物理实验指导书 - 图文

实验1 基本测量

基本测量是指基本物理量的测量。常用的基本物理量有长度、质量（密度）、时间和电流强度等。

长度是一个基本物理量，长度测量不仅在生产和科学实验中被广泛使用，而且许多其他物理量也常常化为长度量进行测量，除数字显示仪器外，几乎所有测量仪器最终将转换为长度进行读数。例如，水银温度计是用水银柱面的位置来读取温度的；电压表或电流表是利用指针在表面刻度盘上移过的弧长来读数的??。常用的长度测量仪器是米尺、游标卡尺、螺旋测微计、读数显微镜等。用量程和分度值表示这些仪器的规格。量程是测量范围；分度值是仪器所标示的最小分划单位，仪器的最小读数，分度值的大小反映仪器的精密度，分度值越小，仪器越精密，仪器的误差相应也越小。从误差角度考虑，测量不同大小的长度时须使用不同规格（量程及分度值）的长度测量仪器。

质量密度、时间和电流强度等三个基本物理量的测量在后续实验中介绍。

1 [实验目的]

1.1 掌握游标和螺旋测微装置的原理，学会游标卡尺和螺旋测微计的正确使用； 1. 2学习仪器的读数方法，并能根据有效数字的概念正确记录实验数据； 1.3学习不确定度估算和实验结果表示的方法。

2 [实验仪器]

米尺，游标卡尺，螺旋测微计，金属长方体，金属圆筒，小钢球。

3 [仪器介绍]

3.1 米尺（钢直尺）

常用的米尺量程有0～100cm等各种尺寸，分度值为lmm，单位常用cm。测量长度时可估计至1分度的1/10（即0.1mm）。测量过程中，一般不用米尺的端边作为测量的起点，以免由于边缘磨损而引入误差，而可选择某一刻度线（例如10cm刻线等）作为起点。由于米尺具有一定厚度，测量时就必须使米尺刻度面紧挨待测物体，否则会由于测量者视线方向的不同而引入测量误差。图1-1为米尺测量例子，12.5cm是准确读出，0.02cm是估读。

图1-1读数：12.52cm

3.2 游标卡尺

为了使米尺测得更准一些，在米尺（主尺）上附加一个能够滑动、有刻度的副尺（称为游标）就构成一个游标尺，利用游标可以把米尺上估读的那位数值准

确地读出。

游标尺在构造上的主要特点是：游标上n个分度的总长与主尺上（n-1）个最小分度的总长相等。设主尺的最小分度值为a，游标的分度值为b，则nb=(n-1)a ；

主尺分度值与游标分度值之差?为：

??a?b?a?n?1aa? (1-1) nna?0.02mm。 ni就是游标的最小读数，即游标卡尺的分度值。 本实验用的游标卡尺n=50，a=lmm，故?=

图1-2的游标卡尺通常为一端带有内、外卡爪C、A及背槽的主尺，套一带有内、外卡爪D、B及深度测条E的游标。松开螺钉S，游标就可沿主尺滑动。测量物体的长度或外径时，就把物体夹在A、B之间，推紧游标，然后读数；如测内径，把C、D插入待测物的空腔内，再把C、D拉开到最大程度，然后读数：测条E可以用来测量物体空腔的深度。

图1-2 游标卡尺

当AB两钳密合时，游标的“0”线与主尺的“0”线对齐，游标上第50条刻度线与主尺上第49条刻度线对齐，此时游标上第一条刻度线与主尺上lmm刻度线之间的距离为0.02mm。游标上第5条刻度线与主尺上5mm处刻度线的间距为Δl = 5×0.02 = 0.10mm，依此类推，当游标向右移动，使游标的第10条刻度线与主尺上lcm处的刻度对齐时，游标“0”线与主尺“0”线的间距Δl = 10×0.02 = 0.20mm。为了便于直接读数，在游标的第5、10、15、20、25、30、35、40和45刻线上标有1、2、3、4、5、6、7、8、和9等字样，表示游标的这些线与主尺刻度线对齐时，Δl分别为0.10、0.20、0.30、??、0.90mm。

游标尺的读数方法可归纳为：先读出游标“0”刻度对应到主尺上的整数刻度值l（mm）,再从游标上读出不足lmm的lˊ数值。若游标上第K条刻度线与主尺某一刻度线对齐， lˊ部分的读数为： l??k???k?(a?b)?k?最后结果为： L?l?l??l?k?a na (1-2) n例：图1-3读数为：50 mm +12×0.02 mm =50.24mm=5.024cm（主尺为米尺,

