非線性伏安特性曲線研究

1、實驗5-9 非線性電阻伏安特性的研究與經驗公式的建立實驗講義 單 位：物理實驗中心 教師姓名：王殿生實驗5-9 非線性電阻伏安特性的研究與經驗公式的建立（一）教學基本要求1. 了解分壓線路、限流線路以及電表刻度盤上的各種符號。2. 了解非線性電阻元件的伏安特性。3. 掌握探索物理規(guī)律、建立經驗公式的實驗思想和實驗方法。4. 學會測量未知物理量之間的關系曲線。5. 掌握作圖的基本規(guī)則，學會用半對數坐標紙作圖并學會求斜率和截距。6. 掌握用變量代換法把曲線改直進行線性擬合或通過計算機軟件作圖用最小二乘法進行曲線擬合。7. 學會通過合理選擇接線方式減小電表接入系統(tǒng)誤差的方法。8. 學會判斷二極管極性

2、的方法。（二）講課提綱1實驗簡介電阻元件的伏安特性曲線（電壓電流曲線）呈直線型的，稱為線性電阻；呈曲線型的，稱為非線性電阻。常見的典型非線性電阻元件有點亮的白熾燈泡中的鎢絲、熱敏電阻、光敏電阻、半導體二極管和三極管等。非線性電阻的伏安特性所反映出來的規(guī)律，總是與一定的物理過程相聯(lián)系的。利用電阻元件的非線性特性研制出的各種新型傳感器、換能器，在溫度、壓力、光強等物理量的檢測和自動控制方面應用非常廣泛。對非線性電阻特性及規(guī)律的研究，可以加深對有關物理過程、物理規(guī)律及其應用的認識。實際中許多物理量之間的關系是非線性的關系，為了形象地表示物理量之間的函數關系，尋找物理規(guī)律，常常需要測繪各種各樣的特性曲

3、線。伏安特性是電學元件最重要的電學之一。實驗中選擇了兩種非線性電阻元件，穩(wěn)壓型二極管和小燈泡，測繪伏安特性曲線，建立電壓和電流之間關系的經驗公式。通過實驗，學習探索物理量間關系、建立定量經驗公式的基本方法。2實驗設計思想和實現方法（1）測量伏安特性曲線電學元件的電流和電壓之間關系曲線稱為伏安特性曲線，不同電學元件的伏安特性曲線不同。電阻的伏安特性曲線線性，小燈泡的伏安特性曲線非線性，二極管（正向和反向）的伏安特性曲線非線性。測量電阻元件伏安特性曲線的一般方法，在電阻元件上加不同的電壓，測量相應的電流。采用電壓表和電流表同時測量電壓和電流的測量線路有兩種接法，電流表內接和電流表外接。為了減小電表

4、接入產生的誤差，一般情況，待測對象阻值很大，采用電流表內接；待測對象阻值很小，采用電流表外接。為了消除電表接入誤差，可以采用理論修正的方法。因此，測量二極管正向和小燈泡伏安特性曲線時，采用電流表外接電路；測量二極管反向伏安特性曲線時，采用電流表內接電路。正向（死區(qū)電壓），最高電壓很小， 2CW型穩(wěn)壓二極管一般約1V左右。反向，一旦達到擊穿電壓，繼續(xù)增加電壓，電流變化相當快。因此，測量時須仔細調節(jié)電壓電流，不要使電流超過最大工作電流。（2）建立經驗公式通過實驗方法探索物理規(guī)律，尋找兩個相關物理量之間的函數關系式，建立經驗公式?；痉椒ㄈ缦拢?實驗測量相關兩個物理量的變化關系數據。 用直角坐標做出

