中學(xué)課本描繪小燈泡伏安特性曲線的改進(jìn)試驗-2019年文檔

1、中學(xué)課本描繪小燈泡伏安特性曲線的改進(jìn)試驗一、實驗背景中學(xué)課本中有一個學(xué)生實驗描繪小燈泡的伏安特性曲線，通過改變滑片P的位置，來測出多組 U-I的數(shù)據(jù)，再建立一個 U-I坐標(biāo)系， 通過描點繪得一條曲線，即得到小燈泡的伏安特性曲線。課本中采用了電流表外接的電路圖，由于實際操作中電壓表 的電阻無法被看做無限大， 所以讀出的電流會偏大；如果采用電 流表內(nèi)接法，由于電流表也具有一定的內(nèi)阻，所以測得的電壓也 會偏大。因此，直接采用表中讀出的值來進(jìn)行繪圖，會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。改進(jìn)實驗，意在使用同樣簡單的中學(xué)電學(xué)實驗器材， 消除電流表外 接時電壓表分流亦或是電流表內(nèi)接時電流表分壓所造成 的系統(tǒng)誤差， 使 得電流表

2、和電壓表的示數(shù)， 都為小燈泡電流和電 壓的準(zhǔn)確值。二、試驗器材待測小燈泡；開關(guān)三個；定值電阻 R （1歐左右）；滑動變 阻器四 個；相同規(guī)格3V電源兩個；電流表一只（量程 0.6A ）;電壓表一只 （量程3V）;靈敏電流計一只（量程約為 0.1mA左 右）；導(dǎo)線若干電源 （6V）三、方案一（一）設(shè)計思路由于電流表內(nèi)接法中電壓表的誤差是由于電流表上有電壓降造成的，所以我們可以與電流表串聯(lián)一個電源，使其可以抵消 電流表電壓降，達(dá)到實驗?zāi)康?。（二）實驗步驟1.按照電路圖正確連接電路2,將R1的滑片P1置于B端，R2的滑片置于D端，R3位于D 端，R4位于H端。之后依次閉合開關(guān) S1、S2、S3。3.

3、滑動P1，以調(diào)整R1接入阻值至一恰當(dāng)值，再通過調(diào)整P2使得靈敏電流計的示數(shù)盡量小，然后調(diào)整R4使得G表示數(shù)為0,再在靈敏電流計的示數(shù)不超過量程的前提下，減小R3接入阻值，并繼續(xù)通過調(diào)整 R4阻值使G表示數(shù)至0,最終直到G表示數(shù)為0 , R3接 入阻值也為0時，讀取并記錄一組電壓表與電流表示數(shù)U1。4.重復(fù)步驟3,記錄得到多組 U-I的值。5,建立一個平面直角坐標(biāo)系，縱坐標(biāo)表示電流I ,橫坐標(biāo)表示電壓U,根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)描點，并用平滑曲線連接，便得到小燈的伏安特性曲線。（三）實驗原理改進(jìn)后的電路中，當(dāng)靈敏電流計的示數(shù)為 0時，a、b兩點 之間的電壓為零，即a點與b電勢相等。如果用等效的思想來看，

4、由于a、b兩點電勢相等，可以把a(bǔ)、b兩點視為同一個點，所以在研究電壓表時，可以視為其接在燈泡的兩端（如圖2）,所以 測量值是準(zhǔn)確等于小燈泡兩端的電壓的。對于電流表，由于ab支路電流為0,所以流過電流表的電流全部來自于流過小燈泡的電流，測量值自然也是準(zhǔn)確的。從實質(zhì)上來看， 電流表上有電勢降低， 那么我們就用一個電 源來補(bǔ) 充這個降低， 在b到a的右支路上， 電勢經(jīng)過電源先增加 一個電壓，經(jīng) 過電流表和調(diào)整后的滑動變阻器后又剛好降低一個相等的電壓，因此可以得到a、b兩點電勢相等的結(jié)果。其中 a到b支路的唯一作用，就是保 證a、b兩點具有相同的電勢，由 于？ a= ? b ,進(jìn)而有Uca=Ucd 所

