第4讲 实验八 描绘小电珠的伏安特性曲线
一、滑动变阻器的限流接法和分压接法
1．两种接法比较
方式
内容
限流接法
分压接法
对比说明
两种接法电路图
串、并联关系不同
负载R上电压调节范围
≤U≤E
0≤U≤E
分压电路调节范围大
负载R上电流调节范围
≤I≤
0≤I≤
分压电路调节范围大
闭合S前触头位置
b端
a端
都是为了保护电路元件
由上表可以看出：滑动变阻器的分压式接法中，电压和电流的调节范围很大，限流式接法较节能．
2．两种接法的选择
选取
原则
二、描绘小灯泡的伏安特性曲线
温馨提示
1．两种接法的适用条件
(1)限流式接法适合测量阻值小的电阻(跟滑动变阻器的总电阻相比相差不多或比滑动变阻器的总电阻还小)．
(2)分压式接法适合测量阻值较大的电阻(一般比滑动变阻器的总电阻要大)．
2．以下三种情况必须采取分压式
①滑动变阻器的最大阻值远小于待测电阻的阻值；②电压要求从零变化；③实验仪器最大允许电流、电压不够，即连成限流式接法时，电压或电流超过电表量程．
注意事项
1．电流表外接法：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．滑动变阻器应采用分压式连接
本实验要作出U-I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接法．
3．保护元件安全：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a端．加在小电珠两端的电压不要超过其额定电压．
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，由于电压表的分流，使测得的电流值大于真实值．
2．测量时读数带来误差．
3．在坐标纸上描点、作图带来误差．
考查仪器的选择及电路设计
【例1】 某研究性学习小组为了制作一种传感器，需要选用一电器元件，如图7－4－1所示为该电器元件的伏安特性曲线，有同学对其提出质疑，先需进一步验证该伏安特性曲线，实验室备有下列器材：
图7－4－1
器材(代号)
规格
电流表(A1)
量程0～50 mA，内阻约为50 Ω
电流表(A2)
量程0～200 mA，内阻约为10 Ω
电压表(V1)
量程0～3 V，内阻约为10 kΩ
电压表(V2)
量程0～15 V，内阻约为25 kΩ
滑动变阻器(R1)
阻值范围0～15 Ω，允许最大电流1 A
滑动变阻器(R2)
阻值范围0～1 kΩ，允许最大电流100 mA
直流电源(E)
输出电压6 V，内阻不计
电键(S)、导线若干
(1)为提高实验结果的准确程度，电流表应选用________；电压表应选用________；滑动变阻器应选用________．(以上均填器材代号)
(2)为达到上述目的，请在虚线框内画出正确的实验电路原理图，并标明所用器材的代号．
解析 (1)图象中电流0～0.14 A，电流表选A2；电源电压6 V，但图象只要求电压在0～3 V之间调整，为了测量准确，电压表选V1；由于绘制图象的需要，要求电压在0～3 V之间调整，所以滑动变阻器只能采用分压式接法，为了便于调节电压，滑动变阻器应选用阻值较小的R1.
(2)该元件约几十欧，>，电压表的分流作用可以忽略，所以采用电流表外接法；实验数据的采集要求从零开始，所以滑动变阻器采用分压式接法．
答案 (1)A2 V1 R1
(2)如图所示
考查图象描绘(数据处理)及分析
【例2】 在“描绘小电珠的伏安特性曲线”的实验中，某同学测得电流－电压的数据如下表所示：
电流I/mA
2.7
5.4
12.4
19.5
27.8
36.4
47.1
56.1
69.6
81.7
93.2
电压U/V
0.04
0.08
0.21
0.54
1.30
2.20
3.52
4.77
6.90
9.12
11.46
(1)用表中数据描绘电压随电流的变化曲线；
(2)为了探究灯丝电阻与温度的关系，已作出电阻随电流的变化曲线如图7－4－2所示，请指出灯丝的特征，并解释形成的原因．
图7－4－2
答案 (1)用表中数据描绘电压随电流的变化曲线，如图所示
(2)电阻随电流增大存在三个区间，电阻的变化快慢不同，第一区间电流很小时，电阻变化不大；第二区间灯丝温度升高很快，电阻增大得快；第三区间部分电能转化为光能，灯丝温度升高变慢，电阻增大也变慢．
【例3】 (2011·山东卷，23(2))某同学利用图7－4－3甲所示电路，探究了电源在不同负载下的输出功率．
①所得实验数据如下表，请在给出的直角坐标系(图7－4－3乙)上画出U-I图象.
