测绘小灯泡的伏安特性曲线及U—I图象的物理意义11213.pdf

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1、-.z.一、测绘小灯泡的伏安特性曲线 1实验原理(1)测多组小灯泡的U、I，并绘出IU图象；(2)由图线的斜率反映电流与电压和温度的关系 2实验器材 小灯泡3.8 V,0.3 A、电压表03 V15 V、电流表00.6 A3 A、滑动变阻器、学生电源、开关、导线假设干、坐标纸、铅笔 3实验步骤(1)画出电路图(如图甲)(2)将小灯泡、电流表、电压表、滑动变阻器、学生电源、开关用导线连接成如实验原理图乙所示电路(3)测量与记录 移动滑动变阻器触头位置，测出 12 组左右不同的电压值U和电流值I，并将测量数据填入自己设计的表格中(4)数据处理 在坐标纸上以U为横轴，I为纵轴，建立直角坐标系 在坐标

2、纸上描出各组数据所对应的点 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 4实验器材选取(1)原则：平安；准确；操作方便(2)具体要求 电源允许的最大电流不小于电路中实际最大电流干电池中电流一般不允许超过 0.6 A.用电器的额定电流不能小于通过该用电器的实际最大电流 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 电压表或电流表的指针应偏转到满刻度的13以上 从便于操作来考虑，限流式接法要选用与待测电阻相近的滑动变阻器，分压式接法要选用小阻值滑动变阻器 5规律方法总结 1滑动变阻器的限流式接法和分压式接法比拟-.z.两种接法的电路图 负载R上电压的调节范围 RERR0UE

3、0UE 负载R上电流的调节范围 ERR0IER 0IER 2.两种接法的适用条件(1)限流式接法适合测量阻值较小的电阻(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)3考前须知(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接法：本实验要作出UI图象，要求测出多组包括零在内的电流、电压值，故控制电路必须采用分压式接法(3)保护元件平安：为保护元件不被烧毁，开关闭合前滑动变阻器的滑片应位于最大电阻处，加在小灯泡两端的电压不要超过其额定电压 4误差

4、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.例 1 *学习小组的同学拟探究小灯泡 L 的伏安特性曲线，可供选用的器材如下：小灯泡 L，规格4.0 V 0.7 A；电流表 A1，量程 3 A，内阻约为 0.1；电流表 A2，量程 0.6 A，内阻r20.2；电压表 V，量程 3 V，内阻rV9 k；标准电阻R1，阻值 1；标准电阻R2，阻值 3 k；滑动变阻器R，阻值范围 010；-.z.学生电源E，电动势 6 V，内阻不计；开关 S 及导线假设干 甲同

5、学设计了如图 1 甲所示的电路来进展测量，当通过 L 的电流为 0.46 A 时，电压表的示数如图乙所示，此时 L 的电阻为_.甲 乙 图 1 乙同学又设计了如图 2 所示的电路来进展测量，电压表指针指在最大刻度时，加在 L上的电压值是_ V.图 2 图 3 学习小组认为要想更准确地描绘出 L 完整的伏安特性曲线，需要重新设计电路请你在乙同学的根底上利用所供器材，在图 3 所示的虚线框内补画出实验电路图，并在图上标明所选器材代号 答案 5 4 见解析图 解析 电压表的示数U2.30 V，所以灯泡 L 的电阻RLUI2.300.46 5.由题图知电压表 V 与R2串联，根据串联分压，当电压表 V

6、 的示数为 3 V 时，R2两端的电压U2UVrVR239 0003 000 V1 V，所以灯泡两端的电压UUVU2(31)V4 V.要想更准确地描绘出 L 完整的伏安特性曲线，则电压表的量程应变为 4.0 V，电流表的量程应变为 0.7 A，因此将电压表 V 与标准电阻R2串联改装成量程为 4.0 V 的电压表，将电流表 A2与标准电阻R1并联改装成量程为 0.6 A0.60.21 A0.72 A 的电流表 故虚线框内实验电路如下图 例 2 物理兴趣小组的同学们从实验室中找到一只小灯泡，其标称功率值为 0.75 W，额定电压值已模糊不清他们想测定其额定电压值，于是先用欧姆表直接测出该灯泡的电

7、阻约为2，然后根据公式计算出该灯泡的额定电压UPR20.75 V1.22 V他们疑心所得电压值不准确，于是，再利用下面可供选择的实验器材设计一个电路，测量通过灯泡的电流和它两端的电压并根据测量数据来绘灯泡的UI图线，进而分析灯泡的额定电压 A电压表 V(量程 3 V，内阻约 3 k)B电流表 A1(量程 150 mA，内阻约 2)C电流表 A2(量程 500 mA，内阻约 0.6)-.z.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 和导线假设干 H待测灯泡 L(额定功率 0.75 W，额定电压未知)(1)在下面所给的虚线框中画出他们

8、进展实验的电路原理图，指出上述器材中，电流表选择_(填A1”或A2”)；滑动变阻器选择_(填R1”或R2”)(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，当电压到达 1.23 V 时，发现灯泡亮度很暗，当到达 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边表格中.次数 1 2 3 4 5 6 7 U/V 0.20 0.60 1.00 1.40 1.80 2.20 2.70 I/mA 80 155 195 227 255 279 310 请你根据实验数据在图 4 中作出灯泡的UI图线 图 4(3)由图象得出该灯泡的额定电压应为_V；这一结果大于 1.23 V