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单位是cm，要化为mm读数）

图1-3读数：5.024cm

若AB两钳密合时，游标零线与主尺零线不对齐，称为零点误差，是由磨损等一些因素造成，属于系统误差，测量时要对测量值进行修正，零点误差有下列两种情况：

①游标“0”线在主尺“0”线的右方，相距L0；L0值可由游标读出，记为“＋”误差，这说明游标卡尺未测量前已经多出L0的读数，待测量=测量读数－L0

②游标“0”线在主尺“0”线的左方，相距L0；在主尺零线左方再刻上lmm的刻线，游标零线与此刻线相距L0′，L0′的值可由游标读出，L0= -( 1 -L0′)mm，待测量=测量读数－L0。

使用游标是为了提高测量精确度，它不仅能制作卡尺，还广泛应用到其它仪器上，如测高仪、读数显微镜、分光计等。尽管游标有各种不同类型，但其基本原理、读数方法还是一样。如将游标变为圆弧形，直尺变为圆盘，分度改为度数，即成为角游标，分光计中就用到它。

3.3 螺旋测微计（外径千分尺、千分尺）

它是比游标卡尺更精密的长度测量仪器，它能准确地测到0.01mm，量程一般为25mm。常用它测量金属线的直径、薄片的厚度和小钢球的直径等。

螺旋测微计是利用螺旋（测微精密螺杆的外螺纹和固定套管的内螺纹）的旋转运动，将测微螺杆的角位移变为直线位移，称之为机械放大原理。

图1-4螺旋测微计

螺旋测微计外形如图1-4所示，D为主尺，F为螺旋杆测棒，F与转柄E连在一起，旋转棘轮C，E、F会顺着主尺D移动。A、B为二钳口，待测物体夹于其间。常用测微计主尺D上最小分度为0.5mm，螺旋的螺距也为0.5mm。微分筒E每转

一周，测棒F便相对于主尺而移动0.5mm。通常在微分筒E斜边上沿圆周刻有50条分度线，当E转过一个分度时，螺旋杆F移动0.5/50＝1/100mm＝0.01mm，这就是螺旋测微计的精密度，即微分筒每转一格，螺旋杆F移动0.01 mm；如果再估读到1/10分度，测微计就可以量度到1/1000mm,所以称之为千分尺。

测量时，将待测物体放在A、B之间，转动棘轮C，当A、B都与待测物体相接触，棘轮发出“嗒嗒”声响，即可读数。在主尺D上读出0.5mm整数倍数值，从微分筒E斜边分度上读出小于0.5mm的数值（准确读到1/100mm，估读到1/1000mm）。

读数方法：主尺上有一轴向横刻线，它是微分筒E圆周分度的读数准线：轴向横刻线的一侧有分度值为lmm的0-25mm的分度刻线，另一侧刻有表示0.5mm的分度刻线，组成固定标尺。微分筒的棱边是固定标尺的读数准线。

（1）先读主尺上数值：以微分筒的棱边为准线，读出主尺上的整数毫米值，若此时已露出相邻的0.5mm刻线，则应再加0.5mm。

（2）读微分筒上数值：微分筒上刻度的分度值为0.01mm。以轴向横刻线为准线，读出微分筒上的数值（包括估计位）。

（3）以上两读数相加得出被测物的尺寸。

（4）读数时容易产生的错误：由于固定标尺的刻度有一定的宽度，或者固定标尺的安装略有偏差，使测量时读数容易产生错误。

①固定标尺上某刻线刚刚露出，而微分筒上的读数又较大：如固定标尺上的6mm刻度刚刚露出微分筒棱边，而微分筒上的读数为0.460mm，那么对经验不足者可能就读为6.460mm，实验上应读为5.960mm。这是因为固定标尺不应该读为6mm，而应读为5.5mm。

②固定标尺上某刻线欲露出未露出而微分筒上的读数又较小：如固定标尺上的7mm刻度欲露出未露出微分筒棱边，而微分筒上的读数为0.075mm，则应读为7.075mm。

若卡钳AB密合时，副尺的“0”线不与主尺的横线重合，称之为零点误差,这是由于螺旋测微计磨损、松动等因素造成。如果副尺零线在主尺横线上方（图1-5a），误差记为“一”。如果副尺“0”线在主尺横线下方（图1-5b），误差记为“+”；待测量=测量读数一零点误差

图1-5 零点误差读数

（a） 零点误差：－0.012mm （b） 零点误差：+0.007mm

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4 [实验原理]

用游标卡尺、螺旋测微计测出物体的体积。

5 [实验内容]

5.1用米尺测量金属长方体的体积； 5.2用游标卡尺测量金属圆筒的体积； 5.3用螺旋测微计测量钢球的体积。

6 [实验指导]

