大学物理试验

实验四 电阻元件伏安特性的测定 【实验简介】 电阻是电学中常用的物理量。利用欧姆定律测导体电阻的方法称为“伏安法”。为了研究材料的导电性，通常作出其伏安特性曲线，了解它的电压和电阻的关系。伏安特性曲线是直线的元件称为“线性元件”，伏安特性曲线不是直线的元件称为“非线性元件”。这两种元件的电阻都可以用伏安法测量。但是，由于测量时电表被引入测量电路，电表内阻必然会影响测量结果，因而应考虑对测量结果进行必要的修正，以减小系统误差。 乔治·西蒙·欧姆生平简介 乔治·西蒙·欧姆(1787～1854年)是德国 HYPERLINK "http://baike.baidu.com/view/2505.htm" \t "_blank" 物理学家。1826年，欧姆发现了电学上的一个重要定律——欧姆定律，这是他最大的贡献。这一定律可以表示为两种形式：一是部分电路的欧姆定律，通过部分电路的电流，等于该部分电路两端的电压，除以该部分电路的电阻；二是全电路的欧姆定律，即通过闭合电路的电流，等于电路中电源的电动势，除以电路中的总电阻。为了纪念他，人们把电阻的单位命名为欧姆。 【实验目的】 1、了解电学实验常用仪器的规格、性能，学习它们的使用方法。 2、学习电学实验的基本操作规程和连接电路的一般方法。 3、掌握电阻元件伏安特性的测量方法，用伏安法测电阻。 4、了解系统误差的修正方法，学会作图法处理实验数据。 【实验仪器和用具】 直流稳压电源（SG1731SL5A），直流电压表（C31/1-V0.5级），直流电流表（C31/1-A0.5级），滑线变阻器（0.5 ，1.5 EMBED Equation.DSMT4 ），待测电阻两个（一个几十欧，一个几千欧），待测二极管，单刀单掷开关一个，单刀双掷开关一个，导线10根。 【实验原理】 1、伏安特性曲线 实验中常用的线绕电阻、碳膜电阻和金属膜电阻等，它们都具有以下共同特性，即加在该电阻上的电压与通过其上的电流总是成正比例的变化(忽略电流热效应对阻值的影响)。若以纵坐标表示电流，横坐标表示电压，电流与电压的关系就表示为一条直线如图4-4（a）所示。具有这种特性的电阻元件成为“线性电阻元件”。 2、非线性电阻 如果电阻电阻元件两端的电流、电压关系为曲线，则这类电阻元件称为“非线性电阻元件”（如热敏电阻、二极管等）。这种元件的特点是电阻随加在它两端的电压改变而改变如图4-4（b）所示。一般均用伏安特性曲线来反映非线性电阻元件的特性 3、伏安法测电阻 欧姆定律告诉我们，通过一段电路的电流，与这段电路两端的电压成正比，与这段电路的电阻成反比，即 。由此可求得电阻 （4-1） 这是伏安法测电阻所根据的基本原理。 （1） 电流表内接法 如图4-5所示，将单刀双掷开关 接到 端，电电路属于电流表内接法。电流表测出的电流 就是通过待测电阻 的电流 ，但电压表测出的电压U应等于 两端的电压 与电流表内阻 上的电压 之和。 （4-2） 由此式可知，电阻的测量值 比实际值 要大， 是由于电流表内接带来的误差，称为接入误差。在粗略测量的情况下，一般在 （如 为几千欧）时用“内接法”。为精确计算出 的值，应按式 EMBED Equation.DSMT4 进行修正。（ 由实验室给出）。 （2）电流表外接法 图4-5中，将 接到b端，电路属于电流表外接法．电压表测出的电压 就是 两端的电压 ，但电流表测出电流 应等于 与 之和。 （4-3） 由此式可知，电阻的测量值 比实际值 要小， 是由于电流表外接带来的接入误差。在粗略测量的情况下，一般在 （如 为几欧或几十欧）时用“外接法”。为精确计算出 的值，应按式 进行修正。（ 由实验室给出）。 4、半导体二极管 半导体二极管是一种常用的非线性电子元件，由 型、 型半导体材料制成PN结经欧姆接触引出电极，封装而成。两个电极分别为正极、负极。二极管的主要特点是单向导电性，其伏安特性曲线如图4-4（b）所示。其特点是：在正向电流和反向电压较小时，伏安特性呈现为单调上升曲线；在正向电流较大时，趋近为一条直线；在反向电压较大时，电流趋近极限值 , 叫做反向饱和电流；在反向电流超过某一数值— 时，电流急剧增大，这种情况称做击穿， 叫做击穿电压。正向导通后锗管的正向电压降约为0.2～0.3V，硅管约为0.6～0.8 。 二极管的主要参数有： eq \o\ac(○,1)最大整流电流 ，即二极管正常工作时允许通过的最大正向平均电流； eq \o\ac(○,2)最大反向电压 ，一般为反向击穿电压的一半； eq \o\ac(○,3)反向电流 是反向饱和电流的额定值。 由于二极管具有单向导电性，它在电子电路中得到了广泛应用，常用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 5、测量电阻元件特性应注意的问题： （1）伏安法测电阻 测量时加在被测电阻两端的电压不得超过该电阻的最大电压值。