小灯泡的伏安特性曲线全解

探究小灯泡的伏安特性曲线
实验目的：
描绘小灯泡的伏安特性曲线（I-U曲线），探究小灯泡的电阻变化规律。

实验原理：
由于小灯泡钨丝的电阻随温度而变化，因此可利用它的这种特性进行伏安特性研究。

实验中小灯泡的电阻等于灯泡两端的电压与通过灯泡电流的比值。

改变小灯泡两端的电压，测出相应的电流值，可以得到小灯泡的电阻、电流与外加电压的关系。

实验器材：
电池、滑动变阻器、小灯泡、电压表、电流表、开关、导线若干
实验步骤：
1.连接实验实验电路
2.把滑动变阻器的滑片调节到图中最左端，接线经检查无误后，闭合开关S。

4. 拆除电路，整理仪器。

数据处理：（画出伏安特性曲线）
1.在坐标纸上以U为横轴，I为纵轴，建立坐标系。

2.在坐标纸上描出各组数据所对应的点。

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。

实验结论：
I-U曲线不是一条过原点的直线，小灯泡的电阻是随着电压的升高而逐渐增大的。

受电阻变化的影响，所以电流与电压的变化不是线性关系，I-U曲线不是一条过原点的直线。

实验一：测量小灯泡的伏安特性曲线一、实验原理根据伏安法测电阻，测出多组U-I值，然后做出U-I图像。

线性元件的伏安特性曲线是一条过原点的直线，图像的斜率是线性元件的电阻；非线性元件的伏安特性曲线是一条曲线。

二、实验的考察层次层次1：仪器的读数（电压表和电流表的读数）层次2：实验电路图。

滑动变阻器采用分压接法，电流表采用外接法。

层次3：仪器的选择：滑动变阻器选小电阻。

层次4：数据处理。

设计坐标，做U-I图像，或者I-U图像，计算电阻。

层次5：电表量程不够时需要改装电表（改装电压表所需的电阻与电压表内阻几乎相当，改装电流表所需的电阻与电流表内阻几乎相当）【2016 天津与2012 四川相似度很高】三、高考题呈现的特点1.主要考察了电路图的分压接法电路图及实物图的连接。

2.仪器的选择问题，滑动变阻器的选择【电压表根据小灯泡的额定电压选择，电流表根据小灯泡的额定电流选择，滑动变阻器选小电阻】3.内外接法的误差分析4.根据测出的数据做U-I图像（注意图像都是曲线）【典型立体剖析】考点1：实验原理和仪器选择★★[例1]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“3.8 V0.3 A”B．电流表：量程0～0.6 A，内阻约为0.5 ΩC．电流表：量程0～3 A，内阻约为0.1 ΩD．电压表：量程0～5 V，内阻约为5 kΩE．滑动变阻器：阻值范围0～10 Ω，额定电流2 AF．电池组：电动势6 V，内阻约为1 ΩG．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3.8 V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，将如图所示的器材连成实物电路．答案(1)B(2)见解读图解读(1)因小灯泡的额定电流为0.3 A，为减小读数误差，应让指针偏角大一些，故电流表选B.(2)由电流表外接和滑动变阻器采用分压式接法知，电路图如图甲所示，由电路图连接的实物电路如图乙所示．★★[例2]有一个小灯泡标有“4 V 2 W”的字样，现在要用伏安法描绘这个灯泡的I－U图线．现有下列器材供选择：A．电压表(0～5 V，内阻10 kΩ)B．电压表(0～15 V，内阻20 kΩ)C．电流表(0～3 A，内阻1 Ω)D．电流表(0～0.6 A，内阻0.4 Ω)E．滑动变阻器(10 Ω，2 A)F．滑动变阻器(500 Ω，1 A)G．学生电源(直流6 V)、开关、导线若干(1)实验时，选用图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用________，电流表应选用________，滑动变阻器应选用________．(用序号字母表示)．(3)把图中所示的实验器材用实线连接成实物电路图．解读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，故采用如图甲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4 V，则电压表选0～5 V的A而舍弃0～15 V的B，小灯泡的额定电流I＝0.5 A，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8 Ω，调节不方便，故舍去．小灯泡内阻为电流表内阻的80.4＝20倍，电压表内阻是小灯泡的10×1038＝1 250倍，故电流表采用了外接法．答案(1)描绘小灯泡的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．考点2：数据处理及误差分析★★★【例3】图中所示器材为某同学测绘额定电压为2.5V的小灯泡的I-U特性曲线的实验器材．（1）根据实验原理，用笔画线代替导线，将图1中的实验电路图连接完整．（2）开关S闭合之前，图1中滑动变阻器的滑片应该置于_____端．（选填“A端”、“B端”或“AB中间”）（3）实验中测得有关数据如下表：根据表中的实验数据，在图2中画出小灯泡的I-U特性曲线．【说明】：1.实验原理图2.数据描点，画图★★【例4】用如图甲所示的器材做“描绘小灯泡的伏安特性曲线”实验．小灯泡标有“6 V 3 W”的字样，铅蓄电池的电动势为8 V，滑动变阻器有两种规格：R1标有“5 Ω2 A”，R2标有“100 Ω20 mA”．各电表的量程如图甲所示．测量时要求小灯泡两端的电压从零开始，并测多组数据．(1)滑动变阻器应选用__________；分压接法选小电阻(2)用笔画线代替导线，把图甲中的实物连成实验电路(有部分连线已接好)；(3)测量时电压表示数如图乙所示，则U＝________ V；(4)某同学根据实验测量得到的数据，作出了如图丙所示的I－U图像．分析图像不是直线的原因：________________________________________________________________________________________________________________________________________________.答案(1)R1(2)实验电路如图所示(3)4.0(4)小灯泡两端的电压逐渐增大时，灯丝温度升高，灯丝的电阻(或电阻率)变大解读(1)由于电压要从零开始调节，所以滑动变阻器应采用分压式接法，如果选用R2，滑动变阻器中的电流会超过20 mA，故选R1.(2)实验电路中电流表外接，滑动变阻器采用分压式接法．(4)小灯泡两端的电压逐渐增大时，灯丝温度升高，灯丝的电阻(或电阻率)变大．【高考题赏析】1.★【2009 天津 3 6】为探究小灯泡L的伏安特性，连好如图甲所示的电路后闭合开关，通过移动变阻器的滑片，使小灯泡中的电流由零开始逐渐增大，直到小灯泡正常发光。