6.1 用米尺测量长方体的体积

测定金属长方体长度（宽度、厚度）时，应选择不同部位测量5次，数据填入表1-1。

6.2 用游标卡尺测量金属圆筒的体积

6.2.1检查零点，使游标卡尺两钳密合，观察游标“0”线是否与主尺“0”线对齐，若不对齐则记下零点读数。

6.2.2用卡尺测圆筒的外径（D1）、内径（D2）和筒长（H），对每一个物理量要求在测量时应选择不同部位测量5次，数据填入表1-2。 6.3 用螺旋测微计测量钢球的体积

测定螺旋测微计的零点误差,记录量程、最小分度及单位，再将钢球直径测量6次，数据填入表1-3。 6.4注意事项

6.4.1 米尺的刻度可能不够均匀，在测量要求高时可以选取不同的起点，进行多次测量。

6.4.2 游标卡尺的主尺用cm刻度，游标用mm刻度，注意单位统一。游标卡尺用后放入仪器盒时，固定螺钉S要松开。

6.4.3 螺旋测微计测量结束，钳口A、B应留一空隙，再放入仪器盒内。

7 [实验数据处理]

7.1 米尺测量长方体体积的数据处理

表1-1 米尺测量长方体的体积

测量仪器_________ 分度值_________ ?仪 ___________ 单位 mm 测量项目 1 次数 2 3 4 长a 宽b 高c

各个旋钮名称及其功能可查看相应的说明书。调节好示波器各旋钮的初始位置。 6.1.1 显示器控制控制操作

通过调节屏幕上的波形,来熟悉显示器控制钮的功能。 按下电源电源开关（1）（power）LED全部亮，一般操作程序会显示上次开机前的显示设定。调节控制旋钮（3）可调节波形的亮度，顺时针旋转加大亮度，反之则变暗。调节旋钮（4）可调节轨迹和光标的清晰度。通过按钮（7）和旋钮（4）可调节读值和刻度的亮度。通过按钮（8）实现△V-△T-1/△T-OFF的功能。即计算两水平光标之间的电压△V计算两垂直光标之间的时间△T，和1/△T。可将需要的图形通过按键（10）储存起来，按键（10）可用于储存和呼叫所有电子式的选择钮的设定状态。 6.1.2 垂直控制按钮的操作

通过选择选择输出信号及控制幅值的控制调节，来熟悉（11）-（24）按钮（或旋钮）的功能。快速按下CH1（CH2）按钮，通道1（通道2）处于导通状态，可用旋钮（13）、（14）来设置通道1 和2 的垂直波形定位。在X-Y 模式中，可用（14）来调节Y 轴信号偏转灵敏度。按钮(15)是一个有多种功能键，其中ALT为读出装置显示交替通道的扫描方式，而CHOP则为切割模式的显示，每一扫描期间，不断地在通道1和2 之间作切割扫描。旋钮(17)、(18)分别为通道1和2的电压的灵敏度调节旋钮，档位从1mV/DIV 到20V/DIV.顺时针方向调整旋钮，以1－2－5 顺序增加灵敏度，反时针则减小。它们可作为衰减器或调整的功能使用。

图3-9 GOS-6021型示波器操作面板图 按钮(19)、(20)为通道1和2的交流（～的符号）或直流（＝的符号）的输入耦合键。

按钮(21)、(22)分别为通道1和2的接地与10：1倍率双功能钮。按一下该钮，使垂直放大器的输入断接地，再按一下该钮一段时间，取1：1 和10：1 之间的读出装置的通道偏向系数，10：1 的电压的探棒以符号表示在通道前（如：“P10”,CH1）,在进行光标电压测量时，会自动包括探棒的电压因素，如果10:1 衰减探棒不使用，符号不起作用。 6.1.3 水平控制按钮的操作

水平控制可选择时基操作模式和调节水平刻度，位置和信号的扩展，可通过旋钮（25）、（26）意见按钮（27）、（28）、（29）来实现。按钮（25）可将信号以水平方向移动，与按钮（28）MAG 功能合并使用，可移动屏幕上任何信号。以1-2-5 的顺序递减时间偏向系数，反方向旋转则递增其时间偏向系数，时间偏向系数会显示在读出装置上.在主时基模式时,如果MAG 不动作，可在0.5S/DIV 和0.2US/DIV 之间选择以1-2-5 的顺序的时间常数偏向系数。

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按住按钮(27)一段时间，仪器可作为X-Y 示波器用。X-Y 符号将取代时间偏向系数显示在读出装置上。在这个模式中，在通道1输入端加入X（水平）信号，通道1 输入端加入Y（垂直）信号。按下按钮(28)，将在×1（标准）和MAG(放大)之间选择扫描时间，信号波形将会扩展（如果用MAG 功能）按钮(29)为放大功能键，当处于放大模式时,波形向左右方向扩展，显示在屏幕中心。有三个档次的放大率x5- x10- x20 MAG。按MAG 钮可分别选择。 调出指定个数的波形

