如何引導(dǎo)學(xué)生做好綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)——以二極管伏安特性曲線測量實(shí)驗(yàn)為例

楊貴榮,喻秋山,邱學(xué)云

(1.思茅師范高等?？茖W(xué)校,云南普洱 665000;2.長江大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,湖北荊州 434023;3.文山學(xué)院,云南文山 663000)

針對(duì)當(dāng)前大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課上,學(xué)生缺乏獨(dú)立思考的能力和動(dòng)手能力的情況,如何正確引導(dǎo)學(xué)生順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn),取得最大的能力培養(yǎng)就是值得思考的問題。下面以二極管的伏安特性曲線測量實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行說明。流表壓降VA和二極管上壓降 VD的壓降之和,即 V=VA+VD(這比實(shí)際的二極管壓降 VD要大)。而反觀,將電鍵撥到位置 2時(shí),此時(shí)的電壓表將直接準(zhǔn)確測量到二極管兩端的電壓,但是由于非理想的電壓表將產(chǎn)生電流分流作用,將引起通過電流表 A的電流是通過二極管的電流 ID和通過電壓表電流 IV之和,即 IA=ID+IV(這比實(shí)際通過二極管的電流 ID要大)。且在二極管兩端電壓低于門限電壓時(shí),會(huì)出現(xiàn)截止情況,但仍然有小電流從電壓表流過,使得測量曲線與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差?？梢钥闯?這兩種方法雖然測量簡單,但都存在有較大測量誤差的不足,在要求精確測量時(shí),此兩種方法是不可取的。

圖1 電流表內(nèi)接法與外接法測量電路原理圖

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的提出與比較

二極管伏安特性曲線測量的實(shí)驗(yàn)作為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)電學(xué)部分設(shè)計(jì)性綜合實(shí)驗(yàn)的重要實(shí)驗(yàn)之一[1-4],能夠很好地鍛煉學(xué)生的綜合思考和動(dòng)手能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通常可供選擇的實(shí)驗(yàn)方案有:電流表內(nèi)接法、電流表外接法,補(bǔ)償法、電橋法和等效法等[2-5]。在這幾種測量方法中,每種方法都大體上能測量出二極管的伏安特性曲線,但結(jié)果和過程卻各有千秋。那么,怎樣去引導(dǎo)學(xué)生篩選出適合自己的最佳實(shí)驗(yàn)方法,獲得最佳的實(shí)驗(yàn)效果,就是現(xiàn)在要解決的問題。

1.1 電流表內(nèi)接法和電流表外接法

要做出伏安特性曲線圖,需要獲得二極管的端電壓 U和通過電流 I的對(duì)應(yīng)數(shù)值。圖 1是最基本的測量伏安特性曲線的電路圖。實(shí)驗(yàn)中,在電鍵分別打向位置 1和 2時(shí),電路分別為電流表內(nèi)接法和電流表外接法。從圖 1中可以看出在電鍵打向位置 1時(shí),電流所示正是流過二極管的電流 I,測量得到的電流值是準(zhǔn)確的,而電壓表讀數(shù) V的值則應(yīng)是電

在上述兩種基本測量方法中,引導(dǎo)學(xué)生通過兩種不同電流表的接入方法和由此產(chǎn)生的效果進(jìn)行分析對(duì)比,能夠讓學(xué)生對(duì)測量方法有更深的了解,加深對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差產(chǎn)生原因的認(rèn)識(shí)。有了新的認(rèn)識(shí)后,我們要進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的不足,進(jìn)行針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)改進(jìn),如對(duì)上述電路進(jìn)行電路補(bǔ)償。

1.2 補(bǔ)償法

如圖 2所示,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行新的嘗試,即對(duì)電壓 (電流)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)。在圖中,兩穩(wěn)壓直流電源 E1和 E2同極相聯(lián),調(diào)節(jié)滑線變阻器 RP和可變電阻 R到合適的阻值時(shí),電流計(jì)指示為零 (即二極管A點(diǎn)和電壓表上 B點(diǎn)間無電勢差),則此時(shí)電壓表檢測到的電壓V也恰好等于二極管端電壓VD,但此時(shí)流經(jīng)電壓表 RV的電流并未流經(jīng)電流表,故在準(zhǔn)確測得電壓的同時(shí)也能準(zhǔn)確得到對(duì)應(yīng)的電流值。

從以上原理分析來看,補(bǔ)償法的理論誤差為零,測量誤差主要來自于檢流計(jì)的靈敏度和電流表、電壓表的精度;其次來自于測量過程中產(chǎn)生的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差。與電流表的內(nèi)接或者外接法相比,實(shí)驗(yàn)的測量精度將得到極大提高,但電路稍顯復(fù)雜,操作較為麻煩。為此,可以引導(dǎo)學(xué)生在此補(bǔ)償法的基礎(chǔ)上,進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q,使用等效法測量,以便更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖2 補(bǔ)償法測量電路原理圖

