高二物理教案 實(shí)驗(yàn)六 電學(xué)元件的伏安特性測(cè)量

PAGE56實(shí)驗(yàn)六電學(xué)元件的伏安特性測(cè)量PAGE57實(shí)驗(yàn)六電學(xué)元件的伏安特性測(cè)量電路中有各種電學(xué)元件，如線性電阻、半導(dǎo)體二極管和三極管，以及光敏、熱敏和壓敏元件等。知道這些元件的伏安特性，對(duì)正確地使用它們是至關(guān)重要的。利用滑線變阻器的分壓接法，通過電壓和電流表正確地測(cè)出它們的電壓與電流的變化關(guān)系稱為伏安測(cè)量法（簡(jiǎn)稱伏安法）。伏安法是電學(xué)中常用的一種基本測(cè)量方法。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、了解分壓器電路的調(diào)節(jié)特性。2、驗(yàn)證歐姆定律。3、掌握測(cè)量伏安特性的基本方法。4、學(xué)會(huì)直流電源、變阻器、電壓表、電流表、電阻箱等儀器的正確使用方法。【實(shí)驗(yàn)儀器】伏安特性實(shí)驗(yàn)儀【實(shí)驗(yàn)原理】一、分壓電路及其調(diào)節(jié)特性1、電路的接法圖6-1分壓電路圖6-2分壓電路輸出電壓與滑動(dòng)端位置的關(guān)系如圖6-1將變阻器R的兩個(gè)固定端A和B接到直流電源E上，而將滑動(dòng)端C和任一固定端（A或B，圖中為B）作為分壓的兩個(gè)輸出端接至負(fù)載RL。圖中B端電位最低，C端電位較高，CB間的分壓大小U隨滑動(dòng)端C的位置改變而改變，U值可用電壓表來測(cè)量。變阻器的這種接法通常稱為分壓接法。分壓器的安全位置一般是將C滑至B端，這時(shí)分壓為零。2、電路的調(diào)節(jié)特性如果電壓表的內(nèi)阻大到可忽略它對(duì)電路的影響，那么根據(jù)歐姆定律很容易得出分壓為從上式可見，因?yàn)殡娮鑂BC可以從零變到R，所以分壓U的調(diào)節(jié)范圍為零到E，分壓曲線與負(fù)載電阻RL的大小有關(guān)。理想情況下，即當(dāng)RLR時(shí)，U=ERBC/R，分壓U與阻值RBC成正比，亦即隨著滑動(dòng)端C從B滑至A，分壓U從零到E線性地增大。當(dāng)RL不是比R大很多時(shí)，分壓電路輸出電壓就不再與滑動(dòng)端的位移成正比了。實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算都表明，分壓與滑動(dòng)端位置之間的關(guān)系如圖6-2的曲線所示。RL/R越小，曲線越彎曲，這就是說當(dāng)滑動(dòng)端從B端開始移動(dòng)，在很大一段范圍內(nèi)分壓增加很小，接近A端時(shí),分壓急劇增大，這樣調(diào)節(jié)起來不太方便。因此作為分壓電路的變阻器通常要根據(jù)外接負(fù)載的大小來選用。必要時(shí)，還要同時(shí)考慮電壓表內(nèi)阻對(duì)分壓的影響。二、電學(xué)元件的伏安特性在某一電學(xué)元件兩端加上直流電壓，在元件內(nèi)就會(huì)有電流通過，通過元件的電流與端電壓之間的關(guān)系稱為電學(xué)元件的伏安特性。在歐姆定律U=IR式中，電壓U的單位為V，電流I的單位為A，電阻R的單位為Ω。一般以電壓為橫坐標(biāo)和電流為縱坐標(biāo)作出元件的電壓－電流關(guān)系曲線，稱為該元件的伏安特性曲線。圖6-3線性元件的伏安特性圖6-4非線性元件的伏安特性對(duì)于碳膜電阻、金屬膜電阻、線繞電阻等電學(xué)元件，在通常情況下，通過元件的電流與加在元件兩端的電壓成正比關(guān)系變化，即其伏安特性曲線為一直線。這類元件稱為線性元件，如圖27-3所示。半導(dǎo)體二極管、穩(wěn)壓管等元件，通過元件的電流與加在元件兩端的電壓不成線性關(guān)系變化，其伏安特性為一曲線。這類元件稱為非線性元件，如圖4所示為某非線性元件的伏安特性。在設(shè)計(jì)測(cè)量電學(xué)元件伏安特性的線路時(shí)，必須了解待測(cè)元件的規(guī)格，使加在它上面的電壓和通過的電流均不超過額定值。