电阻伏安特性的测量教案.docx
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电阻伏安特性的测量教案
4.3电阻元件伏安特性测量
课堂说课
《大学物理实验》课程是海军生长军官本科各专业的一门必修实践课,共60学时,可以开设68个实验项目。
其中基础实验8项,基本实验和综合实验各20项,设计和自主性实验各10项。
不同的实验项目,学时不同、设备套数不同、教学要求不同。
每名学生要求完成5个基础,10个基本,4个综合,1个设计和1个自主实验,还包括4个学时的实验绪论和2个学时的课程考核。
所有实验项目都根据学生各自的专业特点,通过大学物理实验预约预习系统在军网上自主选择。
最终的成绩评定方式采用平时实验成绩70%、期末课程考核20%、创新成绩10%三部分综合评定。
教材:
《大学物理实验》,2009年6月由国防工业出版社出版。
电阻元件伏安特性测量是一个基础性实验,共2个学时,在大学一年级下学期开设,其中讲解30分钟,操作60分钟。
学生在高中已经学过电阻的概念,学过欧姆定律,也做过伏安法测电阻实验。
实验开设目的:
一是弥补由于生源地域不同而导致的个体实验能力差异;
二是作为入门实验引导学生熟悉大学物理实验设计的基本思路;
三是与中学的定性方法进行比较定量的测出电阻元件伏安特性曲线。
教学中首先从一些基本常识和基本技能入手,包括电阻阻值的色环标识方法和数字万用表的使用方法,为实验设计做好铺垫。
其次重点引导学生分析实验设备和实验条件,从减小实验系统误差的角度出发,科学的选择实验方法,设计实验电路。
并与中学的实验方法进行比较,提升学生的分析和解决问题的思维深度。
最后强调实验数据作图的基本规范,培养学生严谨的实验作风。
重点要强调的就是四个一:
一个常识、一个技能、一个思路和一个规范。
正课
一、电阻阻值色环标识方法
(一)电阻的分类
简介引入为什么要学习电阻,再介绍8种电阻器。
5种线性电阻,3种非线性电阻。
碳膜电阻是利用真空喷涂方法在瓷棒上喷涂一层碳膜,外边再涂上环氧树脂进行密封。
它的特点是阻值误差较大,但价钱便宜。
金属膜电阻同样是利用真空喷涂方法,只是将碳膜换成了金属膜,同时在瓷棒两端也镀上贵金属。
显然它比碳膜电阻要贵,但是它的精度更高。
这两种电阻都是喷膜,有时候也统称为薄膜电阻。
绕线电阻是用高阻合金线在绝缘骨架上缠绕而成,外面再涂上耐热的绝缘层或绝缘漆。
水泥电阻实际上是一种方形的绕线电阻,外面涂上耐热、耐湿、耐腐蚀的材料进行保护,然后整体放在一个瓷框内,用特殊的水泥填充。
这两种电阻不论怎么封装,都是用电阻丝绕成的,所以都有电感效应,也就都不适合在高频电路中使用。
贴片电阻是一种金属玻璃铀电阻,它的本体是由钌系列玻璃铀材料经过高温烧结而成,特点是体积小、精度高,高频性能好。
以上这5种电阻都是线性电阻,它们的制作方法不同,使用领域也不同。
还有几种非线性电阻。
比如热敏电阻是一种对温度极为敏感的非线性电阻,可以用来制作热敏电阻温度计。
光敏电阻是对光线强弱极为敏感的一种非线性电阻,可用来制作可见光、红外光、紫外光的光强传感器。
压敏电阻是对电压变化极为敏感的一种非线性电阻。
当电阻上的电压在某一范围时,它的阻值是无穷大,电路相当于断路;当电压略高于上限时,它的阻值就会迅速下降,使电阻处于导通状态;所以可以用来做电阻开关。
这几种非线性电阻的阻值都会随着外界条件的变化而变化,可以把一些非电量转化成电学量进行测量,所以可以用作各种传感器。
(二)电阻阻值色环表示方法
电阻的最主要参数就是阻值大小,阻值的标识方法通常有直标法、文字符号法、数码法和色环法四种。
色环法是指在电阻封装的外表面上涂上一定颜色的环,来代表这个电阻的阻值。
常用的色环有四色环和五色环,五环法比四环法表示更精确,六环法只在特殊场合使用。
色环法简单地说就是一种颜色与阻值的对应关系。
所以首先要了解有几种颜色,每种颜色代表什么意思。
颜色含义:
黑、棕,红橙黄绿蓝紫,灰白、金银。
前面十种颜色代表10个阿拉伯数码,也就是0~9,后面的金色和银色代表误差。
怎么记呢?
