為______Ω。（保留2位有效數字）（答案：⑴圖略⑵增大⑶46）第三十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日5、某同學選用一只標有“3.8V0.3A”的小燈泡，用電流表和電壓表測量它在不同電壓下的電流，從而計算出它在不同電壓下的實際電阻值。根據實驗數據畫出的I-U圖象如右.⑴從圖象看出,電壓越高，對應的實際電阻值越_____，這說明燈絲材料的電阻率隨溫度的升高而________。⑵若實驗室提供的器材是：電動勢為6V，內阻很小的鉛蓄電池；量程0-0.6-3A的直流電流表；量程0-3-15V的直流電壓表；最大阻值10Ω的滑動變阻器；一只電鍵和若干導線。⑴請畫出正確的實驗電路圖；⑵并標出開始實驗時所用的電表量程和滑動變阻器滑動觸頭的位置。第三十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日解：⑴曲線上每一點和原點的連線的斜率的倒數表示該時刻對應的燈絲電阻。由圖象可知隨著電壓的升高燈絲的電阻增大。這說明燈絲材料的電阻率隨溫度的升高而增大。⑵正常工作時燈絲的電阻才十幾個歐姆，電壓低時電阻更小，所以應作為小電阻處理，測量部分應該用外接法。燈絲兩端的電壓要求從零開始逐漸增大，所以供電部分必須采用分壓電路。開始時電流表量程應選用0.6A，電壓表量程應選用3V（快要超過3V時再改用15V量程），滑動變阻器滑動觸頭的位置應使燈絲兩端分到的電壓為零。電路略。第三十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日6．(15分)熱敏電阻是傳感電路中常用的電子元件.現用伏安法研究熱敏電阻在不同溫度下的伏安特性曲線，要求特性曲線盡可能完整.已知常溫下待測熱敏電阻的阻值約4～5Ω.熱敏電阻和溫度計插入帶塞的保溫杯中,杯內有一定量的冷水,其它備用的儀表和器具有:盛有熱水的熱水杯（圖中未畫出）、電源（3V、內阻可忽略）、直流電流表（內阻約1Ω）、直流電壓表（內阻約5kΩ）、滑動變阻器（0~20Ω）、開關、導線若干。⑴在圖1中的方框中畫出實驗電路圖，要求測量誤差盡可能小。⑵根據電路圖,在圖2中的實物之間連線。⑶簡要寫出完成接線后的主要實驗步驟。第三十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日解：（1）如圖3(2)如圖4所示。

(3):①往保溫杯中加入一些熱水，待溫度穩(wěn)定時讀出溫度計值；②調節(jié)滑動變阻器,快速測出電流表和電壓表的值；③重復①～②，測量不同溫度下的數據；④繪出各測量溫度下熱敏電阻的伏安特性曲線。第三十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日例6的原理電路圖及實物連線圖第三十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日

7、為了研究“3.8V,0.3A”小燈泡的電阻隨電流變化的規(guī)律，某同學測量小燈泡兩端的電壓和通過小燈泡的電流的關系.實驗室可以提供的器材如下：①直流電源E（電動勢約4V，內阻可不計）；②電流表A（量程為0—0.6A，內阻約0.5Ω）；③電壓表V（量程為0—5V，內阻約20kΩ）；④滑動變阻器R1（阻值0—10Ω，額定電流2A）；⑤滑動變阻器R2（阻值0—200Ω，額定電流1.5A）⑥電鍵S及導線若干。實驗測得的數據記錄在下表中：U/V00.301.001.702.403.103.80I/A00.0740.2100.2100.2500.2840.300第三十八頁，共五十四頁，2022年，8月28日（1）請在坐標紙上畫出小燈泡的U—I圖線。（2）應選擇的滑動變阻器為（填寫儀器符號）：

。（3）根據以上條件在虛線框中畫出符合要求的實驗電路圖，并在圖中標出器材的符號。（4）試求：電壓為1.50V和2.80V時小燈泡的電阻值并說明它們大小不同的原因。（結果保留2位有效數字。）第三十九頁，共五十四頁，2022年，8月28日第四十頁，共五十四頁，2022年，8月28日第四十一頁，共五十四頁，2022年，8月28日解答：（1）如圖a：（坐標選取合適；描點正確；將各點連成光滑曲線） （2）R1

（3）如圖b：（分壓電路；電流表外接） （4）由圖可知：U1=1.50V時，I1=0.200A；

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

由于小燈泡兩端的電壓升高時，燈絲的溫度升高，導致燈絲電阻變大。所以有：RL2＞RL1

第四十二頁，共五十四頁，2022年，8月28日8．在現代電子線路中，各種電子元件在電路中起著各種不同的作用，如二極管能起單向導電作用．現有A、B兩種電子元件的電壓——電流關系如圖(a)、(b)所示，問：(1)通過對圖(a)、(b)伏安特性曲線的分析，能推測出這兩種電子元件在電路中所起到的作用各是什么?第四十三頁，共五十四頁，2022年，8月28日

(2)某水質分析儀器上的小燈，要求在電源輸出電壓發(fā)生較大變化時，通過小燈的電流能基本保持不變，請在方框中用指定的符號畫出滿足要求的電路圖．

解答:(1）電子元件A在電路中能起到恒流作用（即在電壓有較大變化時，通過電路的電流幾乎保持不變）；電子元件B在電路中能起到恒壓作用（即在電流有較大變化時，元件B兩端的電壓幾乎保持不變）。說明：答元件B能起開關、放大作用也視為正確。（2）以下三種電路均可。第四十四頁，共五十四頁，2022年，8月28日第8題供參考的三個電路圖第四十五頁，共五十四頁，2022年，8月28日9．發(fā)光二極管是目前很多電器的指示燈用的電子元件,在電路中的符號是

,只有電流從標有“+”號的一端輸入，從標有“－”號的一端流出時,它才可能發(fā)光，這時可將它視為一個純電阻.某廠家提供的某種型號的發(fā)光二極管的伏安特性曲線如圖所示。⑴若該型號的發(fā)光二極管的正常工作電壓為2.0V，現用電動勢為12V，內阻可以忽略不計的直流電源供電，為使該二極管正常工作，需要在電源和二極管之間_____（填“串聯”或“并聯”）一只阻值為_____Ω的定值電阻．第四十六頁，共五十四頁，2022年，8月28日⑵已知該型號的發(fā)光二極管允許通過的最大電流為56mA，試驗證這種元件的伏安特性曲線與廠家提供的數據是否一致．如圖所示，可選用的器材有：

A．直流電源，電動勢4.5V，內阻可忽略不計；B．0-50Ω的滑動變阻器一只；

C．量程15V，內阻約50kΩ的電壓表一只；D．量程5V，內阻約20kΩ的電壓表一只；

E．量程3mA，內阻約10Ω的電流表一只；F．量程100mA，內阻約50Ω的電流表一只；

G．待測發(fā)光二極管一只；

H．導線、電鍵等．為準確、方便地進行檢測，

第四十七頁，共五十四頁，2022年，8月28日電壓表應該選用_____，電流表應該選用_____．（填字母符號）⑶若采用的實驗電路圖如圖所示．試用筆畫線代替導線將如圖所示實物連接成實驗電路．第四十八頁