若被测电阻的阻值为 ，额定功率为 ，则其最大允许电压为 最大允许电流为： 实验时电源电压值的确定以及电流表、电压表的量程的选择，可由以上两式计算得出 和 值来决定。 （2安排测量电路时，变阻器电路的选择应考虑到调节方便。能满足测量范围的要求，实验中采用分压电路，一般变阻器的阻值应小于负载电阻。 （3）使用指针式电表选取电表量程时，既要注意测量值不得超量程以保证仪表安全，又要使读数尽可能大以减小读数的相对误差。测量前应注意观察 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 电表的的机械零点。根据测量电阻值大小选择内接法或外接法，并进行系统误差的修正。 【实验内容和要求】 １、用电流表内接法测电阻 按图4-5所示电路，先合理摆放好各仪器的位置，然后连接电路．连接的顺序可按图示回路１、２、３或３、２、１的顺序进行。开关 ， 断开，滑线变阻器的滑动触头打到Ｂ端，使待测电路的分压为零。先测大值待测电阻（教师告知哪个是大值电阻）， 接到a端，电路选用“内接法”。适当选择电压表，电流表的量程及电源输出电压。电路经教师检查无误后方可接通 进行试触，试触正常才可正式进行实验。调节滑线变阻器，使待测电路的电压和电流逐渐增大，当 和 的值各自接近量程的2/3时，开始记录数据。改变滑线变阻器６次测出６组 、 的值，测完后应将滑动触头打到分压为零处， 断开。 ２、用电流表外接法测电阻 换接小值待测电阻， 接到 端，电路选用“外接法”。重新选择电表量程和电源电压。调节滑线变阻器，测出６组 、 值（不小于量程的2/3）。测完后，滑线触头打到分压为零处，断开 ，关闭电源。数据送交教师审阅，教师认可后，再拆除电路，归整仪器。 3、测量二极管的伏安特性曲线 按图4-5所示电路，将待测电阻换为非线性电阻元件二极管或白炽小灯泡，选择“内接法”或“外接法”测量非线性电阻元件伏安特性曲线，实验参数自已选定，自拟实验数据记录表格，实验结束，数据送交教师审阅，教师认可后，再拆除电路，归整仪器。 【数据记录与处理】 表一 1、用“内接法”测电阻的数据记录及处理 次序 1 2 3 4 5 6 = 　　　　　 。 。 。 （说明： , , 和 取6组中的最大值，电压表、电流表均为0.5级） 　 　　　　 。 　 　　　　 　　　　　 。 表二 2、用“外接法”测电阻的数据记录及处理 次序 1 2 3 4 5 6 ， ， ， ， 　　　 　　 　　　　　 。 根据以上测得的数据可作 实验曲线，用图解法求得待测电阻值，再与计算得出结果进行比较。 3、非线性电阻元件伏安特性曲线测量数据记录，表格自拟，画出伏安特性曲线。 【思考题】 1、如何使用直流稳压电源？ 2、通常，滑线变阻器在电路中有几种作用？它们的接法有何不同？ 3、电表分哪几个等级？等级的数值意义是什么？电表的极限误差怎么计算？使用电表应注意哪些问题？ 4、本实验中，如果教师不告诉你哪个是大值电阻，哪个是小值电阻，也不再另外给你其它仪表，你如何运用电路的特点来分辨它们的大小？ 附录4-1 eq \o\ac(○,1)电表常用标识符号的意义 在电表的表盘上用数字或符号标有该表的准确度等级、仪表的类型、使用条件及其他参数，仪表准确度等级的规定和各种符号的意义适用各种电表。 符号 意义 符号 意义 磁电式仪表 交直流电表 电磁式仪表 表面垂直使用 电动式仪表 表面水平使用 直流电表 表面倾斜使用 交流（单相）电表 0.5 准确度等级0.5级 eq \o\ac(○,2)直流电流表 物理实验中常用的直流电流表是磁电式电流表，电流表头指针偏转格数n与流过的电流大小之比称为电流灵敏度，记作 。 越大，电流表越灵敏。电流表可测电流的最大值，也就是表盘上满刻度对应的电流数值，称为电流表的量程，记作 。通过表头的电流实际是经由线圈和游丝流过的，线圈和游丝的电阻就是表头的内阻，记作 。 使用电流表时应注意以下事项： (1) 测量前应先微调调零螺丝使电表指针指零。 (2) 直流电流表是有极性的测量时电流由正极（+）流入，由负极（-）流出。 (3) 测量时要选择适当的量程，最好使指针在2/3量程以上。 (4) 高准确度电表表盘上有反光镜，读数时应正对表盘，使指针与镜中像重合。 (5) 电流表不能和电源直接连接，否则将会烧坏。 eq \o\ac(○,3)直流电压表 一个电流表串联一个阻值较大的电阻就构成电压表。电压表的主要参数有电压灵敏度、内阻、量程、准确度等，其中量程 和准确度等级 的含义与电流表相似。电压灵敏度 。使用注意事项见电流表使用注意事项。 eq \o\ac(○,4)数字电压表 数字电压表是一种有源电压表。直流电压经过A/D模数转换电路变成数字量，在经过译码电路将数字信号显示在数码管或液晶显示屏上。 