此外，還必須了解測(cè)量時(shí)所需其它儀器的規(guī)格（如電源、電壓表、電流表、變阻器等的規(guī)格），也不得超過其量程或使用范圍。根據(jù)這些條件所設(shè)計(jì)的線路，可以將測(cè)量誤差減到最小。三、實(shí)驗(yàn)線路的比較與選擇在測(cè)量電阻R的伏安特性的線路中，常有兩種接法，即圖6-5（a）中電流表內(nèi)接法和圖6-5（b）中電流表外接法。電壓表和電流表都有一定的內(nèi)阻（分別設(shè)為RV和RA）。簡(jiǎn)化處理時(shí)直接用電壓表讀數(shù)U除以電流表讀數(shù)I來得到被測(cè)電阻值R，即R=U/I。(a)電流表內(nèi)接(b)電流表外接圖6-5伏安特性線路中常用兩種接法這樣會(huì)引進(jìn)一定的系統(tǒng)性誤差。當(dāng)電流表內(nèi)接時(shí)，電壓表讀數(shù)比電阻端電壓值大，即有：（6-1）當(dāng)電流表外接時(shí)，電流表讀數(shù)比電阻R中流過的電流大，這時(shí)應(yīng)有：（6-2)在（6-1）式和（6-2）式中，RA和RV分別代表安培表和伏特表的內(nèi)阻。比較電流表的內(nèi)接法和外接法，顯然，如果簡(jiǎn)單地用U/I值作為被測(cè)電阻值，電流表內(nèi)接法的結(jié)果偏大，而電流表外接法的結(jié)果偏小，這兩種接法都有一定的系統(tǒng)性誤差。除了需要作這樣簡(jiǎn)化處理的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)合，為了減少上述系統(tǒng)性誤差，測(cè)量電阻的線路方案可以粗略地按下列辦法來選擇：（1）當(dāng)RRV，且R較RA大得不多時(shí)，宜選用電流表外接。（2）當(dāng)RRA，且RV和R相差不多時(shí)，宜選用電流表內(nèi)接。（3）當(dāng)RRA，且RRV時(shí)，則必須先用電流表內(nèi)接法和外接法測(cè)量，然后再比較電流表的讀數(shù)變化大還是電壓表的讀數(shù)變化大？根據(jù)比較結(jié)果再選擇電流表采用內(nèi)接還是外接，具體方法見本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第2點(diǎn)的第（3）小點(diǎn)。如果要得到待測(cè)電阻的準(zhǔn)確值，則必須測(cè)出電表內(nèi)阻并按（6-1）（6-2）式進(jìn)行修正，本實(shí)驗(yàn)不進(jìn)行這種修正。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】一、定性觀察分壓電路的調(diào)節(jié)特性根據(jù)電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)接線規(guī)則按圖6-1接線（按回路接線），以電阻箱作為外接負(fù)載RL，根據(jù)變阻器和負(fù)載RL的額定電流（或功率），選擇電源輸出電壓檔和電壓表的量程。當(dāng)RL/R取不同比值時(shí)，定性觀察輸出電壓隨滑動(dòng)端位移變化的情況（只定性觀察，不作曲線）。二、測(cè)一線性電阻的伏安特性并作出伏安特性曲線，從圖上求出電阻值。1、按圖6-6接線，其中RL為1KΩ的電阻。圖6-6電流表內(nèi)、外接判斷法2、依此選擇電源的輸出電壓檔為15V，電流表和電壓表的量程分別為20mA和20V，分壓輸出滑動(dòng)端C置于B端（為什么？注意本實(shí)驗(yàn)中B端皆指接于電源負(fù)極的公共端）。然后自己復(fù)核電路無誤后，請(qǐng)教師檢查。3、選擇測(cè)量線路。將K置于位置1，調(diào)節(jié)分壓輸出滑動(dòng)端C，使電壓表（可設(shè)置電壓值U1=5.00V）和電流表有一合適的指示值，記下這時(shí)的電壓值U1和電流值I1，然后將K2置于位置2，調(diào)節(jié)分壓輸出滑動(dòng)端C，使電壓表值不變，記下U2和I2。