在示波器基本调节好之后，接线柱CH2输入（Y）与信号源输出端用导线相连（表示信号电压加到Y偏转板上），而CH1输入（X）接线柱空接。如图4-5-10所示。选择信号源输出的波形和频率，然后分别调节示波器的―垂直衰减（VOLTS／DIV）‖（17）、（18）

图3-10 和―扫描速率（SEC／DIV）‖（28）的档位，观察

图形变化的情况。再调旋钮（26）使波形基本稳定。在屏上分别调出一个、二个、三个完整且稳定的正弦波形。 6.2

用李萨如图形测频率

用一台信号发生器输出的正弦波频率作为标准频率，另一台信号源产生未知频率。在示波器上测量未知信号的正弦波频率。具体操作如下：

(1) 将电缆线插头一端插在标准信号发生器的―电压输出（VOLTAGE OUT）‖插座，电缆线另一端接头接在示波器的―X输入‖（23）接线柱上。

(2) 未知信号发生器的信号接到示波器的―Y输入‖（24）接线柱上，如图3-11所示。

(3) 在标准信号发生器上，选择合适的频率范围（频率范围有：3，30，300，3k，300k，3M（Hz）），再仔细调节标准信号发器上―频率（FREQUENCY）‖旋钮，使示波器上显示相对稳定的某闭合的图像。调标准信号发生器上―波形幅度（AMPLITUDE）‖旋钮，可以改变波形在水平方向的大小。注意，图形一般不可能完全不动，只要仔细调节发生器上的频率，能使图形尽量稳

图3-11

定，待图像较稳定后，由标准信号发生器

(4) 记下频率读数（fx）。注意小数点的位置，读数单位是kHz。

(5) 由式（3-3）计算出未知信号频率的值。由于用不同的李萨如图形计算出的是同一个未知频率，所以要计算fy的平均值（不计算误差）。测量数据记录参见表4-5-2。

由式（3-1）或式（3-2）可知，要使示波器显示出完整而稳定的波形，扫描电压的周期Tx．必须为Y偏转板电压周期Ty的整数倍，或y偏转板电压的频率

fy必须为扫描电压的频率fx的整数倍。这个整数倍（n）就是荧光屏上显示出的完整而稳定的波形个数。这里要注意，Tx不能小于Ty，否则，形成了不完整的波形。 6.3

关于观察信号波形与李萨如图形的区别

实验中说的观察信号波形是指观察某单个电压信号随时间变化的规律是什么样的图像。而李萨如图形，是用它来测量另一个待测信号的频率的。它们共同之处都是两个互相垂直振动的合成，不同处是：前者是某单一电信号与扫描电压的合成，如图4-5-6所示。后者是两个正弦振动的合成，如图4-5-12所示，前者所用的公式是fy=nfx，fx不能大于fy，后者所用的公式是fy／fx =Nx／Ny, fx可以大于fx。由于它们在原理上的异同，从而使它们在电路的连接、实验的操作上有所不同，具体区别在于：

在电路连接上，观察单一信号波形时，是将被观察的电信号一定要接在Y偏转板（Y轴输入）上，而

图3-12 两个相互垂直的正弦波合成的李萨如图形

扫描电压接在X偏转板上，但由于

扫描电压是示波器内部就接有的，因此―X轴输入‖接线柱上就无外接，如图3-10所示。而李萨如图形测频率时，X轴和Y轴上都接有信号，而且都是正弦电压，被测信号接在X轴和Y轴上都可以，另一轴则接标准信号如图3-11所示。

7 [数据处理]

表3-2 李萨如图形测量未知信号频率的数据记录表 fx:fy 李萨如图形 Nx Ny fx（HZ） fy（HZ）

1:1

2:1

1:3

8 [预习思考题]

3-8-1 示波器是好的，当Y轴输入一交变电压，发现屏幕上只出现一条垂直亮线，这时应调节哪些旋钮?如果只出现一条水平亮线，这时应调节哪些旋钮? 3-8-2 示波器上观察到的信号波形不断向左移动，分析这时的扫描电压频率偏高

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还是偏低?

3-8-3 用示波器观察周期为0.2ms的信号电压，要在屏幕上调节出3个稳定的波形，扫描电压的周期应是多少毫秒?

3-8-4 示波器上观察到的正弦波形实际．它是哪两个波形的合成? 3-8-5 示波器上观察到的李萨如图形实际上是哪两个波形的合成? 3-8-6 用示波器观察待测信号的波形和用示波器观察李萨如图形时，示波器的工作方式有什么不同?

3-8-7 用示波器观察李萨如图形时，图形不稳定，应该怎样调节?

