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(共35張PPT)
第二章　電路及其應(yīng)用
5. 實(shí)驗(yàn)：描繪I－U特性曲線
核心素養(yǎng)：掌握描繪小燈泡的I－U特性曲線的原理和方法，會(huì)用圖像法處理實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)。
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研習(xí)任務(wù)一　教材原型實(shí)驗(yàn)
教材　認(rèn)知
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>1. 掌握滑動(dòng)變阻器的使用方法及連接方式。
2. 掌握I－U特性曲線的描繪方法。
3. 理解小燈泡的I－U特性曲線為什么是曲線。
二、實(shí)驗(yàn)原理
1. 用電流表測(cè)出流過小燈泡的電流，用電壓表測(cè)出小燈泡兩端的電壓，測(cè)出多組 （U，I）值，在I－U坐標(biāo)系中描出各對(duì)應(yīng)點(diǎn)，用一條平滑的曲線將這些點(diǎn)連起來。
2. 電流表外接：因?yàn)樾襞莸碾娮栎^小，如果電流表內(nèi)接，誤差明顯較大。
三、實(shí)驗(yàn)器材
小燈泡（3.8 V，0.3 A）或（2.5 V，0.6 A）一個(gè)、電壓表（0～3 V～15 V）與電流 表（0～0.6 A～3 A）各一個(gè)、滑動(dòng)變阻器（最大阻值20 Ω）一個(gè)、學(xué)生低壓直流電 源（或電池組）、開關(guān)一個(gè)、導(dǎo)線若干、坐標(biāo)紙、鉛筆。
四、實(shí)驗(yàn)過程
1. 電路連接：確定電流表、電壓表的量程，采用電流表外接法，滑動(dòng)變阻器采用分 壓式接法，按圖中的原理圖連接好實(shí)驗(yàn)電路。
2. 開關(guān)閉合：把滑動(dòng)變阻器的滑片調(diào)節(jié)到圖中最左端，接線經(jīng)檢查無誤后，閉合開 關(guān)S。
3. 數(shù)據(jù)測(cè)量：移動(dòng)滑動(dòng)變阻器滑片位置，測(cè)出12組左右不同的電壓值U和電流值I， 并將測(cè)量數(shù)據(jù)填入表格中，斷開開關(guān)S。
五、數(shù)據(jù)處理
1. 在坐標(biāo)紙上以U為橫軸，以I為縱軸，建立坐標(biāo)系。
2. 在坐標(biāo)紙上描出各組數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)（坐標(biāo)系縱軸和橫軸的標(biāo)度要適中，以使所 描圖線充分占據(jù)整個(gè)坐標(biāo)紙為宜）。
3. 將描出的點(diǎn)用平滑的曲線連接起來，就得到小燈泡的I－U特性曲線。
六、誤差分析
（1）系統(tǒng)誤差：由于采用的是電流表外接法，電流表的測(cè)量值大于小燈泡電流的真 實(shí)值。
（2）偶然誤差
①電壓表、電流表讀數(shù)時(shí)存在誤差。
②在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)、作圖時(shí)存在誤差。
七、注意事項(xiàng)
（1）電源允許的最大電流不小于電路中的實(shí)際最大電流。干電池中電流一般不允許 超過0.6 A。
（2）電壓表或電流表的量程不能小于被測(cè)電壓或電流的最大值。
研習(xí)　經(jīng)典
[典例1]　為了描繪一個(gè)“12 V　6 W”的小燈泡的伏安特性曲線，現(xiàn)提供以下器材進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)。
直流電源E：電動(dòng)勢(shì)15 V，內(nèi)阻不計(jì)；
電流表A：量程分別為0～0.6 A和0～3 A，
內(nèi)阻分別約為0.50 Ω和0.1 Ω；
電壓表V：量程0～3 V，內(nèi)阻為3 kΩ；
定值電阻R0：阻值為12 kΩ；
滑動(dòng)變阻器R：最大阻值20 Ω，允許通過的最大電流1 A；
開關(guān)一個(gè)；導(dǎo)線若干。
（1）由于電壓表的量程偏小，要用所給電壓表V和定值電阻R0改裝成一個(gè)較大量程 的電壓表V'，改裝后的電壓表量程為 V；
0～15　
（2）在方框里畫出符合本實(shí)驗(yàn)要求的電路圖；
[答案]（2）見解析圖
[解析]（2）描繪小燈泡的伏安特性曲線，需要電壓從零開始測(cè) 量，滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓式接法；由于小燈泡的電阻與電流 表內(nèi)阻相差較小，電流表采用外接法，如圖所示。
