实验八：描绘小电珠的伏安特性曲线1.实验目的：通过实验来描绘小电珠的伏安特性曲线，并分析曲线的变化规律.非线性2.实验原理：金属物质的电阻率随温度的升高而增大，从而使得一段金属导体的电阻随温度的变化而发生相应的变化.对一只小电珠来说，不正常发光和正常发光时灯丝的电阻可以相差几倍到几十倍.它的伏安特性曲线并不是一条直线，即灯丝的电阻是_的.本实验通过描绘伏安特性曲线的方法来研究钨丝小电珠在某一电压变化范围内，其电阻的变化，从而了解它的导电特性.3.实验器材：小电珠、_、_、滑动变阻器、电源、开关、导线、坐标纸.4.实验步骤电流表电压表(1)按电路图连接好电路.实验电路图如图 S8-1 所示；实物接线图如图 S8-2 所示.图 S8-1图 S8-2(2)检查无误后，将滑片调节至最左端，闭合开关，读出一组 U、I 值，记录于表格.(3)再调节滑动变阻器的滑片到不同位置，读出十组不同的U、I 值，记录于表格.(4)断开开关，整理好器材.(5)在坐标纸上以 I 为横轴，以 U 为纵轴，并选取适当的单位.(6)用描点法在坐标纸上标出各组 U、I 值的对应点位置.(7)用平滑曲线将各点依次连接起来.次数 n1234567891011电压 U/V电流 I/A(8)分析小电珠伏安特性曲线的变化规律.记录表格：对“描绘小电珠的伏安特性曲线”实验，应明确以下几点： 图线应为一条过原点的_.但由于小电珠的灯丝在其两端直线电压由零增至额定电压的过程中，灯丝温度由室温升高到近2000 ，灯丝电阻率有明显_，故小电珠的伏安特性曲线应为_.增大曲线实验用的小电珠通常为“3.8 V 0.3 A”的小电珠，其在白炽状态下电阻很小，在室温下电阻更小，为减小实验误差，测量电路应采用电流表.外接法分压式为使小电珠上的电压能从零开始连续变化，滑动变阻器应采用连接.考点 1数据处理与误差分析A.电压表B.电流表C.电流表(量程 3 V，内阻约 3 k)(量程 150 mA，内阻约 2 )(量程 500 mA，内阻约 0.6 )D.滑动变阻器 R1(020 )E.滑动变阻器 R2(0100 )F.电源 E(电动势 4.0 V，内阻不计)G.开关 S 和导线若干H.待测灯泡 L(额定功率 0.75 W，额定电压未知)次序1234567U/V0.200.601.001.401.802.202.70I/mA80155195227255279310(2)在实验过程中，该同学将灯泡两端的电压由零缓慢地增加，当电压达到 1.23 V 时，发现灯泡亮度很暗，当达到 2.70 V时，发现灯泡已过亮，便立即断开开关，并将所测数据记录在下面的表格中.请你根据表中实验数据在图 S8-3 中作出灯泡的 U-I 图线.图 S8-3(3)由图象得出该灯泡的额定电压应为_V；这一结果大于 1.22 V，其原因是：_.解析：因为灯泡两端的电压要从零开始调节，故必须用分压法，因为是小电阻，故用外接法，根据测量数据可知通过灯泡的电流达到 310 mA，因此选用 ，分压法为调节方便选用小的滑动变阻器；先将测量数据描在 U-I 坐标系中，然后用平滑的曲线将各点连接；根据描得的图线可知当灯泡两端的电压为2.5 V 时，灯泡的额定电流为 0.3 A，此时灯泡的额定功率为0.75 W；灯泡的电阻随温度的升高而增大，当灯泡两端的电压增大时，灯泡的温度也升高，故正常工作时的电阻大于常温下的电阻，根据额定功率计算额定电压时，得用正常工作时的电阻，不能用常温下的电阻.答案：(1)如图 D32 甲所示.R1(2)如图 D32 乙所示.(3)2.5(2.42.6 均正确) 灯泡的冷态电阻小于正常工作时的电阻(或灯泡电阻随温度的升高而变大)甲乙图 D32方法技巧：在描点时，一是不要忘记(0,0)这个点；二是连线时用平滑的曲线连接，使尽量多的点落在曲线上，不在曲线上的点均匀分布在曲线的两侧，较远的点舍去；三是理解曲线斜率的意义，如果是 U-I 图象，则各点与坐标原点连线的斜率表示电阻，如果是 I-U 图象，则各点与坐标原点连线的斜率表示电阻的倒数.