四個典型伏安特性圖象的動態(tài)顯示

1、四個典型伏安特性圖象的動態(tài)顯示徐海毅線性電阻、晶體二極管、電池和白熾燈泡的伏安特性圖象，是高二物理“恒定電流”一章的重要教學(xué)內(nèi)容。在常規(guī)教學(xué)中，我們?nèi)绻妹椟c作圖法獲得這四個靜態(tài)伏安特性圖象，不勝乏味。而利用示波器顯示富有動感的伏安特性圖象，對圖象所蘊(yùn)涵的物理規(guī)律作形象的動態(tài)追蹤，不僅能完善和拓展學(xué)生對伏安特性圖象物理意義的認(rèn)識，同時也充分展示了學(xué)科知識、技能的綜合應(yīng)用，豐富學(xué)生的閱歷。用示波器顯示圖象，實質(zhì)上是以熒光屏為“紙”、以受到控制信號調(diào)制的電子束為“筆”重復(fù)作圖。由于示波器是高內(nèi)阻儀器，不論其X軸輸入還是Y軸輸入，一般都不能直接串入待測電路測量電流。在顯示伏安特性圖象時，需要通過“取

2、樣”，把電路中的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，滿足待測電路和示波器正常工作需求。圖1是顯示線性電阻的伏安特性圖象時用的電流取樣電路。其中R是“待測電阻”，R0是“電流取樣”電阻。示波器Y軸輸入電壓Uy=IRR0，與通過R的電流IR成正比，Uy大小和極性可以表示通過電阻R的電流大小和方向，這就是“電流取樣”。電阻R0起了“電流傳感器”的作用。示波器X軸輸入電壓，當(dāng)R0阻值遠(yuǎn)小于R時，其大小和極性代表了電阻R兩端電壓的大小和極性，并且這種近似對顯示圖象無實質(zhì)性影響。一、顯示線性電阻的伏安特性圖象實驗電路如圖2 所示。圖中2V脈動直流可取自J1202型學(xué)生電源的“直流”輸出（不能使用平滑直流）。它的作用是

3、使通過待測電阻R的電流大小IR不斷地增大、減小，以每秒100次的速度重復(fù)變化，滿足示波器顯示連續(xù)圖象的要求?；瑒幼冏杵鳎?0）的作用是控制IR的變化幅度，可以手動改變屏幕上顯示的伏安特性圖象的長度。R先用100固定電阻，R0用10固定電阻。示波器X輸入置“外X”。接通2V脈動直流電源之前，先把滑片調(diào)到最下端，把光點調(diào)到屏幕中心，表示“坐標(biāo)原點”。演示可有如下四個內(nèi)容：. 接通2V脈動直流電源，把滑片緩慢向上調(diào)，示波器屏幕顯示一條自“原點”開始向右上方向伸展的、在“第一象限”的、傾斜的直線，這是電阻R的“正向”伏安特性圖象。. 把滑片緩慢調(diào)回到最下端，圖象隨之縮回到“原點”。對調(diào)2V脈動直流電源

4、極性后，再把滑片緩慢向上調(diào)，則見一條自“原點”開始向左下方向伸展的、在“第三象限”的、傾斜的直線，這是電阻R的“反向”伏安特性圖象。. 把滑片緩慢調(diào)回到最下端，圖象隨之縮回到“原點”。把2V脈動直流換成2V交流后，再把滑片緩慢向上調(diào)，則見一條自“原點”向第一、第三象限雙向伸展的對稱的傾斜直線，這是電阻R完整的雙向伏安特性圖象。. 把滑片緩慢調(diào)回到最下端，把R換成200變阻器，其阻值先調(diào)到100，把滑片緩慢向上調(diào)，使雙向伏安特性圖象長度合適。然后調(diào)節(jié)R的阻值，可見直線斜率隨R值減小（增大）而增大（減?。?。形象而又動態(tài)地說明了圖象斜率的物理意義。如圖3所示（其中坐標(biāo)軸是人為加進(jìn)去的，下同）。線性電

5、阻的伏安特性圖象是一條過原點并且貫穿一、三象限的直線。圖象的第三象限部分和第一象限部分具有同等重要的物理意義，是“線性”的基本體現(xiàn)。在用描點作圖法獲得靜態(tài)伏安特性圖象時，一般只測繪其“正向”部分，這是描點作圖法的局限，而且“不經(jīng)意”間向?qū)W生傳遞了對線性電阻的伏安特性圖象的不完整表達(dá)在絕大多數(shù)場合，包括課本、教輔書、各級各類試題、練習(xí)題，線性電阻的伏安特性圖象幾乎沒有例外地被繪制成過原點的僅在第一象限的直線。使用示波器顯示正向、反向、雙向伏安特性圖象，觀察圖象斜率隨R阻值變化的關(guān)系，比描點作圖要直觀、方便、快捷的多，也更加完整和嚴(yán)密。另外，屏幕上會隨著變阻器移動而“爬行”的圖象還令學(xué)生感到新奇，