1.3 等效法

等效法顧名思義就是用一個(gè)電路元件 (圖中為可變電阻 Rp2)完全替代另一個(gè)電路元件 (二極管的電阻 RD)產(chǎn)生的效果。如圖 3所示,保持滑線變阻器 Pp1的滑片 P位置和電源 E1電壓不變,調(diào)節(jié)可變電阻 Rp2的阻值,使得電鍵 K2無論在接通位置 1或 2時(shí),均可使電壓表的示數(shù)保持不變。此時(shí),可變電阻 Rp2的電阻值將與二極管電阻值相等,即有:Rp∥RV∥RD=Rp∥RV∥ (RA+R0),由此可得:RD=RA+R0,故 I=IA。此方法將流過二極管的電流 ID和電壓VD分別測量,避免了測量二極管支路電流時(shí)接入電壓表引起的接入誤差。

此法相較于補(bǔ)償法,不存在理論誤差,測量精度高,而線路更為簡潔,操作簡單,是一種比較好的實(shí)驗(yàn)測量電路。由此,可以引導(dǎo)學(xué)生在設(shè)計(jì)和實(shí)施自己的實(shí)驗(yàn)方案時(shí)要注意對(duì)自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)多做幾種方案,從中進(jìn)行可行性比較,以獲得最佳的方案。在設(shè)計(jì)時(shí),也可以引導(dǎo)學(xué)生多聯(lián)系所學(xué)知識(shí),綜合運(yùn)用已有知識(shí)作出提高訓(xùn)練。如,在本實(shí)驗(yàn)前就有測量電阻的實(shí)驗(yàn) (電橋法測電阻),該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋呔鹊販y量出電阻,引入電橋進(jìn)行測量是學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的一種拔高訓(xùn)練。

圖3 等效法測量電路原理圖

1.4 電橋法

如圖 4所示,電壓表 V以及被測二極管 D、可調(diào)電阻 Rp1以及可調(diào)電阻 Rp2和電流表 A各作為一個(gè)橋臂構(gòu)成電橋電路。圖中 G為檢流計(jì),Rp為限流電阻。

調(diào)節(jié)電路中的滑線變阻器 Rp的滑片 P到合適位置后,調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 Rp1、Rp2使電橋達(dá)到平衡 (檢流計(jì)示數(shù)為零)。此時(shí),流經(jīng)電流表的電流 IA等于流經(jīng)二極管的電流 ID,電壓表所測電壓恰好為二極管的端電壓 VD。移動(dòng) Rp的滑片 P到新的位置以獲得不同的二極管兩端電壓,調(diào)節(jié) Rp1、Rp2的阻值可以獲得多組對(duì)應(yīng)的 VD和 ID值,即可以得到二極管的 VD-ID伏安特性曲線。

電橋的引入測量,也是補(bǔ)償法的一種新形式,實(shí)驗(yàn)測量的理論誤差為零,原理簡單,但電路較為復(fù)雜,操作稍顯麻煩,不易調(diào)節(jié)到理想的電橋平衡電壓點(diǎn)。

圖4 電橋法測量電路原理圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)上述 5種不同的方法,我們選擇前 4種進(jìn)行伏安特性的實(shí)驗(yàn)測量。實(shí)驗(yàn)所用二極管型號(hào)為 2AP9,電流表的量程為 0～200μA,電壓表的量程為 0～200 mV,直流穩(wěn)壓電源 (0～24V可調(diào)輸出)一臺(tái),滑線變阻器和可變電阻箱各 2個(gè),檢流計(jì) 1個(gè),單刀單擲電鍵 2個(gè)和單刀雙擲電鍵 1個(gè),電線若干。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以二極管正向特性曲線的測量數(shù)據(jù)為例,見表 1。

表1 4種實(shí)驗(yàn)方法所測電壓和電流對(duì)應(yīng)關(guān)系

從表 1可以看出,補(bǔ)償法和等效法的測量結(jié)果比較接近,而電流表的內(nèi)接法和外接法實(shí)驗(yàn)結(jié)果則與補(bǔ)償法差別較大;電流表內(nèi)接法的數(shù)據(jù)在二極管加壓較低部分與補(bǔ)償法的數(shù)據(jù)吻合較好,隨著電壓增加而偏小于補(bǔ)償法數(shù)據(jù);電流表外接法的數(shù)據(jù)則在整個(gè)曲線區(qū)域都呈整體偏大。

3 結(jié) 語

完成一個(gè)實(shí)驗(yàn),可以有多種設(shè)計(jì)方案,有可行的,也有不可行的,可行方案在實(shí)施過程中又有著操作難易之分,測量結(jié)果有著誤差精度高低之分。殊途同歸的設(shè)計(jì)思想或許就是綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)的魅力所在,學(xué)生從多種可能中篩選出自己認(rèn)為最為理想的實(shí)驗(yàn)測量方法是學(xué)生的一種體驗(yàn)式成功,也是一種對(duì)已有知識(shí)鞏固和掌握的過程,對(duì)提高學(xué)生思考和綜合設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)的能力很有幫助。

[1] 劉云龍.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) (工程?？七m用)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1998:75-78.

[2] 陳元.引導(dǎo)學(xué)生做好研究性物理實(shí)驗(yàn) [J].西江教育論叢,2004,(2):55-56.

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