9 [课后习题]

3-9-1 总结正确使用示波器的方法。

3-9-2 用示波器可以定量测量交流信号的电压峰—峰值和电压有效值，提供你一台标准信号源，你如何具体去完成测量?

实验6 电路元件伏安特性的测绘及电源外特性的测量

一、实验目的

1、学习测量线性和非线性电阻元件伏安特性的方法，并绘制其特性曲线

2、学习测量电源外特性的方法

3、掌握运用伏安法判定电阻元件类型的方法

4、学习使用直流电压表、电流表，掌握电压、电流的测量方法 二、实验设备

名称 数量 型号

1、直流恒压源恒流源 1台 2、数字万用表 2台 3、电阻 11只

1Ω×1 5.1Ω×1 10Ω×1 20Ω×1 47Ω×2 100Ω×2 200Ω×1 1kΩ×1 3kΩ×1

4、白炽灯泡 1只 12V/3W 5、灯座 1只 M=9.3mm 6、稳压二极管 1只 2CW56 7、电位器 1只 470?/2W 8、短接桥和连接导线 若干 SJ-009和SJ-301 9、九孔插件方板 1块 SJ-010 三、实验原理与说明

1、电阻元件 (1) 伏安特性

二端电阻元件的伏安特性是指元件的端电压与通过该元件电流之间的函数关系。通过一定的测量电路，用电压表、电流表可测定电阻元件的伏安特性，由测得的伏安特性可了解该元件的性质。通过测量得到元件伏安特性的方法称为伏安测量法(简称伏安法)。把电阻元件上的电压取为纵(或横)坐标，电流取为横(或纵)坐标，根据测量所得数据，画出电压和电流的关系曲线，称为该电阻元件的伏安特性曲线。

(2) 线性电阻元件

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线性电阻元件的伏安特性满足欧姆定律。在关联参考方向下，可表示为：U=IR，其中R为常量，称为电阻的阻值，它不随其电压或电流改变而改变，其伏安特性曲线是一条过坐标原点的直线，具有双向性。如图1-1(a)所示。

(3) 非线性电阻元件

非线性电阻元件不遵循欧姆定律，它的阻值R随着其电压或电流的改变而改变，就是说它不是一个常量，其伏安特性是一条过坐标原点的曲线，如图1-1(b)所示。

(4) 测量方法

在被测电阻元件上施加不同极性和幅值的电压，测量出流过该元件中的电流；或在被测电阻元件中通入不同方向和幅值的电流，测量该元件两端的电压，便得到被测电阻元件的伏安特性。

U(v) U(v)

I(mA) I(mA) 0 0 (a) 线性电阻的伏安特性曲线 (b) 非线性电阻的伏安特性曲线

图6-1 伏安特性曲线

2、直流电压源 (1) 直流电压源

理想的直流电压源输出固定幅值的电压，而它的输出电流大小取决于它所连接的外电路。因此它的外特性曲线是平行于电流轴的直线，如图6-2(a)中实线所示。实际电压源的外特性曲线如图6-2(a)虚线所示，在线性工作区它可以用一个理想电压源Us和内电阻Rs相串联的电路模型来表示，如图6-2(b)所示。图6-2(a)中角θ越大，说明实际电压源内阻Rs值越大。实际电压源的电压U和电流I的关系式为：

U?US?RS?I (1-1)

图6-2 电压源特性

(2)测量方法

将电压源与一可调负载电阻串联，改变负载电阻R2的阻值，测量出相应的电压源电流和端电压，便可以得到被测电压源的外特性。

3、直流电流源 (1) 直流电流源

理想的直流电流源输出固定幅值的电流，而其端电压的大小取决于外电路，因此它的外特性曲线是平行于电压轴的直线，如图6-3(a)中实践所示。实际电流源的外特性曲线如图6-3(a)中虚线所示。在线性工作区它可以用一个理想电流源Is和内电导Gs(Gs=1/Rs)相并联的电路模型来表示，如图6-3(b)所示。图6-3(a)中的角θ越大，说明实际电流源内电导Gs值越大。实际电流源的电流I和电压U的关系式为：

I?IS?U?GS (6-2)

(2) 测量方法

电流源外特性的测量与电压源的测量方法一样。

图1-3 电路源外特性

图6-3 电流源特性

四、实验步骤

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1、测量线性电阻元件的伏安特性

(1) 按图6-4接线，取RL=47?，Us用直流稳压电源，先将稳压电源输出电压旋钮置于零位。

(2) 调节稳压电源输出电压旋钮，使电压Us分别为0V、1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V，并测量对应的电流值和负载R L两端电压U，数据记入表6-1。然后断开电源，稳压电源输出电压旋钮置于零位。