本实验可以从以下三个方面改进和创新：(1)描绘二极管、太阳能电池在没有光照时的伏安特性曲线；(2)电源与小灯泡的伏安特性曲线结合问题.U/V0.002.562.712.802.842.872.892.912.99I/mA 0.000.030.070.110.340.520.750.913.02考向 1描绘二极管、太阳能电池在没有光照时的伏安特性曲线【典题 2】LED 发光二极管技术得到广泛应用，下表所示为某发光二极管的正向电压 U 与正向电流 I 关系的数据.(1)根据以上数据，在图 S8-4 中画出电压在 2.503.00 V 范围内时二极管的 I-U 图线.图 S8-4图 S8-5(2)分析二极管的 I-U 图线可知二极管的电阻随 U 变大而_(填“变大”“变小”或“不变”)，在电压 2.503.00 V范围内电阻最小约为_(计算结果保留 3 位有效数字).(3)某同学用伏安法测电阻的电路描绘该二极管的伏安特性曲线，要求二极管的正向电压从 0 开始变化，并使测量误差尽量减小.图 S8-5 是实验器材实物图，电压表量程为 3 V，内阻约为 3 k，电流表量程为 5 mA，内阻约为 10 .图中已连接了部分导线，请按实验要求将实物图中的连线补充完整.(4)若此 LED 发光二极管的工作电流为 2 mA，则此发光二极管应与一阻值 R_的电阻串联后才能与电动势为3 V、内阻不计的电源相连.解析：(1)先描点，然后用平滑的曲线连接；(2)I-U 图象的斜率表示电阻的倒数，斜率变大，表示电阻变小，因此当电压U3 V 时，电阻最小，大约为 970 (20 )；(3)要描绘伏安特性曲线，需要将二极管两端的电压从零开始调节，故用滑动变阻器分压的接法，因为二极管电阻比较大，为减小测量误差用电流表内接法；(4)根据伏安特性曲线可知，发光二极管的工作电流为 2 mA 时，其两端的电压为 2.97 V，根据闭合电路的欧姆定律可知电阻两端的电压为 0.03 V，电阻与二极管串联，通过电阻的电流也为 2 mA，根据欧姆定律可得电阻 R15 .答案：(1)图略.(2)变小970(950990 均正确)(3)如图 D33 所示.(4)15图 D33考向 2电源与小灯泡的伏安特性曲线结合问题【典题 3】(2017 年新课标卷)某同学研究小灯泡的伏安特性，所使用的器材有：小灯泡 L(额定电压 3.8 V，额定电流0.32 A)；电压表(量程 03 V，内阻 3 k)；电流表(量程00.5 A，内阻 0.5 )；固定电阻 R0(阻值 1000 )；滑动变阻器R(阻值 09.0 )；电源 E(电动势 5 V，内阻不计)；开关 S；导线若干.(1)实验要求能够实现在 03.8 V 的范围内对小灯泡的电压进行测量，并画出实验电路原理图.(2)实验测得该小灯泡的伏安特性曲线如图 S8-6 甲所示.甲乙图 S8-6由实验曲线可知，随着电流的增加小灯泡的电阻_(填“增大”“不变”或“减小”)，灯丝的电阻率_(填“增大”“不变”或“减小”).(3)用另一电源 E0(电动势 4 V，内阻 1.00 )和题给器材连接成如图乙所示的电路，调节滑动变阻器 R 的阻值，可以改变小灯泡的实际功率.闭合开关 S，在 R 的变化范围内，小灯泡的最小功率为_W，最大功率为_W.(计算结果均保留 2 位小数)解析：(1)要求能够实现在 03.8 V 的范围内对小灯泡的电压进行测量，故滑动变阻器用分压式接法，小灯泡为小电阻，电流表用外接法，实验电路原理图如图 S8-7 所示.图 S8-7(2)由 I-U 图象可知，切线的斜率在减小，故灯泡的电阻随(3)当滑动变阻器的阻值为 9 时，电路电流最小，灯泡实际功率最小，此时 EUI(rR)，得 U10 I4 V，在图中作出该直线如图 S8-8 所示，交点坐标约为 U1.75 V，I线的斜率最大时，与灯泡的 I-U 曲线的交点坐标最大，即灯泡消耗的功率最大.当滑动变阻器电阻值 R0 时，灯泡消耗的功率最大，此时交点坐标为 U3.67 V，I0.32 A，如图 S8-9 所示，最大的功率为 P2UI1.17 W.图 S8-9图 S8-8答案：(1)如图 S8-7 所示.(2)增大增大(3)0.39 1.17方法技巧：电源与小灯泡的伏安特性曲线结合问题：电源对电路中的小灯泡供电，显然路端电压与电路中电流满足关系流经小灯泡的电流与其两端电压满足小灯泡的伏安特性曲线，两线的交点既符合闭合电路的欧姆定律，又满足小灯泡的伏安特性曲线的特点，即为所求的电流与电压值.