5、物理量之間的關系曲線，并根據曲線形狀選擇函數關系的形式，建立數學模型。 利用數據處理的有關知識，求解函數關系中常數，確定經驗公式。一般采用最小二乘法通過計算機進行曲線擬合，也可以通過曲線改直用作圖法、最小二乘法、逐差法等數據處理方法進行計算。 用實驗數據驗證經驗公式。（3）伏安特性曲線函數形式二極管正向伏安特性曲線函數形式：小燈泡伏安特性曲線的函數形式：3重點訓練的基本方法和技能（1）實驗方法：探索物理規(guī)律的實驗方法。（2）測量方法：物理量之間關系曲線的測量方法伏安法。（3）數據處理方法：建立經驗公式的基本方法。（4）儀器調整使用方法：電表的正確使用和分壓電路的應用。（5）減小系統(tǒng)誤差方法：選

6、擇合理的接線方式，減小電表接入系統(tǒng)誤差的方法。4測量與數據處理要求（1）做實驗前仔細閱讀“實驗指示牌”中各項內容，并且貫徹在自己的實驗中。（2）自己閱讀教材P7681、P8687、P5，了解電學實驗的基本操作規(guī)程，認識電表，學習電表極限誤差的計算方法，了解分壓電路和限流電路，理解探索物理規(guī)律、建立經驗公式的基本實驗方法。（3）正確選用電流表內接法或外接法連接測量電路，合理選擇電壓表和電流表量程，練習熟悉不同量程下電表的正確讀數。（4）測量二極管正向伏安特性曲線時，在電流值1mA以下，從0開始，以電壓變化為基準，每隔0.1V測量一個點；在電流值1mA以上，電壓每隔0.02V測量一個點；測量電流最

7、大值小于最大工作電流。（5）測量二極管反向伏安特性曲線時，在電流值1mA以下，從0開始，以電壓變化為基準，每隔1V測量一個點；在電流值1mA以上，電流每隔5mA測量一個點；測量電壓最大值小于額定工作電壓。（6）測量小燈泡伏安特性曲線時，在電壓值1V以下，從0開始，以電壓變化為基準，每隔0.2V測量一個點；在電壓值1V以上，每隔0.5V測量一個點；測量電壓最大值小于額定工作電壓6.3V。（7）在同一張直角坐標紙上畫出2CW型二極管的正向和反向伏安特性曲線，分析二極管的伏安特性。正確選擇坐標軸比例，標明刻度、單位和圖名，連平滑的曲線，曲線不必通過每個實驗點。（8）在直角坐標紙上畫出小燈泡的伏安特性

8、曲線，并與二極管的正向伏安特性比較分析伏安特性。（9）在直角坐標紙上作小燈泡圖線（直線），求解斜率和截距，建立小燈泡伏安經驗公式，并進行驗證。求斜率時不能利用測量的數據點，而應從所畫的直線上取相距比較遠的兩個點。（10）列表記錄數據，表格規(guī)范，不能使用鉛筆記錄數據。（11）在數據簽字之前不要整理實驗儀器，保持測量原貌；老師檢查合格、數據簽字之后必須整理好實驗器材，方可離開實驗室。5問題思考與討論（1）什么是伏安特性曲線？（2）用伏安法測量伏安特性曲線有哪兩種接線方法？分別在什么條件下使用？（3）請畫圖說明電流表內接法和外接法。（4）線性元件和非線性元件的伏安特性曲線各有什么特點？（5）如何根據

9、測量曲線的變化趨勢合理選擇測量點？（6）什么是二極管的死區(qū)電壓？（7）什么是二極管的反向擊穿區(qū)電壓？（8）穩(wěn)壓二極管工作在什么區(qū)？為什么能夠起到穩(wěn)壓作用？（9）如何做探索規(guī)律的物理實驗？（10）實驗中如何判斷測量數據是否合理？（三）實驗報告實驗5-9 非線性電阻伏安特性的研究與經驗公式的建立教學目的1學會探索物理規(guī)律、建立經驗公式的實驗思想和實驗方法。2學會測量未知物理量之間的關系曲線，熟練測量二極管和小燈泡的伏安特性曲線。3學會通過合理選擇接線方式減小電表接入系統(tǒng)誤差的方法。4掌握用變量代換法把曲線改直進行線性擬合或通過計算機軟件作圖用最小二乘法進行曲線擬合。5掌握建立經驗公式的基本方法。實