(3) 根据测得的数据，在下面坐标平面上绘制出RL= 47?电阻的伏安特性曲线。先取点，再用光滑曲线连接各点。

表6-1 线性电阻元件实验数据

Us(v) I(mA) U(v) R=U/I(?) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

图6-4 线性电阻元件的实验线路 图6-5 钨丝灯泡伏安特性测试电路

2、测量非线性电阻元件的伏安特性(钨丝灯电阻伏安特性测量) (1) 实验目的

通过本实验了解钨丝灯电阻随施加电压增加而增加的特性，并了解钨丝灯的使用情况。

(2) 钨丝灯特性描述

实验仪用灯泡中钨丝和家用白炽灯泡中钨丝同属一种材料，但丝的粗细和长短不同，就做成了不同规格的灯泡。

本实验的钨丝灯泡规格为12V 0.1A。金属钨的电阻温度系数为

4.8×10-3 /℃，为正温度系数，当灯泡两端施加电压后，钨丝上就有电流流过，产生功耗，灯丝温度上升，致使灯泡电阻增加。灯泡不加电时电阻称为冷态电阻。施加额定电压时测得的电阻称为热态电阻。由于钨丝点亮时温度很高，超过额定电压时，会烧断，所以使用时不能超过额定电压。由于正温度系数的关系，冷态电阻小于热态电阻。在一定的电流范围内，电压和电流的关系为：

U=KIn (6-3)

式中U— 灯泡二端电压，V； I— 灯泡流过的电流，A； K— 与灯泡有关的常数； N— 与灯泡有关的常数

为了求得常数K和n，可以通过二次测量所得U1、I1和U2、I2，得到：

U1=KI1n (6-4) U2=KI2n (6-5)

将 式(6-4)除以式(6-5)式可得

U1lgU2

n=(6-6) I1lgI2将式(6-6)式代入式(1-4)式可以得到：

K=U1I1–n (6-7)

(3) 实验设计

灯泡电阻在端电压12V范围内，大约为几欧到一百多欧姆，电压表在20V档内阻为1MΩ，远大于灯泡电阻，而电流表在200mA档时内阻为10?或1?(因万用表不同而不同)，和灯泡电阻相比，小的不多，宜采用电流表外接法测量，电路图见图6-5。注意：接线前应确认电压源的输出已经调到最小！按表6-2规定的过程，逐步增加电源电压，注意不要超过12V！记下相应的电流表数据。

(4) 实验记录

表6-2 钨丝灯泡 伏安特性测试数据

灯泡电压V(V) 灯泡电流A(mA) 灯泡电阻计算值(?) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 由实验数据在坐标纸上画出钨丝灯泡的伏安特性曲线，并将电阻

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直算值也标注在坐标图上。

选择二对数据(如U1=2V，U2=8V，及相应的I1、I2)，按式(6-6)和式(6-7)式计算出K、n两系数值。由此写出式(6-3)式，并进行多点验证。 3、测量直流电压源的伏安特性

(1) 按图6-6接线，将直流稳压电源视作直流电压源，取R=100?。 (2) 稳压电源的输出电压调节为Us=10V，改变电阻RL的值，使其分别为100?、47?、20?、10?、5.1?、1?，测量其相对应的电流I和直流电压源端电压U，记于表6-3中。

表6-3 电压源实验数据 RL(?) I(mA) U(V) 100 47 20 10 5.1 1 (3) 根据测得的数据在坐标平面上绘制出直流电压源的伏安特性曲线。

4、测量实际直流电压源的伏安特性

(1) 按图6-7接线，将直流稳压电源Us与电阻Ro(取47?)相串联来模拟实际直流电压源，如图中虚线框内所示，取R=100?。

图6-6 电压源实验线路 图6-7 实际电压源实验线路

(2) 将稳压电源输出电压调节为Us=10V，改变电阻RL的值，使其分别为100?、47?、20?、10?、5.1?、1?，测量其相对应的实际电压源端电压U和电流I，记入表6-4中。

表6-4 实际电压源实验数据

RL(?) I(mA) U(V) 100 47 20 10 5.1 1 (3) 根据测得的数据在下面平面坐标上绘制实际电压源的伏安特性曲线。

5、测量直流电流源的伏安特性

(1) 按图6-8接线，RL为可变负载电阻。

图6-8 电流源实验线路 图6-9 实际电流源实验线路

(2) 调节直流电流源的输出电流为Is=25mA，改变RL的值分别为300?、200?、100?、50?、20?，(其中300?采用200?与100?串联，50?采用2个100?并联)，测量对应时电流I和电压U，记入表1-5中。

