第5讲 实验：描绘小灯泡的伏安特性曲线
[目标定位] 1.掌握电流表、电压表和滑动变阻器的使用方法.2.会正确选择实验器材和实验电路.3.描绘小灯泡的伏安特性曲线并掌握分析图线的方法．
1．实验原理
由于通过小灯泡的电流越大，灯丝的温度越高，灯丝的电阻率随温度的升高而增大，因此灯丝的电阻随温度的升高而增大．由R＝得，在I－U坐标系中，图线上点与原点连线的斜率等于电阻的倒数，故画出的小灯泡的I－U图线为曲线． 2．实验器材
学生电源(4～6V直流)或电池组、小灯泡(“4V,0.7A”或“3.8V,0.3A”)、滑动变阻器、电压表、电流表、开关、导线若干、铅笔、坐标纸． 3．实验电路图(如图1所示)
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图1
想一想 小灯泡的伏安特性曲线是向上弯曲的还是向下弯曲的？
答案 因为灯泡的电阻随温度的升高而增大，又因为图线的斜率表示小灯泡电阻的倒数，所以小灯泡的伏安特性曲线是向下倾斜的曲线．
一、探究实验原理
1．电流表的内接法和外接法的比较
内接法 外接法 电路图 误差原因 电流表的分压 电压表的分流 1
测量值和真实值的比较 U测R测＝＝Rx＋RA I测测量值大于真实值 U测U测R测＝＝ I测Ix＋IV测量值小于真实值 测小电阻或＞ 适用于测量 2.滑动变阻器的两种接法比较 接法 项目 电路 组成 测大电阻，或＞ RxRVRARxRVRxRxRA限流式 分压式 变阻器 接入电 路的特点 调压 范围 采用“一上一下”的接法 采用“两下一上”的接法 URx～U R＋Rx0～U (1)要求负载上电压或电流变负载电阻的阻值Rx与滑动变阻器的总电阻适用情况 化范围较大，且从零开始连续R相差不多，或R稍大，且电压、电流变可调 化不要求从零调起 (2)负载电阻的阻值Rx远大于滑动变阻器的总电阻R 二、实验过程 1．实验步骤
(1)根据小灯泡上所标的额定值，确定电流表、电压表的量程，按图2所示的电路图连接好实物图．(注意开关应断开，滑动变阻器与小灯泡并联部分电阻为零)
图2
(2)闭合开关S，调节滑动变阻器，使电流表、电压表有较小的明显示数，记录一组电压U和电流I.
(3)用同样的方法测量并记录几组U和I，填入下表.
2
次数 电压U/V 电流I/A (4)断开开关，整理好器材． 2．数据处理
1 2 3 4 5 6 7 8 (1)在坐标纸上以U为横轴、I为纵轴建立直角坐标系．
(2)在坐标纸中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，就得到小灯泡的伏安特性曲线． 3．实验结果与数据分析
(1)结果：描绘出的小灯泡灯丝的伏安特性曲线不是直线，而是向横轴弯曲的曲线． (2)分析：小灯泡灯丝的伏安特性曲线是曲线的原因是小灯泡灯丝的电阻随温度变化而变化．曲线向横轴弯曲，即斜率变小，电阻变大，说明小灯泡灯丝的电阻随温度升高而增大． 4．误差分析
(1)系统误差：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． (2)测量误差：测量时读数带来误差．
(3)作图误差：在坐标纸上描点、作图带来误差． 5．注意事项
(1)本实验要作I－U图线，要求测出多组包括零在内的电压值、电流值，因此滑动变阻器应采用分压式接法．
(2)由于小灯泡的电阻较小，故采用电流表外接法．
(3)画I－U图线时纵轴、横轴的标度要适中，所描绘图线占据整个坐标纸为宜，不要画成折线，应该用平滑的曲线连接，对个别偏离较远的点应舍去．
例1 有一个小灯泡上标有“4V,2W”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的I－U图线．现有下列器材供选用： A．电压表(0～5V，内阻10kΩ) B．电压表(0～15V，内阻20kΩ) C．电流表(0～3A，内阻1Ω) D．电流表(0～0.6A，内阻0.4Ω) E．滑动变阻器(10Ω，2A) F．滑动变阻器(500Ω，1A)
G．学生电源(直流6V)、开关、导线若干
3
图3
(1)实验时，选用图3中甲而不选用图乙的电路图来完成实验，请说明理由：______________ ________________________________________________________________________. (2)实验中所用电压表应选________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________．(用序号字母表示)
(3)把图4中所示的实验器材用实线连接成实物电路图．
图4
答案 (1)描绘灯泡的I－U图线所测数据需从零开始，并要多取几组数据 (2)A D E (3)如下图所示．
解析 因实验目的是要描绘小灯泡的伏安特性曲线，需要多次改变小灯泡两端的电压，故采用甲图所示的分压式电路合适，这样电压可以从零开始调节，且能方便地测多组数据．因小灯泡额定电压为4V，则电压表选0～5V的A而舍弃0～15V的B，因15V的量程太大，读数误差大，小灯泡的额定电流I＝0.5A，则电流表只能选D.滑动变阻器F的最大阻值远大于小灯泡内阻8Ω，调节不方便，电压变化与变阻器使用部分的长度线性关系差，故舍去．小灯810×10泡内阻为电流表内阻的＝20倍，电压表内阻是小灯泡的＝1250倍，故电流表采
0.48用了外接法．
3
例2 某同学在做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中得到如下表所示的几组U和I的数据：
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 4
U/V I/A 0.20 0.020 0.60 0.060 1.00 0.100 1.40 0.140 1.80 0.170 2.20 0.190 2.60 0.200 3.00 0.205 (1)在图6中画出I－U图象．
图6
(2)从图象上可以看出，当电压逐渐增大时，灯丝电阻的变化情况是________________． (3)这表明小灯泡的电阻随温度的升高而________．
答案 (1)I－U图象见解析图 (2)开始时不变，后来增大 (3)增大
解析 画出I－U图象如图所示，曲线开始呈直线状说明开始时电阻不变，后来斜率逐渐减小说明电阻增大．
在“描绘小灯泡的伏安特性曲线”的实验中，可供选择的器材有： A．小灯泡：规格为“3.8V,0.3A” B．电流表：量程0～0.6A，内阻约为0.5Ω C．电流表：量程0～3A，内阻约为0.1Ω D．电压表：量程0～5V，内阻约为5kΩ E．滑动变阻器：阻值范围0～10Ω，额定电流2A F．电池组：电动势6V G．开关一只，导线若干
(1)为了使测量尽可能地准确，需要使小灯泡两端电压从0逐渐增大到3.8V且能方便地进行调节，因此电流表应选________．(填器材前选项)
(2)根据你选用的实验电路，将图5所示的器材连成实物电路．
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