將U1、I1與U2、I2進(jìn)行比較，若電流表示值有顯著變化（增大），R便為高阻（相對(duì)電流表內(nèi)阻而言），則采用電流表內(nèi)接法。若電壓表有顯著變化（減?。琑即為低阻（相對(duì)電壓表內(nèi)阻而言），則采用電流表外接法。按照系統(tǒng)誤差較小的連接方式接通電路（即確定電流表內(nèi)接還是外接）。但若無論電流表內(nèi)接還是外接，電流表示值和電壓表示值均沒有顯著變化，則采用任何一種連接方式均可（為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象？）。（4）選定測(cè)量線路后，取合適的電壓變化值（如從3.00V變化到10.00V，變化步長(zhǎng)取為1.00V），改變電壓測(cè)量8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，將對(duì)應(yīng)的電壓與電流值記錄列表，以便作圖。三、測(cè)定二極管正向伏安特性，并作出伏安特性曲線1、連線前，先記錄所用晶體管型號(hào)和主要參數(shù)（即最大正向電流和最大反向電壓）。然后用萬用表歐姆檔測(cè)量其正、反向阻值，從而判斷晶體二級(jí)管的正、負(fù)極（萬用表處于歐姆檔時(shí)，負(fù)筆為正電位，正筆為負(fù)電位。指針式、數(shù)字式則相反）。想一想如何利用萬用表判別二極管的正負(fù)極？還有其它判別二極管極性的辦法嗎？在本實(shí)驗(yàn)中，我們實(shí)際上可以直接根據(jù)在二極管元件上的標(biāo)志來判斷其正、反向（正、負(fù)極）的。2、測(cè)晶體二極管正向特性：圖6-7測(cè)晶體二極管正向特性因?yàn)槎O管正向電阻小，可用圖6-7所示的電路，圖中R’為保護(hù)電阻，用以限流。接通電源前應(yīng)調(diào)節(jié)電源E使其輸出電壓為3V左右，并將分壓輸出滑動(dòng)端C置于B端（這與圖6-6是一樣的）。然后緩慢地增加電壓，如取0.00V、0.10V、0.20V、……（到電流變化大的地方，如硅管約0.6~0.8V可適當(dāng)減小測(cè)量間隔），讀出相應(yīng)電流值，將數(shù)據(jù)記入相應(yīng)表格。最后關(guān)斷電源（此實(shí)驗(yàn)中，硅管電壓范圍在1V以內(nèi)，電流應(yīng)小于最大正向電流，可據(jù)此選用電表量程。表格上方應(yīng)注明各電表量程及相應(yīng)誤差）?！緮?shù)據(jù)與結(jié)果】1、選擇測(cè)量線路（表1）。表6-1測(cè)量線路選擇數(shù)據(jù)記錄表K合1電流表內(nèi)接U1I1K合2電流表外接U2I2上表中R、U、I的計(jì)算公式如下：為電壓表示值誤差，為測(cè)得的值。為電流表示值誤差，為測(cè)得的值。數(shù)字式電表以最后顯示位最大值的一半作為儀器的示值誤差，如最后顯示為0.01V，則儀器誤差記作0.05V。由此可見，使電表讀數(shù)盡可能接近滿量程時(shí)，測(cè)量電阻的準(zhǔn)確度高。將U1、I1與U2、I2進(jìn)行直接比較，可以確定電流表內(nèi)接還是外接。本實(shí)驗(yàn)可以作進(jìn)一步分析。2、電阻伏安特性測(cè)定（表2）表6-2電阻伏安特性測(cè)定數(shù)據(jù)記錄表測(cè)量序數(shù)12345678U（V）I（mA）數(shù)據(jù)處理要求：（1）按表6-2的數(shù)據(jù)進(jìn)行精度作圖（復(fù)習(xí)等精度作圖規(guī)則）。以自變量U為橫坐標(biāo)，應(yīng)變量I為縱坐標(biāo)，根據(jù)等精度原則選取作圖比例尺。（2）從U-I圖上求電阻R值。在U-I圖上選取兩點(diǎn)A和B（不要與測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)相同，且盡可能相距遠(yuǎn)些，為什么？請(qǐng)思考），由式：求出R值。3、二極管正向伏安特性曲線測(cè)定（表3）表6-3二極管正向伏安