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第二章　电路及其应用
5. 实验：描绘I－U特性曲线
核心素养：掌握描绘小灯泡的I－U特性曲线的原理和方法，会用图像法处理实 验数据。
第*页
研习任务一　教材原型实验
教材　认知
一、实验目的
1. 掌握滑动变阻器的使用方法及连接方式。
2. 掌握I－U特性曲线的描绘方法。
3. 理解小灯泡的I－U特性曲线为什么是曲线。
二、实验原理
1. 用电流表测出流过小灯泡的电流，用电压表测出小灯泡两端的电压，测出多组 （U，I）值，在I－U坐标系中描出各对应点，用一条平滑的曲线将这些点连起来。
2. 电流表外接：因为小灯泡的电阻较小，如果电流表内接，误差明显较大。
三、实验器材
小灯泡（3.8 V，0.3 A）或（2.5 V，0.6 A）一个、电压表（0～3 V～15 V）与电流 表（0～0.6 A～3 A）各一个、滑动变阻器（最大阻值20 Ω）一个、学生低压直流电 源（或电池组）、开关一个、导线若干、坐标纸、铅笔。
四、实验过程
1. 电路连接：确定电流表、电压表的量程，采用电流表外接法，滑动变阻器采用分 压式接法，按图中的原理图连接好实验电路。
2. 开关闭合：把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开 关S。
3. 数据测量：移动滑动变阻器滑片位置，测出12组左右不同的电压值U和电流值I， 并将测量数据填入表格中，断开开关S。
五、数据处理
1. 在坐标纸上以U为横轴，以I为纵轴，建立坐标系。
2. 在坐标纸上描出各组数据所对应的点（坐标系纵轴和横轴的标度要适中，以使所 描图线充分占据整个坐标纸为宜）。
3. 将描出的点用平滑的曲线连接起来，就得到小灯泡的I－U特性曲线。
六、误差分析
（1）系统误差：由于采用的是电流表外接法，电流表的测量值大于小灯泡电流的真 实值。
（2）偶然误差
①电压表、电流表读数时存在误差。
②在坐标纸上描点、作图时存在误差。
七、注意事项
（1）电源允许的最大电流不小于电路中的实际最大电流。干电池中电流一般不允许 超过0.6 A。
（2）电压表或电流表的量程不能小于被测电压或电流的最大值。
研习　经典
[典例1]　为了描绘一个“12 V　6 W”的小灯泡的伏安特性曲线，现提供以下器材进 行实验。
直流电源E：电动势15 V，内阻不计；
电流表A：量程分别为0～0.6 A和0～3 A，
内阻分别约为0.50 Ω和0.1 Ω；
电压表V：量程0～3 V，内阻为3 kΩ；
定值电阻R0：阻值为12 kΩ；
滑动变阻器R：最大阻值20 Ω，允许通过的最大电流1 A；
开关一个；导线若干。
（1）由于电压表的量程偏小，要用所给电压表V和定值电阻R0改装成一个较大量程 的电压表V'，改装后的电压表量程为 V；
0～15　
（2）在方框里画出符合本实验要求的电路图；
[答案]（2）见解析图
[解析]（2）描绘小灯泡的伏安特性曲线，需要电压从零开始测 量，滑动变阻器应采用分压式接法；由于小灯泡的电阻与电流 表内阻相差较小，电流表采用外接法，如图所示。
（3）根据测得的电压表V的示数和电流表A的示数，描绘出I－U曲线如图甲所示。某 次测量时，电流表指针位置如图乙所示，则电流表读数为 A，此时小灯泡的 电阻为 Ω。
0.40　
18.75　
第*页
研习任务二　创新型实验
[典例2]　为了描绘小电珠（2.5 V　1.25 W）的伏安特性曲线，现提供如下器材：
电压表V1（量程0～3 V，内阻约3 kΩ）
电压表V2（量程0～15 V，内阻约15 kΩ）
电流表A1（量程0～0.6 A，内阻约1.0 Ω）
电流表A2（量程0～3 A，内阻约0.1 Ω）
电流表A3（量程0～300 mA，内阻约5 Ω）
滑动变阻器R1（0～10 Ω，3 A）
滑动变阻器R2（0～1 kΩ，0.1 A）
电源E（电动势约为6 V，内阻可不计）
开关S、导线若干
研习　经典
为了尽可能减小实验误差，测量时方便得到多组数据，请回答下列问题：
（1）电压表应选用 ，电流表应选用 ，滑动变阻器应选用
（填器材代号）
[解析]　（1）由于小电珠的额定电压U0＝2.5 V，故电压表应选用V1；结合额定功率 P0＝U0I0，得额定电流I0＝0.5 A＝500 mA，故电流表选用A1；要描绘小电珠的伏安特 性曲线，小电珠两端的电压应从零开始，故滑动变阻器应采用分压接法，此时滑动变 阻器选用最大阻值较小的，故滑动变阻器选用R1。
V1　
A1　
R1　
。
（2）在图甲所示虚线框内补充完整实验电路的原理图并标明选用的器材代号。
[答案]（2）见解析图
[解析]（2）实验原理图如图所示。
（3）若测得通过小电珠的电流I随小电珠两端电压U变化的关系图像如图乙所示，将 该小电珠与电动势为1.5 V、内阻为3 Ω的干电池组成闭合电路，则该小电珠消耗的电 功率为 W。（结果保留两位有效数字）