U/V
1.96
1.86
1.80
1.84
1.64
1.56
I/A
0.05
0.15
0.25
0.35
0.45
0.55
甲
乙
图7－4－3
②根据所画U-I图象，可求得电流I＝0.20 A时电源的输出功率为________W．(保留两位有效数字)
③实验完成后，该同学对实验方案进行了反思，认为按图7－4－3甲电路进行实验操作的过程中存在安全隐患，并对电路重新设计．在图7－4－4所示的电路中，你认为既能测出电源在不同负载下的输出功率，又能消除安全隐患的是________．(Rx阻值未知)
图7－4－4
解析 ①U－I图象如图所示．
②通过图象可得I＝0.2 A时U＝1.84 V
故P＝UI≈0.37 W
③为了测电源输出功率，电压表必须测出路端电压，d错误；a项中并联Rx不起作用，a错误；故选b、c.
答案 ①见解析 ②0.37 ③b、c
图7－4－5
1．(2012·深圳调研)有一个额定电压为2.8 V，功率约为0.8 W的小灯泡，现要用伏安法描绘这个灯泡的I－U图线，有下列器材供选用：
A．电压表(0～3 V，内阻6 kΩ)
B．电压表(0～15 V，内阻30 kΩ)
C．电流表(0～3 A，内阻0.1 Ω)
D．电流表(0～0.6 A，内阻0.5 Ω)
E．滑动变阻器(10 Ω，5 A)
F．滑动变阻器(200 Ω，0.5 A)
G．蓄电池(电动势6 V，内阻不计)
(1)用如图7－4－5所示的电路进行测量，电压表应选用________，电流表应选用________．滑动变阻器应选用________．(用序号字母表示)
(2)通过实验测得此灯泡的伏安特性曲线如图7－4－6所示．由图线可求得此灯泡在正常工作时的电阻为________Ω.
图7－4－6
(3)若将此灯泡与电动势6 V、内阻不计的电源相连，要使灯泡正常发光，需串联一个阻值为________Ω的电阻．
解析 小灯泡的额定电压为2.8 V，故电压表选用(0～3 V)；功率约为0.8 W，故小灯泡的电流约为0.3 A，电流表选取(0～0.6 A)；滑动变阻器一般选择小的便于调节．根据图表的横坐标电压2.8 V对应的纵坐标电流为0.28 A，根据欧姆定律得电阻为10 Ω；当与6 V电源相连时，根据欧姆定律可得需串联11 Ω电阻．
答案 (1)A D E (2)10 (3)11
2．(2011·福建卷，19(2))某同学在探究规格为“6 V、3 W”的小电珠伏安特性曲线实验中：
①在小电珠接入电路前，使用多用电表直接测量小电珠的电阻，则应将选择开关旋至________挡进行测量．(填选项前的字母)
A．直流电压10 V B．直流电流5 mA
C．欧姆×100 D．欧姆×1
图7－4－7
②该同学采用图7－4－7所示的电路进行测量．图中R为滑动变阻器(阻值范围0～20 Ω，额定电流1.0 A)，L为待测小电珠，○V 为电压表(量程6 V，电阻20 kΩ)，○A 为电流表(量程0.6 A，内阻1 Ω)，E为电源(电动势8 V，内阻不计)，S为开关．
Ⅰ.在实验过程中，开关S闭合前，滑动变阻器的滑片P应置于最________端；(填“左”或“右”)
Ⅱ.在实验过程中，已知各元器件均无故障，但闭合开关S后，无论如何调节滑片P，电压表和电流表的示数总是调不到零，其原因是________点至________点的导线没有连接好；(图7－4－7中的黑色小圆点表示接线点，并用数字标记，空格中请填写图甲中的数字，如“____2____点至____3____点”的导线)
图7－4－8
Ⅲ.该同学描绘出小电珠的伏安特性曲线示意图如图7－4－8所示，则小电珠的电阻值随工作电压的增大而________．(填“不变”、“增大”或“减小”)
解析 ①因小电珠正常发光时的电阻R＝＝ Ω＝12 Ω，小电珠未接入电路的电阻要比正常发光时小得多(因温度的影响)，故用多用电表测未接入电路的小电珠的电阻，应选D.