10、驗原理、設計思想及實現方法（1）測量伏安特性曲線電學元件的電流和電壓之間關系曲線稱為伏安特性曲線，不同電學元件的伏安特性曲線不同。電阻的伏安特性曲線線性，小燈泡的伏安特性曲線非線性，二極管（正向和反向）的伏安特性曲線非線性。測量電阻元件伏安特性曲線的一般方法，在電阻元件上加不同的電壓，測量相應的電流。采用電壓表和電流表同時測量電壓和電流的測量線路有兩種接法，電流表內接和電流表外接。為了減小電表接入產生的誤差，一般情況，待測對象阻值很大，采用電流表內接；待測對象阻值很小，采用電流表外接。為了消除電表接入誤差，可以采用理論修正的方法。因此，測量二極管正向和小燈泡伏安特性曲線時，采用電流表外接電路；

11、測量二極管反向伏安特性曲線時，采用電流表內接電路。正向（死區(qū)電壓），最高電壓很小， 2CW型穩(wěn)壓二極管一般約1V左右。反向，一旦達到擊穿電壓，繼續(xù)增加電壓，電流變化相當快。因此，測量時須仔細調節(jié)電壓電流，不要使電流超過最大工作電流。（2）建立經驗公式通過實驗方法探索物理規(guī)律，尋找兩個相關物理量之間的函數關系式，建立經驗公式?；痉椒ㄈ缦拢?實驗測量相關兩個物理量的變化關系數據。 用直角坐標做出物理量之間的關系曲線，并根據曲線形狀選擇函數關系的形式，建立數學模型。 利用數據處理的有關知識，求解函數關系中常數，確定經驗公式。一般采用最小二乘法通過計算機進行曲線擬合，也可以通過曲線改直用作圖法、最小

12、二乘法、逐差法等數據處理方法進行計算。 用實驗數據驗證經驗公式。（3）伏安特性曲線函數形式二極管正向伏安特性曲線函數形式：小燈泡伏安特性曲線的函數形式：儀器用具 實驗儀器和用具如圖1所示。（1）電壓表、電流表：測量電壓、電流。（2）滑線變阻器：組成二級分壓電路。（3）穩(wěn)壓電源：提供工作電壓。圖1 實驗儀器和實驗用具（4）待測電阻元件和其他用具：2CW104穩(wěn)壓二極管，小燈泡，開關，導線等。實驗內容與要求1實驗內容（1）測量2CW型二極管的正向伏安特性。（2）測量2CW型二極管的反向伏安特性。（3）測量小燈泡的伏安特性曲線。2測量與數據處理要求（1）做實驗前仔細閱讀“實驗指示牌”中各項內容，并且

13、貫徹在自己的實驗中。（2）自己閱讀教材P7681、P8687、P5，了解電學實驗的基本操作規(guī)程，認識電表，學習電表極限誤差的計算方法，了解分壓電路和限流電路，理解探索物理規(guī)律、建立經驗公式的基本實驗方法。（3）正確選用電流表內接法或外接法連接測量電路，合理選擇電壓表和電流表量程，練習熟悉不同量程下電表的正確讀數。（4）測量二極管正向伏安特性曲線時，在電流值1mA以下，從0開始，以電壓變化為基準，每隔0.1V測量一個點；在電流值1mA以上，電壓每隔0.02V測量一個點；測量電流最大值小于最大工作電流。（5）測量二極管反向伏安特性曲線時，在電流值1mA以下，從0開始，以電壓變化為基準，每隔1V測量