（3）根據(jù)測(cè)得的電壓表V的示數(shù)和電流表A的示數(shù)，描繪出I－U曲線如圖甲所示。某 次測(cè)量時(shí)，電流表指針位置如圖乙所示，則電流表讀數(shù)為 A，此時(shí)小燈泡的 電阻為 Ω。
0.40　
18.75　
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研習(xí)任務(wù)二　創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)
[典例2]　為了描繪小電珠（2.5 V　1.25 W）的伏安特性曲線，現(xiàn)提供如下器材：
電壓表V1（量程0～3 V，內(nèi)阻約3 kΩ）
電壓表V2（量程0～15 V，內(nèi)阻約15 kΩ）
電流表A1（量程0～0.6 A，內(nèi)阻約1.0 Ω）
電流表A2（量程0～3 A，內(nèi)阻約0.1 Ω）
電流表A3（量程0～300 mA，內(nèi)阻約5 Ω）
滑動(dòng)變阻器R1（0～10 Ω，3 A）
滑動(dòng)變阻器R2（0～1 kΩ，0.1 A）
電源E（電動(dòng)勢(shì)約為6 V，內(nèi)阻可不計(jì)）
開關(guān)S、導(dǎo)線若干
研習(xí)　經(jīng)典
為了盡可能減小實(shí)驗(yàn)誤差，測(cè)量時(shí)方便得到多組數(shù)據(jù)，請(qǐng)回答下列問題：
（1）電壓表應(yīng)選用 ，電流表應(yīng)選用 ，滑動(dòng)變阻器應(yīng)選用
（填器材代號(hào)）
[解析]　（1）由于小電珠的額定電壓U0＝2.5 V，故電壓表應(yīng)選用V1；結(jié)合額定功率 P0＝U0I0，得額定電流I0＝0.5 A＝500 mA，故電流表選用A1；要描繪小電珠的伏安特 性曲線，小電珠兩端的電壓應(yīng)從零開始，故滑動(dòng)變阻器應(yīng)采用分壓接法，此時(shí)滑動(dòng)變 阻器選用最大阻值較小的，故滑動(dòng)變阻器選用R1。
V1　
A1　
R1　
。
（2）在圖甲所示虛線框內(nèi)補(bǔ)充完整實(shí)驗(yàn)電路的原理圖并標(biāo)明選用的器材代號(hào)。
[答案]（2）見解析圖
[解析]（2）實(shí)驗(yàn)原理圖如圖所示。
（3）若測(cè)得通過小電珠的電流I隨小電珠兩端電壓U變化的關(guān)系圖像如圖乙所示，將 該小電珠與電動(dòng)勢(shì)為1.5 V、內(nèi)阻為3 Ω的干電池組成閉合電路，則該小電珠消耗的電 功率為 W。（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）
[解析]（3）根據(jù)閉合電路的歐姆定律有U＝1.5 V－3 Ω·I，在題圖乙中作出電源的I－U圖像，
可得兩圖像交點(diǎn)為（0.60，0.30），則該小電珠消耗的電 功率P＝UI＝0.30×0.60 W＝0.18 W。
0.18　
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課時(shí)作業(yè)
[基礎(chǔ)訓(xùn)練]
1. 現(xiàn)要測(cè)定一個(gè)額定電壓為4 V、額定功率為1.6 W的小燈泡的伏安特性曲線。要求 所測(cè)電壓范圍為0.1 V～4 V。
現(xiàn)有器材：直流電源E（電動(dòng)勢(shì)4.5 V，內(nèi)阻約為0.5 Ω）；
電壓表（量程4.5 V，內(nèi)阻約為4×104 Ω）；
電流表A1（量程250 mA，內(nèi)阻為2 Ω）；
電流表A2（量程500 mA，內(nèi)阻為1 Ω）；
滑動(dòng)變阻器R1（最大阻值約為5 Ω）；
滑動(dòng)變阻器R2（最大阻值約為50 Ω），開關(guān)S，導(dǎo)線若干。
1
2
3
4
（1）如果既要滿足測(cè)量要求，又要測(cè)量誤差較小，應(yīng)該選用的電流表是 （填 “A1”或“A2”）；應(yīng)該選用的滑動(dòng)變阻器是 （填“R1”或“R2”）。
A2　
R1　
1
2
3
4
（2）下面所示的四個(gè)電路應(yīng)該選用的是 。
甲　
1
2
3
4
2. 測(cè)繪小燈泡的I－U圖像來研究小燈泡的電阻隨電壓變化的規(guī)律，所用的器材有：
待測(cè)小燈泡一只，額定電壓為2.5 V，電阻小于10 Ω；
量程為0～3 V，內(nèi)阻約為3 kΩ的電壓表一個(gè)；
量程為0～0.6 A，內(nèi)阻約為0.1 Ω的電流表一個(gè)；
干電池兩節(jié)，滑動(dòng)變阻器一個(gè)，開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干。
圖甲是實(shí)驗(yàn)過程中隨機(jī)抽取的電壓表示數(shù)；圖乙是不完整的電路圖；