(3) 根据测得的数据在坐标平面上绘制电流源的伏安特性曲线。 6、测量实际直流电流源的伏安特性

(1) 按图6-9接线，RL为负载电阻，取Ro = 1k?，将Ro与电流源并联来模拟实际电流源，如图中虚线框内所示。

(2) 调节电流源输出电流Is=25mA，改变RL的值分别为300Ω、200Ω、100Ω、50Ω、20Ω，测量对应的电流I和电压U，记入表6-6中。

(3) 根据测得的数据在坐标平面上绘制实际电流源的伏安特性曲线。

表6-5 电流源实验数据

RL(?) I(mA) U(V) 300 200 100 50 20 表6-6 实际电流源实验数据

RL(?) I(mA) U(V) 300 200 100 50 20 42

五、注意事项

1、电流表应串接在被测电流支路中，电压表应并接在被测电压两端，要注意直流仪表“+”、“－”端钮的接线，并选取适当的量限。

2、使用测量仪表前，应注意对量程和功能的正确选择。 3、直流稳压电源的输出端不能短路。

4、实验中用到的RL可以用470?/2W的电位器代替，通过调节电位器接入不同的RL(用万用表测出)，并记下各测量数据。

5、实验元件的功率都已标出，使用时不要超过其功率范围以免损坏元件。 六、分析和讨论

1、比较47?电阻与白炽灯的伏安特性曲线，得出什么结论？

2、试从钨丝灯泡的伏安特性曲线解释为什么在开灯的时候容易烧坏？

3、根据不同的伏安特性曲线的性质区分它们为何种性质的电阻？ 4、通过元件伏安特性曲线分析欧姆定律对哪些元件成立？哪些元件不成立？

5、比较直流电压源和实际直流电压源的伏安特性曲线，从中得出什么结论？

6、比较直流电流源和实际直流电流源的伏安特性曲线，从中得出什么结论？

7、稳压电源串联电阻构成的电压源，它的输出电压与输出电流之间有什么关系？是否能写出伏安特性方程式？

8、选取表6-6中的任一组实验结果，按式(6-2)计算出Rs、Gs和实验参数比较。

选做实验1

二极管伏安特性曲线的研究

一、实验目的

通过对二极管伏安特性的测试，掌握锗二极管和硅二极管的非线性特点，从而为以后正确设计使用这些器件打下技术基础。

二、伏安特性描述

对二极管施加正向偏置电压时，则二极管中就有正向电流通过(多数载流子导电)，随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时(锗管为0.2V左右，硅管为 0.7V左右)，电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大。

对上述二种器件施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿观察，这很容易造成二极管的永久性损坏。所以在做二极管反向特性时，应串入限流电阻，以防因反向电流过大而损坏二极管。

二极管伏安特性示意图6-10，6-11

图6－10锗二极管伏安特性 图6－11硅二极管伏安特性

三、实验设计

图6-12 二极管反向特性测试电路

1、反向特性测试电路

二极管的反向电阻值很大，采用电流表内接测试电路可以减少测

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量误差。测试电路如图6-12，电阻选择510Ω

2、正向特性测试电路

二极管在正向导道时，呈现的电阻值较小，拟采用电流表外接测试电路。电源电压在0～10V内调节，变阻器开始设置510Ω，调节电源电压，以得到所需电流值。

图6-13 二极管正向特性测试电路

四、数据记录

见表6-7、6-8

表6-7 反向伏安曲线测试数据表

U(V) I(u?) 电阻计算值(??) 表6-8 正向伏安曲线测试数据表

正向伏安曲线测试数据 I(m?) U(V) 电阻直算值(??) 注意： 实验时二极管正向电流不得超过20mA。 五、实验讨论

1、二极管反向电阻和正向电阻差异如此大，其物理原理是什么？ 2、在制定表6－8时，考虑到二极管正向特性严重非线性，电阻值变化范围很大，在表6－8中加一项“电阻修正值”栏，与电阻直算值比较，讨论其误差产生过程。

选做实验2

稳压二极管反向伏安特性实验

一、实验目的

通过稳压二极管反向伏安特性非线性的强烈反差，进一步熟悉掌握电子元件伏安特性的测试技巧；通过本实验，掌握二端式稳压二极管的使用方法。

二、稳压二极管伏安特性描述

2CW56属硅半导体稳压二极管，其正向伏安特性类似于1N4007型二极管，其反向特性变化甚大。当2CW56二端电压反向偏置，其电阻值很大，反向电流极小，据手册资料称其值≤0.5??。随着反向偏置电压的进一步增加，大约到7－8.8V时，出现了反向击穿(有意掺杂而成)，产生雪崩效应，其电流迅速增加，电压稍许变化，将引起电流巨大变化。只要在线路中，对―雪崩‖产生的电流进行有效的限流措施，其电流有小许一些变化，二极管二端电压仍然是稳定的(变化很小)。这就