14、一個點；在電流值1mA以上，電流每隔5mA測量一個點；測量電壓最大值小于額定工作電壓。（6）測量小燈泡伏安特性曲線時，在電壓值1V以下，從0開始，以電壓變化為基準，每隔0.2V測量一個點；在電壓值1V以上，每隔0.5V測量一個點；測量電壓最大值小于額定工作電壓6.3V。（7）在同一張直角坐標紙上畫出2CW型二極管的正向和反向伏安特性曲線，分析二極管的伏安特性。正確選擇坐標軸比例，標明刻度、單位和圖名，連平滑的曲線，曲線不必通過每個實驗點。（8）在直角坐標紙上畫出小燈泡的伏安特性曲線，并與二極管的正向伏安特性比較分析伏安特性。（9）在直角坐標紙上作小燈泡圖線（直線），求解斜率和截距，建立小燈泡伏

15、安經驗公式，并進行驗證。求斜率時不能利用測量的數據點，而應從所畫的直線上取相距比較遠的兩個點。（10）列表記錄數據，表格規(guī)范，不能使用鉛筆記錄數據。（11）在數據簽字之前不要整理實驗儀器，保持測量原貌；老師檢查合格、數據簽字之后必須整理好實驗器材，方可離開實驗室。注意事項1、測量過程中不要改變電壓表和電流表的量程，以免測量曲線出線跳變。2、操作時必須注意二極管和小燈泡的正、反向電流（或電壓）不能超過實驗室所給出的最大值，否則可能會損壞二極管和小燈泡。3、二極管的正向和反向伏安特性曲線可以畫在同一張坐標紙上。此時坐標軸比例可選取不同值，以使曲線大小合適。4、為了了解小燈泡伏安曲線的全貌，測量范圍

16、要適當寬一點，比如對額定電壓是6.3V的小燈泡，最好取電壓測量范圍0-6V。5、對描點法畫伏安特性曲線的要求：（1）二極管的伏安特性曲線：平滑（或光滑，有取平均的含義）、細、曲線。（2）小燈泡的伏安特性曲線：細、直線（包含取平均的含義）。（3）寫圖名，標上刻度和單位。（4）習慣上，二極管的正向伏安特性曲線畫在第一象限，反向伏安特性曲線畫在第三象限，橫坐標表示電壓，縱坐標表示電流。問題思考與討論（1）什么是伏安特性曲線？（2）用伏安法測量伏安特性曲線有哪兩種接線方法？分別在什么條件下使用？（3）請畫圖說明電流表內接法和外接法。（4）線性元件和非線性元件的伏安特性曲線各有什么特點？（5）如何根據測

17、量曲線的變化趨勢合理選擇測量點？（6）什么是二極管的死區(qū)電壓？（7）什么是二極管的反向擊穿區(qū)電壓？（8）穩(wěn)壓二極管工作在什么區(qū)？為什么能夠起到穩(wěn)壓作用？（9）如何做探索規(guī)律的物理實驗？（10）實驗中如何判斷測量數據是否合理？數據記錄與處理1、 測量二極管的正向、反向伏安特性曲線表1 測量2CW型二極管的正向伏安特性數據記錄表電壓U/V0.6300.6400.6600.6800.7000.7200.7400.7600.7800.8000.8200.8400.860電流I /mA0124816284565891221541970.5級電壓表，量程1.5V；1.0級電流表量程200mA。表2 測量2

18、CW型二極管的反向伏安特性數據記錄表電壓v/V10.6010.7010.7510.8010.9011.0011.05電流I /mA05.010.015.020.025.030.00.5級電壓表，量程15V；1.0級電流表量程50mA。2、測量小燈泡伏安特性曲線表3 測量小燈泡伏安特性曲線的數據記錄表電壓v/V00.501.001.502.002.503.003.504.004.505.005.506.00電流I /mA0304252606875818894100104109 0.5級電壓表，量程7.5V；1.0級電流表量程200mA。3、建立經驗公式 （1）2CW型二極管的正向伏安特性電壓電流函數關系應用最小二乘法進行曲線擬合，2CW型二極管的正向伏安特性電壓