6、提高學(xué)科學(xué)習(xí)興趣。二、顯示晶體二極管的伏安特性圖象晶體二極管是典型的非線性元件。教學(xué)中，晶體二極管的伏安特性圖象可作為線性電阻的伏安特性圖象的對比而給出。演示實驗教學(xué)的重點在于讓學(xué)生通過對比去理解什么是“線性”、什么是“非線性”。實驗電路同圖2，只需把圖2中的R換成虛線所示二極管（可以用普通發(fā)光二極管）、把R0換成100固定電阻即可。演示步驟上也是通過變換輸入電源，先演示正向特性，再演示反向特性，最后演示正、反雙向總特性。伏安特性圖象如圖4所示（為簡潔計，不給出“反向擊穿”段）。從圖4可以看出，晶體二極管伏安特性圖象的第一象限部分，不再是過原點的直線，并且正反向伏安特性不再對稱，這就是“非線性

7、”。圖象的第一象限部分，分段顯示出電阻極大（OA段）、電阻隨兩端電壓或通過的電流增大而快速減?。ˋB段）、電阻隨電壓或電流增大而相對緩慢減?。˙C段）的特性；第三象限部分實際上已與X軸重合，顯示出電阻極大的特性，即所謂二極管具有單向?qū)щ娦?。它的電阻不再跟它兩端的電壓或通過它的電流無關(guān)，通過它的電流不再與它兩端的電壓成正比。“線性”和“非線性”的對比一目了然。三、顯示電池的伏安特性圖象在中學(xué)階段，電池或電池組是最為常用的實驗電源。在教學(xué)中，我們通常理想化地認(rèn)為電池具有固定的電動勢和內(nèi)電阻r。在電路中，電池的輸出電壓（路端電壓）U與輸出電流I的關(guān)系為U=-Ir，其伏安特性圖象（又叫外特性圖象）如圖

8、5所示。在用示波器顯示電池的伏安特性圖象時，需使電源的輸出電流自動地由小到大、由大到小快速變化，為此設(shè)計了圖6演示實驗電路。圖6中的R0 （100）為電流取樣電阻，R（200）是為增大電源內(nèi)阻、使圖象斜率大些以便于顯示而人為串入的，可等效為電源內(nèi)阻的一部分。大虛線框內(nèi)電路的作用，是使電源的輸出電流自動地由小到大、由大到小快速循環(huán)變化，相當(dāng)于在等效電源兩端接一個滑片每秒往復(fù)移動100次的滑動變阻器（其中R2是6.8 K固定電阻，三極管T常見硅管均能勝任）。當(dāng)連接2V脈動直流電源的變阻器R1（20）滑片向上移動時，等效電源輸出電流變化幅度增大。示波器X輸入置“外X”。接通2V脈動直流電源前，先把變

9、阻器滑片移到最下端，把光點移到屏幕左上角。接通2V脈動直流電源，向上移動變阻器R1的滑片，即見一條向右下方伸展的傾斜直線。如果圖6中R換成滑動變阻器，可演示“內(nèi)阻增大，圖象斜率增大”。增加電池節(jié)數(shù)，可演示“縱軸上截距增大”。把路端電壓與輸出電流、電動勢與縱軸上截距、內(nèi)電阻與圖象斜率等關(guān)系形象而又動態(tài)地呈現(xiàn)給學(xué)生。四、顯示白熾燈泡的伏安特性圖象白熾燈泡的燈絲電阻隨溫度升高而增大，是個非線性元件。要顯示白熾燈泡的伏安特性圖象，需解決一對矛盾：由于燈絲的熱慣性，要使燈絲電阻逐漸變化，必須使通過燈絲的電流緩慢變化，讓燈絲有一個相對緩慢的漸熱過程，并且還要有適當(dāng)?shù)睦鋮s時間；由于人眼的視覺特性和中學(xué)所用示

10、波器的余輝特性，要顯示連續(xù)的伏安特性圖象，燈絲電流的變化又需要相對高得多的頻率。兩者難以兼得。經(jīng)反復(fù)試驗、對比，用圖7電路實現(xiàn)對白熾燈泡伏安特性圖象的顯示（僅顯示“正向”或“反向”圖象，不能顯示雙向圖象）。圖7中，555時基電路（管腳分布見右下角）和R1（15k）、R2(100k電位器)、C1(10µF) 組成超低頻方波振蕩器。從3腳輸出的超低頻方波，高電平時經(jīng)R3(600,可用4.7k電位器實現(xiàn))、C2（1000µF）積分，C2兩端電壓逐漸升高；低電平時經(jīng)二極管D快速放電，C2兩端電壓迅速降低到約0.5V；形成超低頻間歇鋸齒波。再經(jīng)R4（1.8 K）隔離緩沖，T放大（需用最大集電極電流大于500mA中功率管），供給6V，0.4A燈泡L（原想用2.5V或3.8V燈泡，但在超低頻間歇鋸齒波形成，隔離緩沖、放大環(huán)節(jié)銜接困難）。電路的工作電源E取7.5V。由于通過燈泡的電流較大，電流取樣電阻R5的阻值取2.5；由于燈泡兩端最大電壓超出示波器X軸電路動態(tài)范圍，燈泡兩端電壓經(jīng)R6、R7（分別為3 k、1 k）分壓后接“外X”。演示時，先斷開E，把光點移到屏幕左下角。接通E后，光點在屏幕上沿圖8所示OABO路徑循環(huán)移動，OAB段比較慢，燈泡逐漸亮起；BO段很快，燈泡快速熄滅，并在O點停留一會兒，燈絲冷卻。