华理大物实验报告太阳电池.docx
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华理大物实验报告太阳电池
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华理大物实验报告太阳电池
篇一:
华理大物实验报告
1实验名称电桥法测中、低值电阻
一.目的和要求
1.掌握用平衡电桥法测量电阻的原理和方法;
2.学会自搭电桥,且用交换法测量电阻来减小和修正系统误差;3.学会使用QJ-23型惠斯登电桥测量中值电阻的方法;4.学会使用QJ-42型凯尔文双臂电桥测量低值电阻的方法;
二.实验原理
直流平衡电桥的基本电路如下图所示。
图中RA,Rb称为比率臂,Rs为可调的标准电阻,称为比较臂,Rx为待测电阻。
在电路的对角线(称为桥路)接点bc之间接入直流检流计,作为平衡指示器,用以比较这两点的电位。
调节Rs的大小,当检流计指零时,b,c两点电位相等uAc?
uAb;ucD?
ubD,即IARA?
IbRb;IxRx?
IsRs。
因为检流计中无电流,所以IA?
Ix,Ib?
Is,得到电桥平衡条件Rx?
三.实验仪器
直流电源,检流计,可变电阻箱,待测电阻,元器件插座板,QJ24a型惠斯登直流电桥,QJ42型凯尔文双臂电桥,四端接线箱,螺旋测微计
四.实验方法
1.按实验原理图接好电路;
2.根据先粗调后细调的原则,用反向逐次逼近法调节,使电桥逐步趋向平衡。
在调节过程中,先接上高值电阻Rm,防止过大电流损坏检流计。
当电桥接近平衡时,合上Kg以提高桥路的灵敏度,进一步细调;
3.用箱式惠斯登电桥测量电阻时,所选取的比例臂应使有效数字最多。
RA
Rs。
Rb
五.数据记录与分析
?
Rs仪=?
(0.001Rs?
0.002m),其中Rs是电阻箱示值,m是所用转盘个数,
?
Rs?
?
?
Rx?
Rx?
所以Rx2?
297.8?
0.1?
,Rx3?
1995.4?
0.8?
2.不同比例臂对测量结果的影响
3.用箱式惠斯登电桥测量电阻
4.用开尔文电桥测量低值电阻
铜棒平均直径d=3.975mm(多次测量取平均)(末读数-初读数)
电阻R?
?
s
L?
2
4?
4?
Lk?
?
0.00609,,由下图中的拟合直线得出斜率?
d2?
d2
则电阻率?
?
?
dk
4
?
3.142?
0.00609?
3.975?
10
4
?
?
32
?
?
7.56?
10?
8?
?
m
六.分析讨论题
当惠斯登电桥平衡后,若互换电源与检流计位置,电桥是否仍保持平衡?
试说明之。
答:
电桥仍保持平衡。
在互换电源与检流计位置前,电桥平衡条件为Rx?
RA
Rs,互Rb
换位置后的电桥线路如下。
在新桥路内,若Ig?
0,检流计无电流通过,A,D两点电位相等。
则有ucA?
ucD,uAb?
uDb;IA?
Ib,Ix?
Is,因而有IARA?
IxRx;IbRb?
IsRs的关系。
这样RA/Rb?
Rx/Rs。
即Rx?
平衡。
RA
Rs就是互换位置前的平衡条件。
所以电桥仍保持Rb
2实验名称静电场测绘
一.目的与要求
1.学习用模拟法测绘静电场的分布。
2.加强对电场强度和电势的概念。
二.实验原理
由于静电实验条件苛刻且不稳定,而稳恒电流的电场和相应的静电场的空间是一致的,在一定的条件下,可以用稳恒电流的电场来模拟测绘静电场。
静电场与稳恒电流场的对应关系为
静电场稳恒电流场
导体上的电荷±Q极间电流I
?
电场强度e
介电常数?
?
电场强度e
电导率?
?
?
De电位移=?
无荷区?
e?
ds?
0电势分布?
u?
0
2
?
?
eJ电流密度=?
无源区?
e?
ds?
0电势分布?
u?
0
2
根据上表中的对应关系可知,要想在实验上用稳恒电流场来模拟静电场,需要满足下面三个条件:
⑴电极系统与导体几何形状相同或相似。
⑵导电质与电介质分布规律相同或相似。
⑶电极的电导率远大于导电质的电导率,以保证电极表面为等势面。
以无限长同轴柱状导体间的电场为例,来讨论二者的等效性。
设真空静电场中圆柱导体A的半径为a,电势为ua;柱面导体b的内径为b,且b接地。
导体单位长度带电±?
