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实验九　描绘小灯泡的伏安特性曲线
　　　　　　　　　　　　　　　　
[实验目的]
1．测绘小电珠的伏安特性曲线．
2．分析伏安特性曲线的变化规律．
[实验原理]
1．电路原理如图甲所示，测多组小电珠的U、I的值，并绘出I?U图象(图乙)．
2．由图线的斜率反映电流与电压的关系，以及温度的影响．
[实验器材]
　学生电源(4～6 V直流)或电池组、小电珠(3.8 V　0.3 A)、电流表、电压表、滑动变阻器、开关、坐标纸、导线若干．
[实验步骤]
1．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，按电路原理图连接好实验电路．
2．把滑动变阻器的滑片调节到电路原理图中最左端，连接线经检查无误后，闭合开关S.
3．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.
U(V) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
I(A)






U(V) 1.4 1.8 2.2 2.6 3.0 3.4 3.8
I(A)






4.拆除电路，整理仪器．
[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，就得到小电珠的伏安特性曲线．
[注意事项]
1．电路的调节：闭合开关S前，滑动变阻器的滑片应移到使小电珠分得电压为零的一端，使开关闭合时小电珠的电压从零开始变化，同时也是为了防止开关刚闭合时因小电珠两端电压过大而烧坏小电珠．
2．图象的画法：
(1)建立坐标系时，纵轴表示电流，横轴表示电压，两坐标轴选取的标度要合理．
(2)I?U图线在U＝1.0 V左右时将发生明显弯曲，故在U＝1.0 V左右绘点要密，以防出现较大误差．
(3)误差较大的点要舍去，I?U图线应是平滑曲线而非折线．
[误差分析]
1．由于电压表、电流表不是理想电表，电表内阻对电路的影响会造成系统误差．
2．电流表、电压表的读数造成偶然误差．
3．在坐标纸上描点、作图造成偶然误差．
　　　　　　　　　　　　　　　　
命题点1　教材原型实验
为了研究小灯泡的电阻随温度变化的规律，某同学设计了如图甲所示的电路，电路中选用的小灯泡的规格为“2.8 V　0.28 A”．
(1)实验室提供的滑动变阻器有R1(0～50 Ω)、R2(0～5 Ω)，本实验应选用________(填“R1”或“R2”)．
(2)根据设计的电路图，连接好乙图中的实物图．
(3)在某次测量中，电压表的示数如图丙所示，其读数为________V.
(4)根据测得的电压、电流值，作出U?I图象如图丁实线所示，由图象可得，小灯泡正常发光时的电流为________A(保留三位有效数字)，若该误差为系统误差，则这个电流值与额定电流有差别的原因是__________________________．
(5)图丁中a为电压为1.00 V时图线上的点与原点的连线，b为该点的切线，要求图线上该点对应的灯泡的电阻，应求______(填“a”或“b”)的斜率，由图线可知，小灯泡的电阻随温度的升高而________．
【解析】　本题考查探究电阻随温度变化的规律．
(1)由于滑动变阻器采用分压接法，为了使调节方便，滑动变阻器应选择最大阻值较小的R2.
(2)实物连接如图所示．
(3)电压表的读数为2.40 V.
(4)由图象可得小灯泡正常发光时的电流约为283 mA＝0.283 A，这个电流值比额定电流大的原因是电压表有分流作用．
(5)由R＝知，要求电压为1.00 V时图线上的点对应的电阻，应求线a的斜率．随着温度升高，该连线斜率越来越大，则灯泡的电阻越来越大．
【答案】　(1)R2　(2)见解析　(3)2.40
(4)0.283(0.282～0.284均可)　电压表有分流作用
(5)a　增大
1.发光二极管在生产和生活中得到了广泛的应用，如图所示是一种发光二极管的实物图，正常使用时，带“＋”号的一端接高电势，带“－”号的一端接低电势，某同学想描绘它的伏安特性曲线，实验测得它两端的电压U和通过它的电流I，所得数据如表所示.
U/V 0 0.40 0.80 1.20 1.60 2.00 2.40 2.80
I/mA 0 0.9 2.3 4.3 6.8 12.0 19.0 30.0
(1)实验室提供的器材如下：
A．电压表(量程0～3 V，内阻约10 kΩ)
B．电压表(量程0～15 V，内阻约25 kΩ)
C．电流表(量程0～50 mA，内阻约50 Ω)
D．电流表(量程0～0.6 mA，内阻约1 Ω)
E．滑动变阻器(阻值范围0～10 Ω，允许最大电流3 A)
F．电源(电动势6 V，内阻不计)
G．开关，导线若干
该同学做实验时，电压表选用的是A，电流表选用的是C.(填选项字母)
(2)请在图甲中以笔画线代替导线，按实验要求将实物图中的连线补充完整．
答案：见解析图
(3)在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片应置于最左(选填“左”或“右”)端．
