实验原理:依照公式P=UI,用电流表测小灯泡两端的电流,用电压表测小灯泡中的电压,借助公式P=UI估算电功率,在额定电流下测出的电功率就是额定功率。这是数学学中常用的一种间接检测方式,这些方式又被称为“伏安法”。
实验电路:按照实验的目的和原理设计如下电路。
实验器材:小灯泡、电压表、电流表、滑动变阻器、电源、开关、导线。
器材说明:用电压表和电流表分别测出通过小灯泡的电压和其两端电流,由于要检测不同电流下的功率,所以电路中要接入滑动变阻器,拿来改变小灯泡两端电流。
实验步骤:
(1)按电路图联接好电路;
(2)闭合开关,调节滑动变阻器,使小灯泡两端的电流刚好等于小灯泡的额定电流2.5V,观察小灯泡的照度,并记录电压表和电流表的示数。
(3)调节滑动变阻器,使小灯泡两端的电流约等于小灯泡额定电流的1.2倍。观察小灯泡的色温变化,并记录此时电压表和电流表的示数(注意:小灯泡两端的电流不能超过它的额定电流太多)。
(4)调节滑动变阻器,使小灯泡两端的电流约等于小灯泡额定电流的0.8倍。观察小灯泡的色温变化,并记录此时电压表和电流表的示数。
(5)估算出三种情况下小灯泡的电功率
(6)断掉电路,整理器材。
实验数据(记录)表格:
实验要求
发光情况
电压(A)
电流(V)
电功率(W)
小灯泡在额定电流下工作
正常
0.3
2.5
0.75
小灯泡两端电流是额定电流的1.2倍
很亮
0.4
1.2
小灯泡两端电流高于额定电流
暗
0.2
0.4
注意:在进行实验时应注意以下几点:
(1)电源电流应低于小灯泡的额定电流,比如,测定额定电流为2.5V的小灯泡的电功率时起码要选两节干电瓶串联作电源。
(2)电流表的阻值应小于小灯泡的额定电流,电压表的阻值要小于小灯泡正常工作电压。
(3)滑动变阻器容许通过的最大电压要小于灯泡的正常工作电压,而滑动变阻器的最大内阻值应与小灯泡的内阻差不多,以使调节疗效显著。
(4)按照串联分压原理进行判别,确切熟练地调节滑动变阻器,使小灯泡在等于额定电流、略低于额定电流的和高于额定电流三种条件下发光。尤其在做第二次实验时,需当心调节滑动变阻器,以免因实验电流超过额定电流太多而烧毁灯泡。
(5)开始联接电路时,要使开关断掉,闭合开关前,要把滑动变阻器滑片放在最大电阻处。
(6)开始实验前,要检测电路并试触,实验结束,要先断掉开关,再整理电路。
剖析论证:由公式P=IU估算小灯泡的功率。(将估算结果填入表中,通过剖析和比较得出)剖析比较额定电功率和实际电功率大小问题,比较灯泡的亮暗程度与电功率间的关系。
(1)当U实=U额时,P实=P额,正常发光
(2)当U实额时,P实
(3)当U实>U额时,P实>P额,较亮
实验推论:
(1)不同电流下,小灯泡的功率不同。实际电流越大,小灯泡功率越大。
(2)小灯泡的色温由小灯泡的实际功率决定,实际功率越大,小灯泡越亮。
实验拓展:测小灯泡的电功率和用伏安法测内阻两实验有相像之处,也有显著区别,列表对比剖析如下:
实验
名称
测小灯泡内阻
测小灯泡的功率
原理
R=U/I
P=UI
器材
电流表、电流表、电源、滑动变阻器、开关、导线、被测的内阻或小灯泡
电路图
同上
同上
剖析
对比剖析检测结果。
推论
测内阻采取多次检测求平均值的方式导数体的内阻,而测电功率不能求平均值
伏安法测小灯泡的内阻要多次检测求平均值降低偏差,而测小灯泡的电功率为什么不能也求平均值呢?
随着小灯泡两端的电流和通过小灯泡的电压的改变,小灯泡的功率也在改变,不同的电流下,小灯泡的电功率不同,小灯泡的实际功率是不断变化的,因而求功率的平均值是没有意义。为了比较在不同电流下小灯泡的功率和发光情况,所以电功率不能求平均值。
焦耳定理是中学数学教学的重要内容,是描述电压流过导体形成热量的基本规律,做好演示实验是理解焦耳定理的关键。焦耳定理演示实验装置如右图:
一、该实验装置有两点不足
1、电阻丝内阻的大小、电流的强弱不能让中学生直观感遭到,只能由班主任告诉中学生,无法使中学生形成信服。
2、实验过程分两步进行,首先演示热量与内阻的关系,之后演示热量与电压硬度的关系,实验时间长,不利于教学时间的安排。
能不能让中学生直观感遭到电压形成的热量跟内阻的大小成反比、电流的平方成反比、跟通电时间成反比,让实验在一次演示过程中完成呢?