(即线密度)。
根据高斯定理,在导体A、b之间与中心轴距离为r的任意一点的电场大小为
e?
?
(1)2?
?
0r
电势为u?
?
导体A的电势可表示为
?
b
ln
(2)2?
?
0r
ua?
?
b
ln(3)2?
?
0a
bb
ln(4)ra1b
此时的场强为er?
?
ualn(5)
ra
将A、b间充以电阻率为ρ、厚度为?
的均匀导电质,不改变其几何条件及A、b的电位,则在A、b之间将形成稳恒电流场。
设场中距中心线r点处的电势为u?
,在r处宽度为dr的
drdr?
?
导电质环的电阻为dR?
?
(6)s2?
r?
b?
b
ln从r到b的导电质的电阻为Rr?
?
dR?
(7)
r2?
?
r?
b
ln电极A、b间导电质的总电阻为R?
(8)2?
?
a
于是在距中心r处ur?
ualn由于A、b间为稳恒电流场,则
u?
Rr
(9)?
uaR
bb
ln(10)ra
即u?
?
ualn
比较(10)和(4)式可知,电流场中的电势分布与静电场中完全相同,可以用稳恒电
流场模拟描绘静电场。
根据(4)可以导出r?
b?
b?
?
?
?
a?
urua
或
(11)r?
an?
b1?
n?
n?
ura?
三.实验仪器
静电场描绘仪,坐标纸。
四.实验操作步骤
1.测量长的同轴圆柱体间的电场分布。
(1)按照实验面板提示,选择检流计法,调整好仪器,选ua?
10V。
(2)移动探针,分别取测量电位ur为1V,3V,5V三个等势面,每组均匀分布8点等势点,测出各等势点的坐标,并列表记录,将数据输入电脑处理,得到测量半径r测(对应有三个测量半径)。
(3)将三个等势面的ri,并与(11)式的理论值r理比较,并求百分误差。
2.测量平行输电线间的电场分布
(1)按照实验面板提示,选择电压法,调整好仪器,仍选ua?
10V;
(2)移动探针,分别取测量电位ur为1V,3V,5V,7V,9V三个等势面,每组
篇二:
大学物理实验--太阳能电池伏安特性的测量
实验报告
太阳能电池伏安特性的测量
【实验目的】
1.了解太阳能电池的工作原理及其应用2.测量太阳能电池的伏安特性曲线
【实验原理】
1.太阳电池的结构
以晶体硅太阳电池为例,其结构示意图如图1所示.晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作.一般采用n+/p同质结的结构,即在约10cm×10cm面积的p型硅片(厚度约500μm)上用扩散法制作出一层很薄(厚度~0.3μm)的经过重掺杂的n型层.然后在n型层上面制作金属栅线,作为正面接触电极.在整个背面也制作金属膜,作为背面欧姆接触电极.这样就形成了晶体硅太阳电池.为了减少光的反射损失,一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜.
图一太阳电池结构示意图
2.光伏效应
图二太阳电池发电原理示意图
当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时,只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度eg,则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对.那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散.只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度,总有一定几率扩散到结界面处.在p区与n区交界面的两侧即结区,存在一空间电荷区,也称为耗尽区.在耗尽区中,正负电荷间形成一电场,电场方向由n区指向p区,这个电场称为内建电场.这些扩散到结界面处的少数载流子(空穴)在内建电场的作用下被拉向p区.同样,如果在结附近p区中产生的少数载流子(电子)扩散到结界面处,也会被内建电场迅速被拉向n区.结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区.如果外电路处于开路状态,那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近,使p区获得附加正电荷,n区获得附加负电荷,这样在pn结上产生一个光生电动势.这一现象称为光伏效应(photovoltaiceffect,缩写为pV).
3.太阳电池的表征参数
太阳电池的工作原理是基于光伏效应.当光照射太阳电池时,将产生一个由n区到p区的光生电流Iph.同时,由于pn结二极管的特性,存在正向二极管电流ID,此电流方向从p区到n区,与光生电流相反.因此,实际获得的电流I为
(1)
式中VD为结电压,I0为二极管的反向饱和电流,Iph为与入射光的强度成正比的光生电流,其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的.n称为理想系数(n值),是表示pn结特性的参数,通常在1~2之间.q为电子电荷,kb为波尔茨曼常数,T为温度.