讲解口诀。
颜色分布含义:
以四环法为例。
四个环间距是不等的,一般误差环距离其它环要远一些。
找到误差环以后,把误差环放在自己的右手,从左边开始,第一环代表阻值的第一位有效数字,第二环代表阻值的第二位有效数字,第三环代表乘以10的多少次方,也就是10的幂次,刚才说了最右边一个环代表阻值的误差。
举例:
电阻,红色,黄色,棕色,金色,所以阻值是24×101欧姆,误差是5%。
如果是五色环,不同点就是前3环代表有效数字,第四环代表乘以10的幂次,同理最后一环代表误差,只是它的误差不仅仅是金银这样两种颜色,还包括其它6种。
(三)电阻阻值计算器
现在网上有很多色环电阻阻值计算器,可以通过阻值查色环:
输入数值,软件会自动列出颜色分布;点选颜色分布,软件会解析阻值。
二、数字万用表使用方法
万用表包括数字万用表和模拟万用表,实验室用的是3位半的数字万用表,其它的万用表与这个大同小异。
外观:
显示屏、电源开关、功能转盘、测量插孔等。
重点要了解三个方面内容:
是什么,能干什么,怎么用。
测量插孔:
用来连接两支表笔,一般是一红一黑。
共有四个插孔,有的表是3个插孔,但其中总有一个是标着COM,通用接口。
不论测电压、电流,还是电阻,总有一个表笔要插在这个插孔,一般接黑表笔。
右上角插孔标的是VΩHz表示什么呀?
测电压、电阻和频率时红表笔都要接在这个插孔。
左上角标有10A的插孔,表示这是一个大电流档,只有测几个安培的电流时红表笔才接在这儿。
中间靠左侧标有mA的插孔,表示测小电流时红表笔要接在这儿。
功能转盘:
手柄上黄色的点指向不同的区域,也就代表执行不同的功能。
右侧是电压,包括交流、直流,交流最大到700V,指的是有效值;直流最大到1000V。
七点方向是电流档,同样包含交流、直流。
注意这里有两个位置标有10A,扳到这个档就表示要测大电流,红表笔必须接在10A插孔的位置。
十点方向有一个二极管符号还有一个小喇叭符号,可以用来检测电路的通断、判断元件的好坏。
当电路导通时喇叭会响,这也是常用的一个功能。
左侧是电容档。
正上方表示的就是电阻档。
要说明的是每个档位所显示的数值,都是该档能够测量的最大值,也就是量程。
如果超过量程,万用表会自动保护。
演示如何测量电压、电流和电阻。
电压测量:
测量实验室插座电压是多少。
先打开电源,将红黑表笔接到对应插孔,转动手柄指向需要的档位。
再将两个表笔尖端插入到插座插孔中,读出电表显示的数值。
注意:
220V电压是很危险的,所以注意身体的其他部位不要触及金属部分,尤其是笔尖。
电流测量:
做法的不同点只是手柄转到的档位不同,并且要把两个表笔串接到电路中去,也要防止大电流对自己的伤害。
电阻测量:
测量电阻和测量电压的方法相同,只是档位不同。
三、]实验设计
(一)实验仪器设备
包括一个直流可调稳压电源(最高输出15伏),还有两块MS8265万用表和一些导线。
待测元件是碳膜电阻和一个1.5瓦的小灯泡。
稳压电源:
实验中不再使用中学的干电池、闸刀开关、滑线变阻器,而是把这三样东西集中在一起用直流稳压电源代替,调节电压输出旋钮实际上就是调节一个小的滑线变阻器(电位器)。
万用表:
用一块万用表的电流档代替中学电路中的安培表,用另一块万用表的电压档代替伏特表。
(二)实验分析
1、了解待测元件的参数。
比如它的电阻,额定电压、额定功率、最大电流。
举例:
碳膜电阻,100欧姆,功率是2w。
小灯泡的额定电压和额定功率,12V,1.5w,可以算出正常工作时阻值大概是多少。
2、电压确定:
检查电源,直流还是交流,最大输出电压是多少。
目的是为了确定万用表电压档的量程。
还要注意,电源输出电压不能超过灯泡的额定电压,否则灯泡会烧掉。
3、电流确定:
有了电阻阻值的估计和电源电压的最大值的判断,大致确定电路中通过元件的最大电流,确定万用表电流档的量程
举例:
小灯泡12V,1.5w,正常工作时电流多大。
4、确定万用表功能量程:
按照不能超量程的基本原则,确定哪块表测电流,哪块表测电压,把万用表转到相应的档位。