笔者通过思索觉得对该实验可作如下改进,可以一次完成演示过程,且实验现象十分显著,可对比性强,也节约演示时间。
二、改进过程
用三个透明的密闭容器取代原先的两个容器作为加热的容器,把三个容器固定在面板上,每位密闭容器密封一定量的二氧化碳作为加热的介质,顶部装上少量的有色水。
用修长的直玻璃管取代原先的∪型玻璃管,在标尺上把三根细玻璃管固定,将其上端插入有色水底。
用小灯泡取代内阻丝作发热电阻。在第一个容器内串联两个小灯泡,第二个容器内接一个相同的灯泡,第三个容器内接一个相同的灯泡,外边再并联一个相同的小灯泡。每位小灯泡都用“4V3W”的灯泡。这样就满足第一个容器和第二个容器电压相等,第一个容器的阻值是第二个容器内阻的两倍;第二个容器和第三个容器内阻相等,但电压是第三个容器的两倍。做好后密封严实。
三、实验过程和实验现象
实验时,在每位透明容器内放入一定量的有色液体。密封严实后,打开止水类,用打气筒从止水类处向容器内攻入一定量二氧化碳,使每位细玻璃管内有色水上升相同的高度。在外边的接线柱上用导线把三个容器里的小灯泡串联上去,接在中学生电源上通电,中学生很直观的看见灯泡的发光色温,就很容易晓得第一个容器里的色温是第二个容器的两倍,第二个容器里灯泡的照度比第三个容器里灯泡色温亮得多,也就理解了第一个容器的阻值是第二个容器里内阻的两倍,第二个容器里的灯泡的电压是第三个容器里灯泡的电压的两倍,一段时间后,观察三个密封容器对应的细玻璃管内有色液体上升的高度,比较第一和第二两个容器中细玻璃内液体的高度,得出在电压相同的条件下,电压形成的热量跟内阻成反比;比较第二和第三两容器中细玻璃管液体上升的高度,得出在内阻相同的条件下,电压形成的热量跟电压的平方成反比。比较同一容器不同时间内液柱上升高度,得到电热与时间成反比。
四、改进后的优点
1、通过灯泡的发光情况,比较灯泡的亮暗,把不能观察到的化学量内阻和电压转化为才能看见的光线,通过光线的疏密中学生很直观地感遭到内阻和电压的大小。
2、整个实验在一次中全部完成,可对比性强,好控制变量,现象十分显著,一气哈成,且节省课堂教学时间。
活动打算:
示教直流电流表,开关,用红、绿透明纸包的小灯泡(2.5V、0.3A)各1个,直流电源(6V),示教电路板,2cm长的小钉子11只,导线若干。
过程和方式:
电流表是热学实验中常用仪表之一。本实验是练习使用电流表,应注意把握正确使用电流表的方式。在使用电流表时,首先要认清它是直流的还是交流的;再看它有几个阻值,各是多少伏特,但是弄清楚各阻值上每小格所表示的伏特数。再检测表针是否对准零刻度,若没对准就要调零。要注意电流表在电路中的接法是与被测电路并联,电流表“+”端接紧靠电源负极的点,“-”端接紧靠电源正极的点。
1.将电源、红的和绿的小灯泡、开关用导线联接在钉有小钉的木板上(与使用电压表测电压的实验相像),如图1所示(注意开关K断掉)。
图1
2.检测这一串联电路中某一部份电路两端的电流,如红灯两端的电流。这时必须把电流表跟红灯并联,且电流表的“+”接线柱与电源的负极相连的一端联接。如在图1中,电流表的“+”接线柱接在2(或1)测小灯泡电功率的方法,“-”接线柱接在3(或4),如图2所示。
图2
3.选择电流表的阻值,使电流表的阻值略小于所测电流,以避免烧毁电流表。
4.闭合K,就可从电流表上读出红灯两端的电流值。要正确读出电流值,首先要按照选的阻值,确认每一大格和每一小格各表示多少电流值,再依照表针所指位置读出电流值。
5.检测绿灯两端的电流,电流表应怎样接?若要检测红灯和绿灯一起在内的两端电流又怎样进行?
交流和评估:
1.使用电流表要注意什么问题?
2.电流表阻值的选择可依据所用的电源电流值来决定测小灯泡电功率的方法,通常所选电流表阻值要略小于所测电流,以防烧毁水表。对此你是怎样理解的?按照本实验的情况加以说明。
3.本装置还可用于研究串联电路的电流分配关系。你研究了吗?能得出哪些推论?
拓展延展:
1.想一想,假如把电流表误串联在电路中,将会对电路形成哪些影响?
2.假若须要检测的电流在1.40V~1.60V之间,应选用0~3V阻值还是选用0~15阻值?为何?
(提示:用0~3V阻值。由于所测电流在3V范围内,0~3V阻值刻度每小格示数为0.1V,0~15V阻值刻度每小格示数为0.5V。用每格示数较小的阻值偏差较小。)
3.并联电路两端的电流与各条大道两端的电流有哪些关系?
用电流表测并联电路电流:把两灯泡组成并联电路,再与开关、干电瓶串联上去。用电流表先后测出两灯泡两端电流U1和U2,再测出并联电路两端的总电流U3。把测得的数据记录出来并加以比较。
参考资料:
电流表的简易故障检修。
1.检测时假如两个阻值上表针都不动,可能是公共接线柱背后断掉,或是分压电阻断开,或是表头线圈断掉,取下底板检测。
2.拧动某接线柱时,表针时动时不动,则是该接线柱螺母帽松动,应将其旋紧。
3.电流表的表针弯曲不正或振膜卡住等故障的检修方式与电压表相同,详见上面介绍。