如果忽略太阳电池的串联电阻Rs,VD即为太阳电池的端电压V,则
(1)式可写为
(2)
当太阳电池的输出端短路时,V=0(VD≈0),由
(2)式可得到短路电流
即太阳电池的短路电流等于光生电流,与入射光的强度成正比.当太阳电池的输出端开路时,I=0,由
(2)和(3)式可得到开路电压
(3)
当太阳电池接上负载R时,所得的负载伏–安特性曲线如图2所示.负载R可以从零到无穷大.当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时,它对应的最大功率pm为
(4)
式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压.将Voc与Isc的乘积与最大功率pm之比定义为填充因子FF,则
(5)
FF为太阳电池的重要表征参数,FF愈大则输出的功率愈高.FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等.
太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能pin之比,即
(6)
图三太阳电池的伏–安特性曲线
4.太阳电池的等效电路
图四太阳电池的等效电路图
太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示,如图3所示,该电路为太阳电池的等效电路.由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为
(7)
为了使太阳电池输出更大的功率,必须尽量减小串联电阻Rs,增大并联电阻Rsh.
【实验数据记录、实验结果计算】
◆实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下:
表1
1.根据以上数据作出各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线
2.各个条件下,光伏组件的输出功率p随负载电压V的变化
【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】
◆各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论从图中的曲线可以明显看出:
1.光照距离越近,也即是光强越大,电池产生的电动势越大(但不能断定是否有上界);
2.研究电动势的大小,两个电池并联,电动势几乎不变,电池串联,电动势大致增大一倍;
3.研究电池电阻的大小,在I-V图里,函数线越陡,
电阻越小,函数线越平坦,电阻越大。
在图中可以看出:
串联电池使得电池的总电阻倍增,而并联使得电池的总电阻减小;光照强度越大,电池的电阻越小(但应有下界),光照强度越大,电池的电阻越大。
4.研究电池的短路电流(这里以图中的各个最大电流作为短路电流),电池的并联使得短路电流增大,串联使得短路电流减小(这是由于内阻串并联的原因);光照强度越大,短路电流越大,光照强度越小,短路电流越小(从太阳能电池的原理可知:
光照强度决定了光生电流的大小,从而决定了短路电流和电动势的大小)。
◆各个条件下输出功率p随负载电压V的变化曲线图的分析与讨论
1.虽然各个曲线不是特别平滑,但对于最大输出功率的测量还是很成功的,
因为在每条曲线的最高点附近所测量的数据点都足够多,这样对最大功率的估计的准确度有很好的帮助。
2.
研究个条件下的最大功率的大小,可以看出:
双电池供电(不论是串联还
篇三:
华理大物实验答案(误差与有效数字,基本测量)
误差与有效数字练习题答案
1.有甲、乙、丙、丁四人,用螺旋测微计测量一个铜球的直径,各人所得的结果表达如下:
d甲=(1.2832±0.0003)cm,d乙=(1.283±0.0003)cm,d丙=(1.28±0.0003)cm,d丁=(1.3±0.0003)cm,问哪个人表达得正确?
其他人错在哪里?
答:
甲对。
其他人测量结果的最后位未与不确定度所在位对齐。
2.一学生用精密天平称一物体的质量m,数据如下表所示:
Δ仪=0.0002g
请计算这一测量的算术平均值,测量标准误差及相对误差,写出结果表达式。
m?
?
mi
?
3.61232gn
A类分量:
s?
t0.683?
n?
1?
1.11?
0.000108?
0.000120g
b类分量:
u?
0.683?
仪?
0.683?
0.0002?
0.000137g
合成不确定度:
u?
?
?
0.000182g=0.00018g取0.00018g,测量结果为:
m?
u?
(3.6123?
2相对误差:
e?
01(p=0.683)0.00g8)
u0.00018
?
?
0.005%m3.61232
3.用米尺测量一物体的长度,测得的数值为
试求其算术平均值,A类不确定度、b类不确定度、合成不确定度及相对误差,写出结果表达式。
L?
?
Li
?
98.965cm,n
A类分量:
s?
t0.683?
n?
1?
0.006=0.0064cm
b类分量:
u?
0.683?
仪?
0.683?
0.05?
0.034cm
合成不确定度:
u?
0.035cm=0.04cm相对误差:
e?
u0.04?
?
0.04%(p=0.683)98.96
结果:
?
u?
(98.96?
0.04)cm
4.在测量固体比热实验中,放入量热器的固体的起始温度为t1±st1=99.5±0.3℃,固体放入水中后,温度逐渐下降,当达到平衡时,t2±st2=26.2±0.3℃,试求温度降低值t=t2–t1的表示式及相对误差。
222
处理:
t=t2–t1=26.2-99.5=-73.3℃,u=2t1?
st2?
0.3?
0.3?
0.5℃,
e?
u0.5
?
