低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究ONE

1、論文題目：論文題目：低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究作者學(xué)校作者學(xué)校 作者姓名作者姓名 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 老師老師研究時(shí)間研究時(shí)間 2015.9.152015.11.152015.9.152015.11.15低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究i目目 錄錄摘摘 要要.I正正 文文 .21 引引 言言 .21.1 問題的提出.21.2 研究的目的.21.3 研究現(xiàn)狀綜述.31.4 研究的意義.32 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容 .42.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)

2、象.42.2 實(shí)驗(yàn)儀器和配套設(shè)備.42.3 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn).62.4 研究步驟以及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄.63 研究結(jié)果及其分析研究結(jié)果及其分析 .94 結(jié)論結(jié)論 .11參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .12低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究i摘摘 要要 該探究性學(xué)習(xí)成果系統(tǒng)的實(shí)測(cè)的研究了額定電壓/功率為 24V/15W 的低壓直流鎢絲燈泡的燈絲電阻 R 隨著燈絲電壓變化的規(guī)律，以及根據(jù)已有公式推算出對(duì)應(yīng)的燈絲電阻發(fā)熱溫度，并對(duì)比利用專業(yè)設(shè)備 HR2000+光譜儀實(shí)測(cè)的鎢絲溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了探究性的初步分析。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出鎢絲燈泡的燈絲電阻會(huì)隨著所加直流電壓明顯改變，當(dāng)燈絲電壓為額定電壓大約 5

3、0%的時(shí)候，燈絲的實(shí)際電阻為額定電壓下燈絲電阻約 70%，同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，燈泡的亮度會(huì)隨著電壓明顯改變，燈絲的亮度跟燈絲本身的溫度息息相關(guān)，燈絲溫度越高越亮，據(jù)分析，這是因?yàn)闊艚z在不同電壓下電阻不同，從而實(shí)際的發(fā)光功率也不同，燈絲溫度相差比較大，從而發(fā)光的效果也會(huì)因此改變，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)出每個(gè)不同大小電壓值下鎢絲的電阻 R，我發(fā)現(xiàn)，利用低壓直流燈泡燈絲金屬鎢的電阻隨著溫度變化的公式， TR )1 (0TRTR，其中為金屬鎢的電阻溫度系數(shù)，為鎢絲0-13C105 . 4TTT，0R0的電阻，為鎢絲的實(shí)際溫度，,利用這個(gè)公式可以很容易反推算TCT 00出的理論燈絲溫度1，即1)(10RTRT同時(shí)，這

4、個(gè)理論值對(duì)比專業(yè)設(shè)備光譜儀直接實(shí)測(cè)的燈絲溫度，在接近額定電T壓的時(shí)候吻合的很好，在電壓低溫時(shí)理論和實(shí)際偏離的比較大，我分析，教科書上的鎢絲燈燈絲電阻隨溫度的公式只適合于接近額定電壓 )1 (0TRTR附近情況此時(shí)鎢絲燈泡發(fā)光的溫度大約在 1500 度以上，而在電壓剛開始從零增加的時(shí)候是不符合的，低溫時(shí)候的電阻隨溫度公式需要進(jìn)一步研究來找到符合實(shí)際物理事實(shí)的公式。低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究2正正 文文1 引引 言言1.1 問題的提出問題的提出鎢絲燈泡是比較常見的照明用燈泡，它是利用電流的熱效應(yīng)制成，其工作原理是，當(dāng)電流通過燈絲（材料一般為鎢絲熔點(diǎn) 3000以上）時(shí)

