2015-2016年物理实验I指导书 - 图文

（六）伏安法测量非线性电阻

【实验原理】

参见教材：《结构化大学物理实验》（第二版）实验11.1（参考页码P449?451）。

（一）用伏安法测固定电阻（要求相对不确定度不大于1.0%）

1．伏安法测固定电阻的基本原理是欧姆定律

R?V （6?1） I式中：V—电阻两端的电压（V）；I—流经电阻的电流（A）；R—待测电阻（?）。 2．电流表接法

（1）电流表外接，如图6?1所示

由电流表和电压表读数计算的结果实际是Rx与电压表内Rx两端电压为Vx，I?Ix?Iv，

RxRv阻Rv的并联电阻R?，所引入的方法误差用相对误差表示为 ?xRx?Rv?RxRx （6?2） ?RxRx?Rv由式（6-2）知，当Rx??Rv时，即小电阻测量宜采用电流表外接线路，方法误差较小。 电流表外接法扣除电压表内阻Rv的影响后，实际测量值为

Rx??RvRx （6?3） ?Rv?Rx（2）电流表内接，如图6?2所示：

图6?1 电流表外接法 图6?2 电流表内接法 V?VA?Vx，I?Ix，则Rx??VVA?Vx??RA?Rx，引入的方法误差用相对误差表示为 IIx?RxRA? （6?4） RxRx由式（6?4）知，当Rx??RA时，即大电阻测量宜采用电流表内接线路，方法误差较小。 电流表内接法扣除电流表内阻RA的影响后，实际测量值为

??RA （6?5） Rx?Rx

28

不管是那种接法，要准确地进行测量，都要按式（6?3）或（6?5）修正方法误差。

（3）电表的选择

本实验要求修正系统误差即电表的内阻影响，以下分析不考虑A类不确定度，且指针式电表的设计已经使得估读误差小于仪器误差的1/3，所以只考虑仪器误差，即相对不确定度

?Rx1??V仪???I仪?????????V???I????????1.0% （6?6） RxVIVI3????????由误差均分原则有

2222??V仪???I仪?1??????VI????222??V仪?I仪??1.5?1.0%?1.2% 3?1.0%，VI?2故应选1级电压表和1级电流表。实际测量时无法保证误差完全均分，所以选用0.5级

电压表和电流表比较可靠。

（4）确定测量条件

量程的选择应根据Rx的估值来定 ①测量Rx1?51?/1W（电流表外接） 对0.5级电压表，采用1.5V量程档时

②Rx2?1K?/1W（电流表内接） 还是0.5级电压表，采用7.5V量程档时

Imax?V1.5??29.4(mA)?30(mA) Rx151 Imax?V7.5??7.5(mA)?15(mA )Rx11000故电压表选1.5V档，电流表选30mA档。 根据误差要求计算电压及电流的测量范围。

故电压表选7.5V档，电流表选15mA档。

?V仪?量程?0.5%?1.5V?0.5%?0.0075V ?0.0075?1.%2 又 V仪?

VV0.0075所以 V? ?0.63(V)

1.2%故选定电压测量范围0.63V?V?1.5V。 ?V仪?量程?0.5%?7.5V?0.5%?0.038V

?0.038?1.%2 又 V仪?VV0.038所以 V??3.2(V)

1.2%故选定电压测量范围3.2V?V?7.5V。 ?I仪?量程?0.5%?15mA?0.5%?0.075mA

?0.075?1.%2 又 I仪?II0.075所以 I??6.3(mA)

1.2%故电流测量范围6.3mA?I?15mA。

②Rx2有V?V2， ?1k?，P = 1W，由P?R?I仪?量程?0.5%?30mA?0.5%?0.15mA ?0.15?1.%2 又 I仪?

II0.15所以 I? ?13(mA)

1.2%故电流测量范围13mA?I?30mA。

（5）确定工作电压

V2①Rx?51?，P = 1W，由P?，

R

有V?PR?1?51?7(V)

电压表量限E?1.5V满足要求。

PR?1?1000?32(V)

电压表量限E?7.5V满足要求。

29

（二）伏安法测非线性电阻

1．二极管的伏安特性

图6?3是二极管的符号，图6?4是二极管正、反方向的伏安特性曲线，其电阻为R?dVdI，可通过曲线上各点斜率求得。

图6?3二极管符号 图6?4 二极管的伏安特性曲线（每个二极管特性有差异，仅供参考）

2．测量线路图

电流I由毫安表测定，单位为mA；电压V由伏特表测定，单位为V。正向用外接法（见图6?5），反向用内接法（见图6?6）。

图6?5电流表外接法测量二极管正向特性 图6?6电流表内接法测量二极管反向特性

【实验内容】

1、设计伏安法分别测量两只不同阻值固定电阻的电路并进行测量和误差计算； 2、用伏安法测稳压二极管的伏安特性； 3．绘制稳压二极管的伏安特性曲线。

【实验器材】

（0—16V，1A）稳压电源、（49?/3A）滑线变阻器、51?和1k?1W固定电阻、1W稳压二极管接线板、C21型直流电压表0.5级（1.5V/3V/7.5V）相应内阻（300?/600?/1500?）、

C21直流电流表0.5级（15mA/30mA）相应内阻（3.7?/2.1?）各一个，导线若干。

【实验步骤及操作】

30

（一）测量前完成电压表、电流表全部量程对应的仪器误差?仪的计算和内阻记录。（例如：电流表是1.0级表，对1.5mA档，?仪=1.5×1%=00.015 0.02mA，如使用这一档读数一定读到以mA为单位的小数点后第2位，且只能读至这位，多了、少了都不正确；30mA档?仪=30×1%=0.3mA，以mA为单位，这一档就只能读到小数后第1位了）

（二）测量固定电阻

1．Rx1?51?，采用电流表外接，测试线路如图6?7所示。

图6?7 电流表外接法测量固定电阻 图6?8 电流表内接法测量固定电阻 （1）在断电状态下照图6?7连接线路，将电源的电压调节旋钮、电压微调旋钮、滑线变阻器都调到使被测电阻两端电压最小的位置上；

（2）检查电压表，电流表的机械零点是否指零；

（3）经检查无误后开启电源缓慢调节电源电压和滑线变阻器，使电压表和电流表缓慢增加到合理位置，读取电压和电流，只测一组数据。

2．Rx2?1.0k?，采用电流表内接，测试线路如图6?8所示，操作同上，只测一组数据。 特别注意！如果发现电压表或电流表有超量程或反向偏转必须马上断电，认真检查、确认排除故障后才能再次通电测量。

（二）测二极管的正向特性

1．先将电源的四个旋钮全部反时针转到底，按图6?5所示电路连线，滑线变阻器滑动头置于固定端B。（注意外接法：滑线变阻器是分压器不要连成限流器，它的三个接线柱都要用上，电源输出的电压一定要接在滑线变阻器固定端的接线柱上）。认真检查后再接通电源，电源电压不要超过2V !

2．正向电压变化范围0 ? 1V，电流变化0 ? 30mA,所以电压表选1.5V档，电流表选30mA档。

【选作】：电流表换档测量，即开始用1.5mA档，后换7.5mA档，最后换成30mA档测量。注意各量程内阻不同将造成数据不能吻合，必须将每个数据修正后才能绘伏安特性图。

3．滑动滑动头C，缓缓地增加电压，记录电压和相应的电流值。实验要读取10组以上数据，测量要求是电流变化小的地方电压值少取几个点，电流变化大的地方多取几个点，最后一个点在电流为30.0mA处。电流小于5.0mA时改变电压测电流，电压按0.100V等间隔增

31