2025年高一物理下學(xué)期實(shí)驗(yàn)：描繪小燈泡的伏安特性曲線一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)旨在通過(guò)測(cè)量小燈泡在不同電壓下的電流值，繪制其伏安特性曲線（I-U圖像），探究燈絲電阻隨電壓變化的規(guī)律，并理解金屬導(dǎo)體電阻隨溫度升高而增大的物理本質(zhì)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生需掌握以下核心技能：正確連接分壓式電路以實(shí)現(xiàn)電壓從零開(kāi)始連續(xù)調(diào)節(jié)；規(guī)范使用電壓表、電流表等基本電學(xué)儀器；學(xué)會(huì)用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能對(duì)比分析小燈泡與定值電阻伏安特性的差異。二、實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)是歐姆定律（I=U/R），但需特別注意小燈泡的非線性特性。由于燈絲材料（鎢絲）的電阻率隨溫度升高顯著增大，其電阻值并非恒定值，因此伏安特性曲線（I-U圖像）不是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。通過(guò)測(cè)量多組電壓U和對(duì)應(yīng)電流I的數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)系中描點(diǎn)連線后，可直觀觀察到曲線斜率（1/R）隨電壓增大而逐漸減小，這反映了燈絲電阻隨溫度升高而增大的過(guò)程。電路設(shè)計(jì)需滿足兩個(gè)關(guān)鍵要求：一是電壓需從零開(kāi)始連續(xù)可調(diào)，故滑動(dòng)變阻器必須采用分壓式接法；二是因小燈泡電阻較小（通常為幾歐到幾十歐），電流表應(yīng)采用外接法以減小系統(tǒng)誤差。分壓式電路通過(guò)將滑動(dòng)變阻器的全部電阻接入電路，利用滑片位置變化改變并聯(lián)部分電壓，從而實(shí)現(xiàn)待測(cè)元件兩端電壓的大范圍調(diào)節(jié)；電流表外接法則可避免因電流表內(nèi)阻分壓導(dǎo)致的電壓測(cè)量誤差。三、實(shí)驗(yàn)器材（一）基礎(chǔ)器材清單小燈泡：規(guī)格通常為“2.5V，0.75W”（額定電流0.3A），燈絲冷態(tài)電阻約2Ω，熱態(tài)電阻約8Ω電表：電壓表（量程3V，內(nèi)阻約3kΩ）、電流表（量程0.6A，內(nèi)阻約0.1Ω）滑動(dòng)變阻器：總阻值20Ω，允許通過(guò)最大電流1A（分壓式接法需較小阻值）電源：直流電源（輸出電壓4V，如兩節(jié)干電池串聯(lián)或?qū)W生電源）輔助器材：?jiǎn)蔚堕_(kāi)關(guān)1個(gè)、導(dǎo)線若干（建議15cm短導(dǎo)線8-10根）、坐標(biāo)紙（10cm×10cm）、鉛筆（2B/HB各1支）、毫米刻度尺（二）器材選擇依據(jù)電表量程選擇需滿足“指針偏轉(zhuǎn)大于滿刻度1/3”原則：電壓表選3V量程（額定電壓2.5V對(duì)應(yīng)指針偏轉(zhuǎn)83%），電流表選0.6A量程（額定電流0.3A對(duì)應(yīng)指針偏轉(zhuǎn)50%）。滑動(dòng)變阻器阻值需遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻最大值（20Ω<<8Ω不成立，此處應(yīng)理解為分壓式接法需較小阻值以實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)），電源電壓需高于額定電壓20%-30%以確保數(shù)據(jù)覆蓋完整。四、實(shí)驗(yàn)步驟（一）電路連接（關(guān)鍵操作）分壓式電路構(gòu)建：將滑動(dòng)變阻器固定端A、B接入電源正負(fù)極（A接正極，B接負(fù)極）滑片P與B端的金屬桿相連，構(gòu)成并聯(lián)分壓支路小燈泡與電流表串聯(lián)后并聯(lián)在PB兩端，電壓表并聯(lián)在小燈泡兩端開(kāi)關(guān)串聯(lián)在干路中，連接時(shí)保持?jǐn)嚅_(kāi)狀態(tài)，滑片置于B端（電壓為零位置）檢查要點(diǎn)：電表正負(fù)極性：電流從電壓表“+”接線柱流入，從“-”流出量程匹配：確認(rèn)電壓表接“3V”接線柱，電流表接“0.6A”接線柱滑動(dòng)變阻器初始狀態(tài)：滑片應(yīng)置于使小燈泡兩端電壓為零的位置（B端）（二）數(shù)據(jù)采集與記錄試觸操作：閉合開(kāi)關(guān)瞬間迅速斷開(kāi)，觀察電表指針偏轉(zhuǎn)方向和幅度，確認(rèn)電路無(wú)誤后正式開(kāi)始測(cè)量。