5、以 電壓表的測量值就等于燈泡 兩端電壓了， 而通過電流表的電流全部來自 于流過小燈泡支路的 電流，因此達(dá)到了兩電表示數(shù)都準(zhǔn)確的目的。（四）注意事項1. 靈敏電流計最好選擇靈敏度高（量程?。?、電流方向為正 負(fù)都可以測量的電表，前者是為了保證試驗中Uab的準(zhǔn)確性，后者是為了避免燒壞電表。2. R1的最大阻值應(yīng)大于小燈泡的阻值，一般選擇最大電阻為數(shù)10Q的滑動變阻器即可。3. R2的選擇應(yīng)考慮電源 E2的情況，在選擇與 E1規(guī)格相同 的電源 作為E2的情況下，R4的最大阻值應(yīng)略大于 R1的最大阻值。4. R4是調(diào)整a、b間電勢相等的關(guān)鍵電阻，所以為了保證調(diào) 整a、b間電勢時的靈敏度，應(yīng)選擇量程較?。?/p>

6、約為幾Q）且靈敏度較低的滑動變阻器。5. R2、R4可以充當(dāng)一個電阻，但將它們分開是應(yīng)為各自有不同的作用，由于b點的電勢等于E1減去R1上的電壓降，a點的電勢等于E2減去一個支路b到a上總電阻的電壓降，所以需 要一個和R1同樣的一個 可以變化的R2來保證兩支路的電阻是差 不多的，又由于電流表上分的 電壓比較小， 我們需要一個很小的 調(diào)控靈敏度又很高的 R4來保證a、b 兩點電勢相等的準(zhǔn)確性。6,由于R3的作用是保護(hù)靈敏電流計，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)靈敏電流計的量程來進(jìn)行選擇， 一般在選擇零點幾毫安量程的靈敏電流 計時，R3的最 大阻值應(yīng)為數(shù)k Q左右。（五）實際操作1,為了防止靈敏電流計被燒壞，需要在實

7、驗開始時將滑片P3滑到F端，而且必須在S1、S2都閉合的情況下才能閉合 S3;在實驗過程中調(diào)整R1阻值時，應(yīng)注意靈敏電流計的示數(shù)情況，若產(chǎn)生了明顯的偏轉(zhuǎn)幅度，就因先將R3向F端滑動，避免電流過大燒壞電表，之后再調(diào)整 R4使靈敏電流計電阻重新變?yōu)?0。2,憑靈敏電流計示數(shù)為零判定 a、b兩點電勢相等，必須建 立在R3接入電阻為零的前提之下，調(diào)整 P2使指針指向0刻線之后，就可以減小R3接入阻值，若發(fā)現(xiàn)靈敏電流計又出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)幅度，則應(yīng)再次調(diào)整R4位置使靈敏電流計示數(shù)再次為 0,重復(fù)該過程直到R3接入阻值為0,靈敏電流計示數(shù)也為0,就可以讀取一組U-I的值了3,若靈敏電流計顯示的電流方向為 a到b,則

8、應(yīng)增大R4接入阻值， 若顯示方向為b到a,則應(yīng)減小R4接入阻值。4, 操作過程中同樣應(yīng)注意電流表和電壓表不要超出量程。四、方案二（一） 設(shè)計思路 該實驗的初期想法是用兩個回路兩個電源 ，一個并 聯(lián)電壓表，另一個串聯(lián)電流表，在保證電壓表兩端與小燈泡兩端電壓相 等的時候， 就可以達(dá)到兩電表都是準(zhǔn)確的目的。但由于調(diào)試過程過于復(fù)雜，于是將兩個回路并聯(lián)在一個電源上，得到了本實驗中的電路圖，該實驗電路圖具有操作簡便、實驗器材簡單、實驗過程簡易可行的優(yōu)點。（二）實驗步驟1 .按照電路圖3正確連接電路；2?將R1滑到E端，P3滑到A端， 閉合S1 ; 3.滑動P1，調(diào)整R1到一適宜值，然后滑動 P2,使靈敏電