常用数字电压表表头有3 位（三位半）、4 位（四位半）、5位。。。。。。等。3 位表头如下图所示。右边三位可显示0—9共10个不同的数字，左边第一位只能显示0或1，就是所谓的“ ”位。 由于集成电路的应用，电子放大电路的输入阻抗可以很大，达到 以上，所以数字电压表的内阻可以视为无穷大。 附录4-2 滑动变阻器及其限流、分压接法 直流电源 ①直流稳压电源 直流稳压电源是将电网的220 交流电经变压、整流、滤波及稳压后以直流电压形式输出。直流晶体管稳压电源有单路输出、双路输出及更多路输出几种，多路电源可以输出几路独立的电压，也可以将多路或多路输出串联、并联使用。 稳压电压输出的多路电压和电流可以用一个电压表和一个电流表来监视。 直流稳压电源主要参数有输出电压范围、最大输出电流、电压稳定度、负载稳定度等。②直流稳流电源 直流稳流电源可以输出连续可调的恒定电流。稳流电源也装有电压表和电流表监视输出。新型的稳压稳流电源同时具有稳压和稳流功能，两种电源面板示意图如下所示。 图4-1 乔治·西蒙·欧姆 双刀双置开关 滑线变阻器 直流毫安表 单刀双置开关 待测电阻 图4-3电压表、电流表、电阻、开关 直流电压表 图4-2 滑线变阻器、稳压电源、开关 直流 稳压电源 � EMBED Equation.3 ��� 图4-4（b）二极管的伏安特性曲线 图4-4（a）线性电阻的伏安特性曲线 图4-5电路 V mA 1 2 3 + � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� � EMBED Equation.DSMT4 ��� + a b 1� 9� 9� 9� � 图4-6 3� EMBED Equation.DSMT4 ���位数字表表头 滑动接线头C 滑动头 固定接线头B 固定接线头A 标尺 图4-7 限流电路 图4-8 分压电路 开关 电压调节 (a)晶体管双路稳压电源 监视选择 (b)双路直流稳压、稳流电源 + — + — + + — — _1282672489.unknown _1282673068.unknown _1282673506.unknown _1290698118.unknown _1290698197.unknown _1290698250.unknown _1290698354.unknown _1290800265.unknown _1290863435.unknown _1290698382.unknown _1290698474.unknown _1290698314.unknown _1290698341.unknown _1290698301.unknown _1290698219.unknown _1290698229.unknown _1290698213.unknown _1290698151.unknown _1290698174.unknown _1290698136.unknown _1290697993.unknown _1290698036.unknown _1290698051.unknown _1290698016.unknown _1285501699.unknown _1289205687.unknown _1289205776.unknown _1290326059.unknown _1285501733.unknown _1285501784.unknown _1285501903.unknown _1285501778.unknown _1285501710.unknown _1282673528.unknown _1282673535.unknown _1282673521.unknown _1282673269.unknown _1282673381.unknown _1282673408.unknown _1282673495.unknown _1282673399.unknown _1282673289.unknown _1282673299.unknown _1282673281.unknown 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_1215264974.unknown _1215259762.unknown _1215244435.unknown _1215244467.unknown _1170847688.unknown _1170846415.unknown _1170846888.unknown _1170847025.unknown _1170846898.unknown _1170846509.unknown _1170846259.unknown _1170846374.unknown _1170846146.unknown