電壓調(diào)節(jié)策略：從0V開(kāi)始，每間隔0.2V記錄一組數(shù)據(jù)，直至電壓達(dá)到額定電壓的1.2倍（約3V）特別在0-0.5V區(qū)間加密測(cè)量（如0.1V間隔），以捕捉曲線初始段變化規(guī)律額定電壓附近（2.3-2.7V）緩慢調(diào)節(jié)，避免超過(guò)額定值導(dǎo)致燈絲燒毀數(shù)據(jù)記錄規(guī)范：設(shè)計(jì)表格記錄12組數(shù)據(jù)，包含電壓U（精確到0.01V）、電流I（精確到0.01A）、即時(shí)電阻R=U/I（保留兩位小數(shù)）：序號(hào)電壓U/V電流I/A電阻R/Ω燈絲狀態(tài)描述10.000.00——不發(fā)光20.200.121.67微亮，燈絲呈暗紅色...............123.000.329.38強(qiáng)光，燈絲呈亮白色（三）安全操作注意事項(xiàng)禁止將電壓調(diào)至3.5V以上（超過(guò)額定值40%易燒毀燈絲）每次讀數(shù)時(shí)間不超過(guò)5秒，避免長(zhǎng)時(shí)間通電導(dǎo)致燈絲溫度異常升高若發(fā)現(xiàn)電表指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)，立即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)調(diào)換接線柱五、數(shù)據(jù)處理與圖像繪制（一）坐標(biāo)系建立規(guī)范坐標(biāo)軸標(biāo)度：橫軸U（0-3.2V），每小格代表0.1V；縱軸I（0-0.4A），每小格代表0.02A原點(diǎn)選擇：坐標(biāo)原點(diǎn)為（0,0），橫軸從0開(kāi)始標(biāo)注，避免截?cái)囡@示單位標(biāo)注：橫軸注明“U/V”，縱軸注明“I/A”，標(biāo)題為“小燈泡伏安特性曲線”（二）描點(diǎn)與連線技巧用“×”符號(hào)標(biāo)記數(shù)據(jù)點(diǎn)（中心對(duì)準(zhǔn)坐標(biāo)交叉點(diǎn)，符號(hào)大小不超過(guò)1mm）連線原則：采用平滑曲線連接，不強(qiáng)行通過(guò)所有點(diǎn)偏離曲線較遠(yuǎn)的異常點(diǎn)（如某次讀數(shù)誤差）應(yīng)舍棄曲線延伸至原點(diǎn)（0,0），體現(xiàn)電壓為零時(shí)電流為零的規(guī)律（三）圖像分析要點(diǎn)曲線特征：初始段（0-0.5V）：近似直線，斜率較大（電阻約1.5-2Ω），對(duì)應(yīng)燈絲溫度接近室溫線性段（0.5-2.0V）：曲線逐漸彎曲，斜率減小（電阻2-6Ω），燈絲溫度約500-1500K飽和段（2.0-3.0V）：曲線明顯彎曲，斜率急劇減?。娮?-10Ω），燈絲溫度達(dá)2000K以上（鎢的熔點(diǎn)3422℃）電阻計(jì)算：在額定電壓2.5V處作切線，切線斜率的倒數(shù)即為動(dòng)態(tài)電阻（R=ΔU/ΔI≈8.3Ω），與靜態(tài)電阻（U/I=8.3Ω）相等，驗(yàn)證歐姆定律在瞬時(shí)狀態(tài)的適用性。六、誤差分析（一）系統(tǒng)誤差來(lái)源及影響電表內(nèi)阻影響：電流表外接法導(dǎo)致電流測(cè)量值偏大（IV=IR+IVg），當(dāng)U=2.5V時(shí)，電壓表分流約0.0008A（IV=U/RV=2.5V/3kΩ），相對(duì)誤差0.27%，可忽略電壓表內(nèi)阻分流公式：δI=IV/IR=RV/(RV+RA+RL)≈0.03%（RL=8Ω時(shí)）儀器精度限制：電壓表最小分度0.1V，估讀誤差±0.02V，相對(duì)誤差0.8%（2.5V時(shí)）電流表最小分度0.02A，估讀誤差±0.002A，相對(duì)誤差0.67%（0.3A時(shí)）（二）偶然誤差控制方法讀數(shù)技巧：視線與表盤(pán)垂直，采用“鏡像法”消除視差（指針與鏡像重合時(shí)讀數(shù)）數(shù)據(jù)重復(fù)測(cè)量：對(duì)0.5V、1.5V、2.5V三個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行3次測(cè)量，取平均值作圖規(guī)范：使用坐標(biāo)紙網(wǎng)格線對(duì)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，曲線繪制用曲線板輔助（三）典型誤差案例分析曲線彎曲異常：若0-1V段出現(xiàn)下凹，可能是電流表內(nèi)接導(dǎo)致（測(cè)量電阻偏大）數(shù)據(jù)點(diǎn)離散：若相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離曲線超過(guò)0.05A，需檢查電路接觸是否良好（如導(dǎo)線接頭氧化）七、注意事項(xiàng)與問(wèn)題討論（一）實(shí)驗(yàn)操作禁忌嚴(yán)禁不接滑動(dòng)變阻器直接將小燈泡接電源（會(huì)導(dǎo)致電流超過(guò)0.5A燒毀燈絲）分壓式電路中，滑動(dòng)變阻器的A、B端不能直接接電源正負(fù)極（應(yīng)通過(guò)開(kāi)關(guān)控制）坐標(biāo)紙繪制時(shí)不得使用直尺連接成折線（伏安特性曲線必須平滑）（二）常見(jiàn)故障排查電表無(wú)示數(shù)：檢查開(kāi)關(guān)是否閉合、滑動(dòng)變阻器是否短路（用多用電表電阻擋檢測(cè)）電壓無(wú)法調(diào)零：滑片P與金屬桿接觸不良（用砂紙打磨滑片）指針?lè)聪蚱D(zhuǎn)：電表正負(fù)極接反（交換接線柱即可）（三）拓展探究方向溫度特性研究：用紅外測(cè)溫儀測(cè)量不同電壓下燈絲溫度，繪制R-T曲線（預(yù)期呈指數(shù)關(guān)系）對(duì)比實(shí)驗(yàn)：用定值電阻（10Ω）替換小燈泡，繪制線性伏安特性曲線，比較斜率差異電路改進(jìn)：采用“電流表內(nèi)接+