9、流計示 數(shù)為0,然后減小R3接入阻值，若減小過程中 靈敏電流計出現(xiàn)明顯偏轉(zhuǎn)， 則需要再次調(diào)整P2位置，使靈敏電流計示數(shù)為0,直到R3接入阻值為0,靈敏電流計示數(shù)也為0的時候，讀取 并記錄電流表和電壓表的值。；4.重復(fù)步驟3,得到 多組U-I的值；5.建立一個平面直角坐標(biāo)系，縱軸表示電流I ,橫軸表示電壓U,根據(jù)實驗所得 數(shù)據(jù)描點，并用平滑曲線連接，得到小燈泡的伏安特性曲線。（三）實驗原理 同樣可以用電勢相等的點可以等效的思想來研究電 路，當(dāng)靈 敏電流計示數(shù)為0、R3接入阻值為0時，可以判定a、b兩點 電勢相等，就可以認(rèn)為電流表是直接接在小燈泡兩端；同時，通過 電流 表的電流全部來自于流過小燈泡

10、的電流，因此小燈泡的示數(shù) 也是準(zhǔn)確的。實際上由于ab支路沒有電流，所以ab支路的作用僅僅是保 證a、b兩點的電勢相等，在a、b電勢相等的情況下，即使去掉 a、b支路對 電路也不會有影響，所以說在去掉ab支路的情況下研究該電路，實質(zhì)上就是運(yùn)用了兩個回路分別測電流表和電壓表的示數(shù)，使其互不影響。電流表與小燈泡位于同一支路，因此示數(shù)準(zhǔn)確；電壓表實際測的是滑動變阻器 c點到滑片之間的電壓，但存在滑動變阻器滑片左邊電阻比右邊電阻等于小燈泡電阻比電流表與定值電阻阻值之和時，就會有？ a= ? b ,進(jìn)而有Uca=Ucb，這時電壓表測得的電壓就與小燈泡兩端電壓相等了。（四）注意事項1 .R1起到控制小燈泡兩

11、端電源的作用，應(yīng)盡量小，約幾Q。2. R2起到調(diào)整a、b間電勢或者說電壓表示數(shù)的作用，因為調(diào)整的目標(biāo)是使滑片左邊電阻比右邊電阻，等于小燈泡電阻比電流表 與定值電阻阻值之和，所以應(yīng)選擇電阻線圈盡量長的滑動變阻器，其最大阻值不會有太大影響，但選擇阻值比較大的滑動變阻器可以起到保護(hù)靈敏電流計和方 便R1調(diào)整的作用。3.R3起到保護(hù)靈敏電流計的作用，其最大阻值約為幾kQo 4.由于電流表阻值較小，所以如果僅有一電流表與燈泡串聯(lián)，兩者電阻差距太大，會導(dǎo)致R2調(diào)試?yán)щy，例如假設(shè)小燈泡的電阻是電流表的50倍，那么調(diào)整后R2滑片的位置及其靠近電阻線圈的一端，而且調(diào)整精度要求過高，因此難以操作所以與電流表串聯(lián)一個與小燈泡阻值差不多的定值電阻R,保證a、b電勢相等時R2滑片位于電阻 線圈中部， 保證了實驗的 可行性。5.靈敏電流計應(yīng)當(dāng)選擇兩個方 向電流都可以測量的，避免其被 燒壞。6.為保證實驗準(zhǔn)確性，判 定a、b兩點電勢相等時R3接入阻值應(yīng) 為0。7.若實驗過程中G表偏轉(zhuǎn)角度過大，就應(yīng)先增大 R3阻值再調(diào)整 R2,避免燒壞靈敏 電流計。8.若靈敏電流計顯示的電流方向為 a到b,則 P2應(yīng)向C端滑動；若為b至ij a,則P2應(yīng)向D端滑動。五、誤差分析在方案一中，電