9、，其原因是_ 解析(1)根据PI2R，估算灯泡的电流大约是 600 mA，因此电流表应选 A2；本实验要描绘出灯泡的UI图线，需要测量多组数据，因此滑动变阻器应接成分压式，所以应选阻值较小的R1；小灯泡电阻不大，电流表应外接；(2)如下图(3)由PUI0.75 W，再结合图象可知U额2.5 V；大于 1.23 V 的原因是由于灯泡冷态电阻小于正常工作时的电阻 答案(1)电路原理图如下图 A2R1(2)见解析图(3)2.5(2.42.6)灯泡冷态电阻小于正常工作时的电阻(或灯泡电阻随温度升高而变大)二、UI 图象的物理意义及其应用 用图象表示物理规律具有直观、形象、简便、具体等显著优点，运用图象

10、分析讨论*些物理问题不仅可以防止公式法繁锁的数字计算，而且可以对物理概念和物理规律理解更加深刻。-.z.现对 UI 图象作出分析。一、UI 图象的物理意义 在电动势和内电阻 r 固定的电源两端接一阻值为 R 的纯电阻用电器，组成一闭合电路，如图 1 所示，假设用 U 表示闭合电路的路端电压，I 表示通过电源的电流强度，则有以下规律：U=IR，U=Ir 在 UI 坐标系上分别画出以上函数的图象，即直线 OP 和 AB，如图 2 所示，这个图象包含的物理意义有：1、截距：直线 AB 在纵轴上的截距表示电源电动势，在横轴上的截距表示短路电流 IM=/r 2、斜率：直线 OP 的斜率表示外电路电阻 R

11、，直线 AB 斜率的负值表示电源的内电阻 r。3、交点：直线 OP 和 AB 的交点为 C，其横坐标值表示这时闭合电路的电流强度 I1，纵坐标值表示这时的路端电压或外电路两端的电压 U1，图中 CD 值表示这时电源的内电压 Ur。4、面积：矩形 DI1OA 的面积 S1的数值表示这时电源的总功率，矩形 CI1OU1的面积 S2的数值表示这时电源的输出功率，两块面积之差S=S1S2的数值表示这时电源内部发热消耗的功率，两块面积之比 S2S1的数值表示这时电源的效率。二、UI 图象的应用 1、分析物理量的变化规律(1)路端电压、电流强度随外电阻的变化规律 直线 OP 的斜率表示闭合电路外电阻的阻值

12、 R，当外电阻 R 增大时，直线 OP 与直线 AB的交点 C 将沿 BA 线向 A 靠近，从图 2 可知，交点 C 的横坐标变小，而纵坐标变大，这就直观地说明了路端电压随外电阻的增大而增大，随外电阻的减小而减小；电流强度随外电阻的增大而减小，随外电阻的减小而增大这一规律，当 R时，OP 与纵轴重合，C 点与 A点重合，显而易见，此时外电路断开，I 变为零，路端电压变至最大为 U=；反之，当 R0图 1 I U O U1 I1 IM A B C P 图 2-.z.时，直线 OP 与横轴无限地靠近，IIM，U0。(2)电源输出功率随外电阻的变化规律。电源的输出功率可用图 3 中画斜线的矩形面积来

13、表示，当外电阻 R 由零逐渐增至无限大时，不难看出这块面积先由小变大，再由大变小，这表示在变化中存在最大值，根据数学知识不难知道，当直线 OP与直线AB交点C取 AB中点时，矩形面积最大，此时 I=IM/2=/2r，U=/2，对应的外 电阻 R=U/I=r，电源的最大输出功率 Pma*=UI=2/4r。从而得到当外电路的电阻 R 等于电源的内阻 r 时，电源的输出功率最大，为2/4r 这一规律。(3)电源的效率随外电阻的变化规律 电源的效率可用图 2 中矩形 CI1OU1的面积和矩形 DI1OA 的面积之比来表示，当外电阻 R 由零逐渐增大时，由图 4 不难看出两块面积之比在增大。当R=r 时

14、，表示电源输出功率的矩形面积是表示电源总功率的矩形面积的一半。因此，这时电源的效率为50%。从而得到了电源效率随外电阻的增大而增大，随外电阻的减小而减小。当外电阻R等于内电阻r时，电源的效率为 50%这一规律。2、分析实验误差 伏安法测电阻的实验误差 用伏安法测电阻，由于电表内阻存在，不可防止地改变了电路本身，这就给测量结果带来了误差。现用 UI 图象来讨论外接法电路中的实验误差。如图 5 所示，闭合电键 K，改变滑动变阻器的阻值，每改变一次，就得到一组 U、I 值，取几出组数值作出 UI 图 象的直线 OP，如图 6 所示。直线 OP 的斜率值就是待测电阻的测量值 R 测，因电流表中的电流是干路上的电流，比I U O U I IM A B C P 图 3 I U O U1 I1 IM A B C P2(R=r)P3(R r)I3/2r U3/2 图 4 A V R 图 5 I U O U2 U1 I1 P I2 I2/I1/P/-.z.通过 R 的真实电流大，把 U1、U2、Un相对应的通过 R的电流真实值 I1、I2、In算出，并在 UI 图中一一标出，又可得到一条直线 OP，这条直线的斜率就是待测电阻的真实值 R真，从图中直观地可得出 R真R测。用类似方法可得，内接法测量出的电阻值，要比真实值大，即 R真R测