关于小灯泡伏安特性曲线的一些宏观及微观解释对于一般人来说小灯泡的伏安特性曲线并不陌生，对于高考来说也是司空见惯。

但对于其伏安特性曲线的解释却少有听闻。

作者查阅了很多文献，对于小灯泡伏安特性成曲线的成因的探究却是屈指可数。

对于其微观解释更是少见，这里作者将从经典金属电子联系微观及宏观讲述自己的一些想法和观点。

标签：微观；宏观；特性曲线1进行实验得到小灯泡的伏安特性曲线表1 小灯泡的电压及电流记录把所得的数据用excel绘制成图像，我们得到了小灯泡的伏安特性曲线如图1 所示。

从这张图我们可以看出小灯泡的电阻呈现出不断变小的趋势。

但总的来说，其变化最为明显的还是在0.150V～0.800V时。

在大于0.800V和小于0.150V 时基本符合线性。

那么为什么会产生这种现象呢？图1 小灯炮的伏安特性曲线2 金属的电阻变化实验表明，导体的电阻与其材料、形状、长短、粗细及温度有很大的关系。

因为平常我们所用的灯丝我们一般认为是柱状的均匀的所以我们列出下式：R=ρ（L/S）其中，S 是导体的横截面积；L 是导体的长度；ρ是与导体的材料及温度有关的量，叫导体的电阻率。

这里灯丝的电阻和欧姆定律可以用经典金属电子论解释。

其假设电子像理想气体一样，它的运动遵守牛顿力学定律，并且忽略自由电子间的相互作用，而自由电子与正离子间的相互作用，仅在碰撞时才考虑。

当然现实生活中自由电子是有热运动的，但因其的无规则性所以我们认为其宏观电流密度处处为零。

当灯丝加上电压时，其内部存在电场，这时自由电子便有特殊的定向运动，电子的定向平均速度决定了电流密度大小。

自由电子与金属原子碰撞，没有电场时，电子每次碰撞后以某一热运动初速度做匀速直线运动直至下次碰撞；电场存在时，电子在两次碰撞之间作初速度为零的匀加速成直线运动，其加速度其中，m 是电子的质量，设两次碰撞之间的平均自由程为■。