圖丙是實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，描繪出的小燈泡的I－U圖像。
完成下列問題：
（1）對(duì)本實(shí)驗(yàn)，甲圖電壓表的讀數(shù)為 V；
解析：（1）甲圖電壓表量程為0～3 V，分度值為0.1 V，讀數(shù)為1.20 V。
1.20　
1
2
3
4
（2）在乙圖中補(bǔ)全實(shí)驗(yàn)電路圖；
答案：（2）圖見解析
可得電壓表內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小燈泡內(nèi)阻，所以此時(shí)電流表采用外接法誤差較小，實(shí)驗(yàn)電 路圖如下。
1
2
3
4
（3）通過實(shí)驗(yàn)作出的小燈泡I－U圖像可知，小燈泡正常工作時(shí)的電阻為 Ω （保留兩位有效數(shù)字）。
5.7　
1
2
3
4
[能力提升]
3. 某同學(xué)研究小燈泡的伏安特性，實(shí)驗(yàn)室提供的器材有：小燈泡（額定電壓為3 V， 額定功率為0.5 W）、直流電源（電動(dòng)勢(shì)為9 V）、滑動(dòng)變阻器、電壓表（量程為0～4 V，內(nèi)阻約為3 kΩ）、電流表（量程為0～200 mA，內(nèi)阻約為4 Ω）、開關(guān)和導(dǎo)線若 干。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中他采用了兩種方式分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
（1）如圖甲所示，如果電壓表的另一個(gè)接線柱選擇接在b點(diǎn)，在圖乙中完成對(duì)應(yīng)的實(shí) 物圖連線。
答案：（1）圖見解析
解析：（1）實(shí)物連線如圖所示。
1
2
3
4
Ⅰ　
16　
1
2
3
4
案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，伏安特性曲線 　　（填“Ⅰ”或“Ⅱ”）更接近小
燈泡的真實(shí)情況。
1
2
3
4
Ⅰ
4. 為研究一額定電壓為2.5 V、額定功率為1.0 W的小燈泡的伏安特性，某同學(xué)利用 實(shí)驗(yàn)室提供的器材進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)：
電池組（電動(dòng)勢(shì)為E＝3 V，內(nèi)阻為r＝1 Ω）；
多用電表（可測(cè)電壓、電流和電阻）；
電流表A1（量程為0～500 mA，內(nèi)阻約為0.5 Ω）；
電流表A2（量程為0～3 mA，內(nèi)阻未知）；
電阻箱R（阻值范圍為0～9 999.9 Ω）；
滑動(dòng)變阻器R'（阻值范圍為0～10 Ω）；
開關(guān)一個(gè)，導(dǎo)線若干。
1
2
3
4
（1）用多用電表的歐姆擋測(cè)定電流表A2的內(nèi)阻。若將選擇倍率的旋鈕撥至“×1 Ω” 擋，測(cè)量時(shí)指針如圖甲所示，則電流表A2的內(nèi)阻為rA2＝ （保留兩位有效數(shù) 字）。
解析：（1）由圖甲可讀出電流表A的內(nèi)阻為rA2＝15 Ω。
15　
1
2
3
4
（2）將（1）中測(cè)量好內(nèi)阻的電流表A2改裝成量程為0～3 V的電壓表，具體操作為： 將電阻箱R與電流表A2串聯(lián)，調(diào)節(jié)電阻箱R使其阻值為 Ω。
985　
1
2
3
4
（3）該同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖乙、丙所示的兩種電路， （填“圖乙”或“圖 丙”）所示電路實(shí)驗(yàn)誤差相對(duì)較小。
圖丙　
1
2
3
4
（4）根據(jù)所選電路，利用測(cè)得的多組數(shù)據(jù)，在如圖丁所示的小燈泡的I2－I1坐標(biāo)圖中 確定出多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置（圖中橫軸I1為電流表A1的示數(shù)值，可直接反映通過小燈泡 的電流，縱軸I2為電流表A2的示數(shù)值，可間接反映小燈泡兩端的電壓）。
①在圖丁中作出小燈泡的I2－I1圖線；
答案：（4）①圖見解析
解析：（4）根據(jù)坐標(biāo)系內(nèi)描出的點(diǎn)作出圖線如圖所示。
結(jié)合圖像斜率進(jìn)行分析，小燈泡兩端的電壓增大時(shí)，小燈 泡的電阻增大。
②由圖線可知，隨著小燈泡兩端的電壓增大，小燈泡的電阻 （填“增 大”“減小”或“不變”）。
增大　
1
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