是稳压二极管的使用基础，其应用电路见图6-14。

图中，E—供电电源，如果二极管稳压值为7～8.8V，则要求E为10V左右；R—限流电阻，2CW56，工作电流选择8mA，考虑负载电流2 mA，通过R的电流为10 mA，计算R值：

R=用电路

E?Uz10?8==200? 图6-14稳压二极管应I0.01C—电解电容，对稳压二极管产生的噪声进行平滑滤波。 UZ—稳压输出电压。 三、实验设计

1、2CW56反向偏置0～7V左右时阻抗很大，拟采用电流表内接测试电路为宜；反向偏置电压进入击穿段，稳压二极管内阻较小(估计为R=8/0.008=1K?)，这时拟采用电流表外接测试电路。结合图6-14，测试电路图见图6-15。

2、实验过程

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电源电压调至零，按图6-15接线，开始按电流表内接法，将电压表＋端接于电流表＋端；变阻器旋到1000Ω后，慢慢地增加电源电压，记下电压表对应数据。

当观察到电流开始增加，并有迅速加快表现时，说明2CW56已开始进入反向击穿过程，这时将电流表改为外接式，按表1-9继续慢慢地将电源电压增加至10V。为了继续增加2CW56工作电流，可以

逐步地减少变阻器电阻，为了 图6-15 稳压二极管反向伏安特性测试电路 得到整数电流值，可以辅助微调电源电压。 四、实验记录

表 6-9 2CW56 硅稳压二极管反向伏安特性测试数据表

电流表接法 内接式 外接式 U(V) I(??) I(mA) U(V) 数 据 将上述数据在坐标纸上画出2CW56伏安曲线，参考图见6-16。有条件时，在老师指导下，利用计算机作图。

图6-16 2CW56伏安曲线参考图

五、思考题

1、在测试稳压二极管反向伏安特性时，为什么会分二段分别采用电流表内接电路和外接电路？

2、稳压二极管的限流电阻值如何确定？(提示：根据要求的稳压二极管动态内阻确定工作电流，由工作电流再计算限流电阻大小)

3、选择工作电流为8mA，供电电压10V时，限流电阻大小是多少？供电电压为12V时，限流电阻又多大？

附录1

电表内接和外接对测量元件伏安特性的影响

当电流表内阻为0，电压表内阻无穷大时，下述两种测试电路都不会带来附加测量误差。

图6-17 电流表外接测量电路 图6-18 电流表内接测量电路

U 。 I实际的电流表具有一定的内阻，记为RI；电压表也具有一定的内

U阻，记为RU因为RI和RU的存在，如果简单地用R?公式计算电阻

I器电阻值，必然带来附加测量误差。为了减少这种附加误差，测量电

被测电阻R?路可以粗略地按下述办法选择：

A、当RU>>R，RI和R相差不大时，宜选用电流表外接电路，此时R为估计值；

B、当R>>RI，RU和R相差不大时，宜选用电流表内接电路， C、当R>>RI，RU>>R时，必须先用电流表内接和外接电路作测试而定。

方法如下：先按电流表外接电路接好测试电路，调节直流稳压电

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源电压，使两表指针都指向较大的位置，保持电源电压不变，记下两表值为U1，I1；将电路改成电流表内接式测量电路，记下两表值为U2，I2。

将U1，U2和I1，I2 比较，如果电压值变化不大，而I2较I1有显著的减少，说明R是高值电阻。此时选择电流表内接式测试电路为好；反之电流值变化不大，而U2较U1有显著的减少，说明R为低值电阻，此时选择电流表外接测试电路为好。

当电压值和电流值均变化不大，此时两种测试电路均可选择(思考：什么情况下会出现如此情况？)

在实际应用中，为了更加简便判断，也可以这样判断：

比较lg(R/RI)和lg(RU/R)的大小，比较时R取粗测值或已知的约值。如果前者大则选电流表内接法，后者大则选择电流表外接法

如果要得到测量准确值，就必须按下6－8， 6－9两式，予以修正。

U?RI (6-8) I1I1电流表外接测量时，?? (6-9)

RURU上两式中：R—被测电阻阻值，Ω；U—电压表读数值，V；

即电流表内接测量时，R? I—电流表读数值，A； RI—电流表内阻值，Ω； RU—电压表内阻值，Ω。

附录2 九孔板

九孔板的面板结构如下图所示。日字型的结构中每个插孔都是相互连通的。但任何两个日字型结构之间是不导通的。田字型的结构中每个插孔都是相互连通的。但两任何个田字型结构之间是不导通的。一字型的结构中每个插孔都是相互连通的。但两个一字型结构之间是不导通的。我们可以用元器件，导线和连接器等连接成我们需要的电路。

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