②Ⅰ.在实验时，闭合开关前，应使用电器的电压、电流为最小值，故应使滑片P置于最左端．
Ⅱ.若1点到5点未接好，则电路成为滑动变阻器的限流式电路．
Ⅲ.在I-U图象中的每一点与O点的连线的斜率逐渐减小，即电阻的倒数减小，所以电阻增大．
答案 ①D ②Ⅰ.左 Ⅱ.1 5(或5 1) Ⅲ.增大
3．一个标有“3.8 V、0.3 A”字样的小灯泡，其灯丝的电阻会随温度的升高而变化，一探究性学习小组在实验室研究这一问题，现实验室备有以下实验器材：
器材名称
代号
参 数
电池组
E
电动势9 V，内阻0.5 Ω
电压表
V1
量程0～5 V，内阻2.0 kΩ
电压表
V2
量程0～15 V，内阻3.0 kΩ
电流表
A1
量程0～0.3 A，内阻2.0 Ω
电流表
A2
量程0～6 A，内阻0.4 Ω
滑动变阻器
R1
0～10 Ω，额定电流2 A
滑动变阻器
R2
0～100 Ω，额定电流0.5 A
固定电阻
R0
5 Ω，额定电流5 A
开关
S
一个
导线
M
若干
实验时要求测量范围尽可能大，且要求灯泡上的电压从0开始调节，测量结果尽可能准确．
(1)现在有图7－4－9所示的a、b、c、d四个电路，其中可选用的电路有________．
图7－4－9
(2)在实验中，应当选用的实验器材有电压表________，电流表________，滑动变阻器________．(填器材名称代号)
图7－4－10
(3)该小组某同学通过实验描绘出小灯泡的I－U图线，如图7－4－10所示，试根据图线中给出的数据，求出小灯泡在工作点A和B的电阻值分别为________、________.
解析 (1)要求灯泡上的电压从0开始调节，因此滑动变阻器要用分压式接法，a、b图错误，c图中滑动变阻器上串联保护电阻，因此，灯泡上的电压也不能从0开始连续调节，所以应选d图．
(2)选取电表时，电表的量程要稍大于被测元件的最大值，因为灯泡标有“3.8 V、0.3 A”，因此，电压表选择V1；电流表选择A1；滑动变阻器为分压式接法，应选总阻值较小的滑动变阻器R1.
(3)根据R＝得A点电阻为6.3 Ω(结果为5.9～6.5 Ω都对)；B点电阻为10 Ω.
答案 (1)d图 (2)V1 A1 R1 (3)6.3 Ω 10 Ω
4．(2011·广东卷，34(2))在“描绘小电珠的伏安特曲线”实验中，所用器材有：小电珠(2.5 V,0.6 W)，滑动变阻器，多用电表，电流表，学生电源，开关，导线若干．
(1)粗测小电珠的电阻，应选择多用电表________倍率的电阻挡(请填写“×1”、“×10”或“×100”)；调零后，将表笔分别与小电珠的两极连接，示数如图7－4－11甲所示，结果为________Ω.
丙
图7－4－11
(2)实验中使用多用电表测量电压，请根据实验原理图7－4－11乙完成实物图7－4－11丙中的连线．
(3)开关闭合前，应将滑动变阻器的滑片P置于________端，为使小电珠亮度增加，P应由中点向________端滑动．
(4)下表为电压等间隔变化测得的数据，为了获得更准确的实验图象，必须在相邻数据点________间多测几组数据(请填写“ab”、“bc”、“cd”、“de”或“ef”).
数据点
a
b
c
d
e
f
U/V
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
I/A
0.000
0.122
0.156
0.185
0.216
0.244
解析 (1)小电珠(2.5 V,0.6 W)对应电阻为 Ω＝10.4 Ω，电阻十几欧，所以选“×1挡”．(2)电流表的电阻只有几欧，与电压表几千欧相比，小电珠的电阻算小电阻，所以电流表必须外接，伏安特性曲线要求电压从0开始逐渐变大，
所以滑动变阻器必须与电源采用分压接法．(3)从a端开始，电压为零，向b端移动，对小电珠所加电压逐渐变大．(4)ab之间电流增加了0.122 A，其他段电流增加了0.03 A左右．所以需要在ab之间将电流分为0.030 A、0.060 A、0.090 A，分别测出相应的电压值．
答案 (1)×1 7.5 (2)见解析 (3)a b (4)ab
5．用下列器材组装成描绘电阻R0伏安特性曲线的电路，微安表μA(量程200 μA，内阻约200 Ω)；电压表V(量程3 V，内阻约10 kΩ)；电阻R0(阻值约20 kΩ)；
滑动变阻器R(最大阻值50 Ω，额定电流1 A)；
电源E(电动势3 V，内阻不计)；
开关S及导线若干．
①请将图7－4－12甲方框内的实验原理图补充完整；
②根据实验原理图，将图7－4－12乙中的实物图连线补充完整．
图7－4－12
解析 描绘伏安特性曲线的滑动变阻器应采用分压式接法，待测电阻为大电阻，微安表需要采用内接法．
答案 ①如图甲所示 ②如图乙所示
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