?
0.7%(或-0.7℅)t73.3
t=(-73.3±0.5)℃(p=0.683)
5.一个铅质圆柱体,测得其直径为d±ud=(2.040±0.003)cm,高度为h±uh=(4.120±0.003)cm,质量为m±um=(149.10±0.05)g。
试求:
(1)计算铅的密度ρ;
(2)计算铅的密度ρ的相对误差和不确定度;(3)表示ρ的测量结果。
处理:
(1)?
?
m4m4?
149.10
?
?
?
11.072g/㎝322
V?
dh3.14159?
2.040?
4.120
0.05?
?
0.003?
?
0.003?
(2)e?
?
?
?
?
4?
?
?
?
?
?
0.0030?
0.3%
149.102.0404.120?
?
?
?
?
?
u?
?
?
?
e?
11.072?
0.003?
0.033?
0.04g
3
u?
222
(3)?
u?
?
(11.07?
0.04)g/㎝3(p=0.683)
6.按照误差理论和有效数字运算规则改正以下错误:
(1)n=10.8000±0.3cm
正:
n=(10.8±0.3)cm,测量误差决定测量值的位数(测量结果存疑数所在位与误差对齐)
(2)有人说0.2870有五位有效数字,有人说只有三位,请纠正,并说明其原因。
答:
有效数字的位数应从该数左侧第一个非零数开始计算,0.2870应有四位有效数字。
其左端的“0”为定位用,不是有效数字。
右端的“0”为有效数字。
(3)L=28cm=280mm
正:
L=2.8×10mm,改变单位时,其有效数字位数不变。
(4)L=(28000±8000)mm
正:
L=(2.8±0.8)×10mm,误差约定取一位有效数字。
7.试计算下列各式(在书写计算过程中须逐步写出每步的计算结果):
(1)已知y=lgx,x±σx=1220±4,求y:
处理:
4
2
y=lgx=lg1220=3.0864
uy?
ux4
?
=0.0014xln101220ln10
y?
uy?
3.0864?
0.0014(p=0.683)
(2)已知y=sinθ,θ±sθ=45°30′±0°04′,求y:
处理:
y=sin45°30′=0.7133
?
?
4
uy=∣cosθ∣uθ=∣cos45°30′∣?
=0.0008,
180?
60
y?
uY?
0.7133?
0.0008(p=0.683)
8.某同学在弹簧倔强系数的测量中得到如下数据:
其中F为弹簧所受的作用力,y为弹簧的长度,已知y-y0=(
k
)F,用图解法处理数据(必须用直角坐
标纸,不允许用代数方格纸或自行画格作图),从图中求出弹簧的倔强系数k,及弹簧的原长y0。
处理:
按要求作图(见作图示意,注意注解方框里内容的正确表达,正确取轴和分度,正确画实验点和直线拟合,正确取计算斜率的两点),
计算斜率tg?
?
计算倔强系数k?
y2?
y123.58?
8.50
?
?
1.508cm/g
F2?
F113.00?
3.00
1tg?
?
1
?
0.6631g/cm1.508
通过截距得到弹簧原长为4.00cm。
实验名称基本测量—长度和体积的测量
姓名学号专业班实验班组号教师
阅读材料:
p.38
2.2.1.1“游标与螺旋测微原理”。
一.预习思考题
1、游标卡尺的精度值是指:
主尺最小分度值与游标分度格数之比。
根据左图游标卡尺的结构,请字母表示:
游标卡尺的主尺是:
D;游标部分是:
e;测量物体外径用:
;测量内径用:
量深度用:
c。
下图游标卡尺的读数为:
12.64mm(1.264cm)。
2、左图螺旋测微器(a)和(b)的读数分别为:
5.155mm和5.655mm。
螺旋测微器测量前要检查并记下零点读数,即所谓的初始读数;测量最终测量结果为末读数减去初始读数。
下图的两个初始读数分别为(左)0.005mm和(右)-0.011mm。
3、在
检查零点读数和测量长度时,切忌直接转动测微螺杆和微分筒,而应轻轻转动棘轮。
4、螺旋测微器测量完毕,应使留有空隙,以免因热胀而损坏螺纹。
基本测量数据处理参考(原始数据均为参考值)
圆筒容积的计算:
V=
211πdh=×3.1416×2.4772×4.435=21.37cm344
eV?
uV=VeV=21.37*0.013=0.28cm3,V±sV=(21.37±0.28)cm3(p=0.683)
2.钢珠的测量测量量具:
螺旋测微计;Δ仪=0.004mm;初读数=-0.002mm
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