5测量万用表档位内阻:
用一块表去测量另一块表的电压档内阻,另一块表的电流档内阻。
(三)电路设计
连接方法:
伏安法测电阻有两种基本连接电路,一种是安培表内接法,一种是安培表外接法
设计依据:
一个基本原则,要求测量结果的系统误差最小。
误差公式:
第一种,内接法:
第二种,外接法:
误差曲线:
以待测电阻作为横轴,以系统误差作为纵轴,假设安培表内阻和伏特表内阻确定,得到这两种接法的系统误差曲线。
从曲线中可以看出,内接法系统误差随着待测电阻增大而减小,外接法系统误差随着待测电阻增大而逐渐增大。
两条曲线交点,代表内接法和外接法的系统误差相同,而这个交点的横坐标就是
。
理论说明:
根据系统误差最小的基本原则,可以得出只要
大于
,采用内接法要好,而
小于
,采用外接法要好。
(四)实验要求
1、先估计待测电阻阻值大小;
2、判断电源输出电压范围;
3、估算电路中实际通过的最大电流;
4、确定万用表作用,并选择合适的电压档或电流档;
5、用万用表测量所选择电压档的内阻和电流档的内阻;
6、根据前述系统误差最小原理选择合适的连接方法;
7、测量碳膜电阻和小灯泡的伏安特性数据;
8、根据测量数据在坐标纸上绘制伏安特性曲线。
四、实验数据作图规范
(一)作图规范
1、作图和列表都应真实反映测量结果,不应扩大或缩小测量精度;
2、根据需要选择合适的坐标纸;这里我们选择直角坐标纸就可以。
3、坐标轴的标注要反映待测物理量的名称及单位;
4、坐标轴的分度要反映测量仪器的精度;
原则就是凡是准确的数在坐标轴上都要能找到,凡是估读的数必须在两个坐标线之间。
5、数据点要用+×⊙△□等标注。
点的大小应该是3倍精度大小。
6、同一数据系列采用同一符号,不同数据系列采用不同符号标注;
7、标注图名、图例、环境条件、作图人等信息;
8、校准曲线连成折线,其余一般连接成平滑曲线。
(二)作图示例
小灯泡伏安特性曲线图,重点了解坐标轴怎么分度?
一个小格代表多少?
数据点怎么描?
曲线怎么连结?
五、总结
知识:
常见电阻的分类和碳膜电阻的色环标识方法。
基本技能:
数字万用表的使用方法。
能力素质:
实验分析能力、实验设计能力、数据作图能力。
情感态度与价值观:
什么是大学、什么是大学生、什么是大学的思维方式。
六、课后作业
1、完成实验报告,注意数据记录表中的有效数字记录方法,电阻的有效数字计算方法和作图规范。
2、研究晶体二极管和三极管的伏安特性曲线。
对于三极管来讲,一般我们是分别测量它的输入和输出特性曲线。
幻灯片1
板书:
电阻元件伏安特性测量
共3min
幻灯片2,1’20”
讲述
幻灯片3,40”
幻灯片4,50”
(板书)
一、电阻阻值色环标识方法
7min
幻灯片5,3’
教鞭指点
板书:
钌
是一种类似于白金的多价稀有金属,灰色
幻灯片6,2’40”
设问?
与阿拉伯数字比较
8和0,5和2
结合幻灯片讲解
棕1红2橙上3,
4黄5绿6是蓝,
7紫8灰9雪白,
黑色是0要牢记。
板书:
24×101
幻灯片7,1’
指示图板
板书:
二、数字万用表的使用
4’30”
幻灯片8,3’
操作演示
大家拿起桌面上的表一起来看
提问:
ComponentObjectModel
幻灯片9,40”
幻灯片10,15”
幻灯片11,5”
板书:
三、实验设计
7’10”
幻灯片12,50”
幻灯片13,2’40”
提示:
自行分析碳膜电阻阻值。
颜色是棕黑棕101
答案:
100欧姆
板书:
1.5/12=0.125A
幻灯片14,2’35”
板书公式
公式的推导过程见教材
自行推导该点坐标
幻灯片15,1’
要求见实验报告纸
板书:
四、作图规范
4min
幻灯片16,3’40”
幻灯片17,30”
幻灯片18,40”
幻灯片19,1’
举例
电压0.67V,电流6.7mA,电阻多少?
写100是不对的。
课后摘要:
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