(4)根据表中数据，在图乙所示的坐标纸中画出该发光二极管的I?U图线．
答案：见解析图
(5)由I?U图线可知：二极管的电阻值随工作电压的增大而减小(选填“不变”“增大”或“减小”)．
(6)若此发光二极管的最佳工作电流为10 mA，现将此发光二极管与电动势为3 V、内阻不计的电池组相连，还需串联一个阻值R＝110 Ω的电阻，才能使它工作在最佳状态．(结果保留三位有效数字)
解析：(1)根据实验测得它两端的电压U和通过它的电流I的数据范围可知：电压变化的最大值为2.8 V，所以电压表选A；电流变化的最大值为30 mA，所以电流表选C.
(2)电压、电流要从0测起，所以滑动变阻器应该用分压式；二极管的电阻更接近电流表的内阻，电流表应该用外接法．实物图的连接如图所示．
(3)根据题意可知当开关S闭合前，应使被测电路两端电压最小，即滑动变阻器的滑片应置于最左端．
(4)根据表中数据，在坐标纸上描出各点，用平滑的曲线连接起来．如图所示．
(5)图线各点与原点连线的斜率表示电阻的倒数，故随电压的增大，电阻减小．
(6)根据I?U图线，可知当二极管的工作电压为1.9 V时，工作电流约为10 mA，串联电阻上分得的电压应为1.1 V，故应串联的电阻为R＝110 Ω.
命题点2　实验拓展创新
某同学在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验中，要测量一个标有“3 V　1.5 W”的小灯泡两端的电压和通过它的电流，现有如下器材：
A．直流电源3 V(内阻可不计)
B．直流电流表0～600 mA(内阻约为0.5 Ω)
C．直流电压表0～3 V(内阻约3 kΩ)
D．滑动变阻器(10 Ω，1 A)
E．滑动变阻器(1 kΩ，300 mA)
F．开关、导线若干
(1)本实验中滑动变阻器选用______(选填“D”或“E”)．
(2)表中的各组数据是该同学在实验中测得的，根据表格中的数据在如图所示的坐标纸上作出该小灯泡的伏安特性曲线．
U/V I/A
0 0
0.5 0.17
1.0 0.30
1.5 0.39
2.0 0.45
2.5 0.49
(3)如图所示，将两个这样的小灯泡并联后再与阻值为5 Ω的定值电阻R0串联，接在电压恒定为4 V的电路上，每个小灯泡的实际功率为________W.
【分析】　(1)在小灯泡伏安特性基础上利用闭合电路欧姆定律作出两个并联小灯泡每只小灯泡U?I线，两伏安特性曲线的交点即为每只小灯泡的工作点，从而求解．
(2)本题也可以理解为电源电动势为4 V，定值电阻R0当作电源内阻来做为经典题解决，变换角度考查对原理的理解．
【解析】　(1)实验中需测量多组数据，滑动变阻器用分压式接法，为了调节方便，滑动变阻器用阻值较小的，故选D.
(2)描点画图，如图所示．
(3)设小灯泡两端的电压为U，电流为I，根据闭合电路欧姆定律得：U0＝U＋2IR0，所以U＝－2R0I＋U0，代入数据得U＝－10I＋4，在小灯泡的伏安特性曲线同一坐标系上画出该直线，其交点(1.0 V,0.3 A)即为小灯泡的实际电压、电流值，可得小灯泡消耗的实际功率P＝UI＝0.3 W.
【答案】　(1)D　(2)见解析图　(3)0.3
高分技法
两类U?I图象问题的解题方法
(1)根据题意，画出小灯泡和电源组成的闭合电路.
(2)设灯泡两端的电压为0，通过小灯泡的电流为I，根据闭合回路欧姆定律列方程，得出U?I关系式(或I?U关系式)，做出其图象.
(3)两条图线的交点即为小灯泡在闭合电路中的工作点，其乘积即为小灯泡实际消耗的功率
2．某实验小组要探究一小灯泡的伏安特性曲线，并研究小灯泡在不同电压下的实际功率，实验电路如图甲所示．
(1)实验闭合开关前，滑动变阻器的滑动P应在a(选填“a”或“b”)端．
(2)实验中闭合开关，在把滑片P向一端移动的过程中，发现电流表与电压表均有明显示数且示数几乎不变，则电路中出现故障的元件可能是B(选填“A”或“B”)．
A．小灯泡　　　　　　B．滑动变阻器
(3)该小组根据实验数据描绘出小灯泡的伏安特性曲线如图丙所示，可判定在图乙中小灯泡的功率P与加在两端电压的平方U2的图象正确的是3(选填“1”“2”或“3”)．
(4)某同学将两个完全相同的这种小灯泡并联接在电源两端，已知电源的电动势E＝3 V、内阻r＝2 Ω，则此时每个小灯泡的实际功率为0.44 W(结果保留2位有效数字)．
解析：(1)此电路是分压电路，滑动变阻器的aP部分与小灯泡并联，开始时应使小灯泡两端电压最小，故滑片应置于a端．
(2)电流表与电压表均有明显示数，说明灯泡所在电路正常，滑动中示数几乎不变，说明滑动变阻器没有起到应有的作用，故可能存在故障的是滑动变阻器．
(3)由小灯泡的伏安特性曲线可看出，小灯泡的电阻逐渐增大，由P＝知，P?U2图线的斜率应逐渐减小，故图线3正确．
(4)灯泡两端的电压为U，流过每个灯泡的电流为I，则E＝U＋2Ir，得U＝3－4I，画出电源的U?I图线如图丁所示，交点坐标U＝2.20 V，I＝0.20 A，所以小灯泡消耗的电功率P＝UI＝0.44 W.

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