由于热运动平均速率■远大于定向运动速率■，故：在金属内部与垂直的方向上取一个面积为ΔS 的面元，以它为底，■为高作一个柱体，设单位体积内的自由电子数n。

小灯泡的伏安特性曲线
小灯泡的伏安特性曲线是用來描述小灯泡特定工作條件下的特性的一種曲線，也即為小灯泡的電流-電壓的數學表示。

對於小灯泡的伏安特性曲线有兩個主要特征：線性特性和非線性特性。

當電壓大於電流時，小灯泡的伏安特性曲线呈線性，這表明小灯泡能充分地達到所需的輸入電壓和輸出電流。

当電壓小於電流時，小灯泡的伏安特性曲线呈著非線性，這表明電壓不足以提供足夠的電流，使小灯泡達到所需的功率級別，此時小灯泡將無法工作正常。

小灯泡的伏安特性受到許多因素的影響，這些因素各自可能對小灯泡的特性造成正或負的影響。

例如，溫度可影響小灯泡的伏安特性，當溫度升高時，小灯泡的伏安特性曲線將呈現出比一般更靠近線性的外觀，而當溫度降低時，小灯泡的伏安特性曲線則會變得更靠近非線性。

另外，時間也對小灯泡的伏安特性有影響。

由於小灯泡會因使用時間和次數而老化，因此其伏安特性會隨著時間而逐漸改變，尤其是在長時間工作時，小灯泡的伏安特性曲線會變成一條急劇低下的直線。

此外，小灯泡的材料也會影響它的伏安特性。

某種特定的材料可能具有更高或更低的電阻特性，以及更高或更低的耐久性。

在電路中，小灯泡的選擇對小灯泡伏安特性有重要影響，因此在選擇小灯泡時，必須對小灯泡材料及電路要求進行詳細分析，以確保小灯泡達到所需要的電流、電壓和功率要求。

描绘小灯泡伏安特性曲线—解析版1.〔2021全国理综I〕某同学探讨小灯泡的伏安特性，所运用的器材有：小灯泡L〔额定电压3.8V，额定电流0.32A〕：R〔阻值1000ΩΩ〕；电源E〔电动势5V，内阻不计〕；开关S；电压表V〔量程3V，内阻3kΩΩ〕;固定电阻导线假设干。

〔1〕试验要求能够实现在0~3V的范围内对小灯泡的电压进展测量，画出试验电路原理图。

〔2〕试验测得小灯泡伏安特性曲线如图〔a〕所示。

〔1〕由试验曲线可知，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〞〕。

EΩ〕和题给器材连接成图〔b〕所示的电路。

调整滑动变阻器R的阻值，可以变更小灯泡的〔2〕用另一电源实际功率。

闭合开关S，在R的变更范围内，小灯泡的最小功率为_____W，最大功率为_______W.〔结果均保存两位小数〕【参考答案】〔1〕电路如图〔2〕当滑动EΩ〕的伏安特性曲线，如图中曲线II所示，与小灯泡变阻器接入电路中的电阻为零时，在图〔a〕中画出电源伏安特性曲线的交点即为电路工作点，该点纵横坐标值的乘积等于小灯泡的最大功率，最大功率为P max=UI=3.62×0.318=1.17W。

2．〔2021广西五市考前联考〕在“描绘小灯泡的伏安特性曲线〞的试验中，需测量一个标有“3V ，1.5W 〞灯泡两端的电压和通过灯泡的电流，现有如下器材： 直流电源〔电动势3.0V ，内阻不计〕电流表1A 〔量程3A ，内阻约0.1Ω〕 电流表2A 〔量程600mA ，内阻约5Ω〕 电压表1V 〔量程3V ，内阻约3kΩ〕 电压表2V 〔量程15V ，内阻约200kΩ〕滑动变阻器1R 〔阻值0~10Ω，额定电流1A 〕 滑动变阻器2R 〔阻值0~1kΩ，额定电流300mA 〕〔1〕在该试验中，电流表应选择_________〔填“1A 〞或“2A 〞〕，电压表应选择________〔填“1V 〞或“2V 〞〕，滑动变阻器应选择________〔填“1R 〞或“2R 〞〕〔2〕某同学用导线a 、b 、c 、d 、e 、f 、g 和h 连接成如图甲所示的电路，假设用该电路测得灯泡的工作电压U 和电流I ，依据UR I计算此时灯泡的，那么灯泡电阻的测量值________真实值〔填“大于〞、“等于〞或“小于〞〕。