[解析]（3）根据闭合电路的欧姆定律有U＝1.5 V－3 Ω·I，在题图乙中作出电源的I－U图像，
可得两图像交点为（0.60，0.30），则该小电珠消耗的电 功率P＝UI＝0.30×0.60 W＝0.18 W。
0.18　
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课时作业
[基础训练]
1. 现要测定一个额定电压为4 V、额定功率为1.6 W的小灯泡的伏安特性曲线。要求 所测电压范围为0.1 V～4 V。
现有器材：直流电源E（电动势4.5 V，内阻约为0.5 Ω）；
电压表（量程4.5 V，内阻约为4×104 Ω）；
电流表A1（量程250 mA，内阻为2 Ω）；
电流表A2（量程500 mA，内阻为1 Ω）；
滑动变阻器R1（最大阻值约为5 Ω）；
滑动变阻器R2（最大阻值约为50 Ω），开关S，导线若干。
1
2
3
4
（1）如果既要满足测量要求，又要测量误差较小，应该选用的电流表是 （填 “A1”或“A2”）；应该选用的滑动变阻器是 （填“R1”或“R2”）。
A2　
R1　
1
2
3
4
（2）下面所示的四个电路应该选用的是 。
甲　
1
2
3
4
2. 测绘小灯泡的I－U图像来研究小灯泡的电阻随电压变化的规律，所用的器材有：
待测小灯泡一只，额定电压为2.5 V，电阻小于10 Ω；
量程为0～3 V，内阻约为3 kΩ的电压表一个；
量程为0～0.6 A，内阻约为0.1 Ω的电流表一个；
干电池两节，滑动变阻器一个，开关一个，导线若干。
图甲是实验过程中随机抽取的电压表示数；图乙是不完整的电路图；
图丙是实验结束后，描绘出的小灯泡的I－U图像。
完成下列问题：
（1）对本实验，甲图电压表的读数为 V；
解析：（1）甲图电压表量程为0～3 V，分度值为0.1 V，读数为1.20 V。
1.20　
1
2
3
4
（2）在乙图中补全实验电路图；
答案：（2）图见解析
可得电压表内阻远远大于小灯泡内阻，所以此时电流表采用外接法误差较小，实验电 路图如下。
1
2
3
4
（3）通过实验作出的小灯泡I－U图像可知，小灯泡正常工作时的电阻为 Ω （保留两位有效数字）。
5.7　
1
2
3
4
[能力提升]
3. 某同学研究小灯泡的伏安特性，实验室提供的器材有：小灯泡（额定电压为3 V， 额定功率为0.5 W）、直流电源（电动势为9 V）、滑动变阻器、电压表（量程为0～4 V，内阻约为3 kΩ）、电流表（量程为0～200 mA，内阻约为4 Ω）、开关和导线若 干。在实验设计中他采用了两种方式分别进行实验。
（1）如图甲所示，如果电压表的另一个接线柱选择接在b点，在图乙中完成对应的实 物图连线。
答案：（1）图见解析
解析：（1）实物连线如图所示。
1
2
3
4
Ⅰ　
16　
1
2
3
4
案实验数据比较，伏安特性曲线 　　（填“Ⅰ”或“Ⅱ”）更接近小
灯泡的真实情况。
1
2
3
4
Ⅰ
4. 为研究一额定电压为2.5 V、额定功率为1.0 W的小灯泡的伏安特性，某同学利用 实验室提供的器材进行了以下实验：
电池组（电动势为E＝3 V，内阻为r＝1 Ω）；
多用电表（可测电压、电流和电阻）；
电流表A1（量程为0～500 mA，内阻约为0.5 Ω）；
电流表A2（量程为0～3 mA，内阻未知）；
电阻箱R（阻值范围为0～9 999.9 Ω）；
滑动变阻器R'（阻值范围为0～10 Ω）；
开关一个，导线若干。
1
2
3
4
（1）用多用电表的欧姆挡测定电流表A2的内阻。若将选择倍率的旋钮拨至“×1 Ω” 挡，测量时指针如图甲所示，则电流表A2的内阻为rA2＝ （保留两位有效数 字）。
解析：（1）由图甲可读出电流表A的内阻为rA2＝15 Ω。
15　
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2
3
4
（2）将（1）中测量好内阻的电流表A2改装成量程为0～3 V的电压表，具体操作为： 将电阻箱R与电流表A2串联，调节电阻箱R使其阻值为 Ω。
985　
1
2
3
4
（3）该同学设计了如图乙、丙所示的两种电路， （填“图乙”或“图 丙”）所示电路实验误差相对较小。
图丙　
1
2
3
4
（4）根据所选电路，利用测得的多组数据，在如图丁所示的小灯泡的I2－I1坐标图中 确定出多个数据点的位置（图中横轴I1为电流表A1的示数值，可直接反映通过小灯泡 的电流，纵轴I2为电流表A2的示数值，可间接反映小灯泡两端的电压）。
①在图丁中作出小灯泡的I2－I1图线；
答案：（4）①图见解析
解析：（4）根据坐标系内描出的点作出图线如图所示。
结合图像斜率进行分析，小灯泡两端的电压增大时，小灯 泡的电阻增大。
②由图线可知，随着小灯泡两端的电压增大，小灯泡的电阻 （填“增 大”“减小”或“不变”）。
增大　
1
2
3
4

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