5、產(chǎn)生熱量，螺旋狀的燈絲不斷聚集熱量，當(dāng)溫度達(dá)到 2000以上時(shí)，就會(huì)發(fā)出可見光，燈絲溫度越高，發(fā)出的光就越亮，雖然鎢絲燈泡由于發(fā)光原理，大量能量用于發(fā)熱，導(dǎo)致發(fā)光效率底下，耗電量比較大，所以逐步被低耗電高發(fā)光效率的節(jié)能燈，熒光燈等冷光源代替，然而，由于低能耗的節(jié)能燈、熒光燈發(fā)出的光內(nèi)含相對(duì)比較多的紫外線，對(duì)人體體表尤其是青少年視力的影響問題逐步浮出水面2，曾經(jīng)被逐步取代的鎢絲燈作為黑體熱輻射光源，發(fā)出的光有類似太陽的連續(xù)光譜性，包含的紫外線比較少，更適合于青少年讀書學(xué)習(xí)的照明用，所以本研究本研究課題本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，以我們生活中常見的低壓直流鎢絲小燈泡為研究對(duì)課題本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，以我們生

6、活中常見的低壓直流鎢絲小燈泡為研究對(duì)象，用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得數(shù)據(jù)，深入研究鎢絲燈泡的核心部件象，用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)得數(shù)據(jù)，深入研究鎢絲燈泡的核心部件-發(fā)光燈絲的電阻發(fā)光燈絲的電阻隨著所加電壓的變化規(guī)律以及發(fā)光燈絲的溫度與所加電壓的數(shù)值關(guān)系，利用課隨著所加電壓的變化規(guī)律以及發(fā)光燈絲的溫度與所加電壓的數(shù)值關(guān)系，利用課本查閱的理論公式推算對(duì)應(yīng)不同電壓下的燈絲溫度以及使用本查閱的理論公式推算對(duì)應(yīng)不同電壓下的燈絲溫度以及使用 HR2000+光譜儀直光譜儀直接測(cè)量所得的燈絲溫度進(jìn)行對(duì)比研究接測(cè)量所得的燈絲溫度進(jìn)行對(duì)比研究，從研究結(jié)論中進(jìn)一步得到低壓直流鎢絲燈的工作規(guī)律，實(shí)測(cè)驗(yàn)證鎢絲燈泡鎢絲的電阻溫度電阻公式，深入

7、了解這 TR一常見生活用品背后的物理知識(shí)，1.2 研究的目的研究的目的研究目的：我決定利用兩個(gè)月的課余時(shí)間來從實(shí)驗(yàn)角度上，探究低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度、電壓變化規(guī)律以及這些物理量相互之間的關(guān)系。該項(xiàng)研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象和實(shí)驗(yàn)條件較容易選取和構(gòu)建。我選定了額定電壓功率24V/15W 的低壓直流鎢絲燈泡作為研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，原因如下：低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究31、我的物理背景知識(shí)已經(jīng)具備。物理課本里了解到鎢絲燈（一般稱之為白熾燈）的發(fā)光原理，也學(xué)習(xí)了基本的電壓電流的基本知識(shí)歐姆定律，然而鎢絲燈的燈絲的電阻卻是一個(gè)隨著電壓溫度變化的物理量，在不同電壓下會(huì)有不同的電阻大

8、小，形成這種物理現(xiàn)象的本質(zhì)是鎢絲電阻是隨著溫度變化的， TRT滿足 , 0-130C105 . 4),1 (TTTTRTR，,這些信息我通過查閱物理課CTTCR0000為燈絲實(shí)際溫度，的鎢絲電阻，是本和習(xí)題以及網(wǎng)絡(luò)上的期刊都得到了，基本的歐姆定律的分壓法電路我也學(xué)過了，所以我想通過自己連接電路并實(shí)測(cè)獲得一手的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來了解這一點(diǎn)。2、研究器材，場(chǎng)所條件具備，和研究預(yù)計(jì)所需時(shí)間合適。探究實(shí)驗(yàn)所需要的器材和場(chǎng)所，爸爸工作單位的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)具備，關(guān)于重要的專業(yè)設(shè)備HR2000+光譜儀，爸爸和他的同事教我學(xué)會(huì)了簡(jiǎn)單入門的測(cè)試方法，也比較容易掌握。我預(yù)計(jì)利用 3-4 個(gè)周末時(shí)間到實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，所有不同研究

9、對(duì)象的所有相關(guān)數(shù)據(jù)的采集只需要 6-8 小時(shí)完成，之后的數(shù)據(jù)分析和相關(guān)圖表等結(jié)論的生成大致需要 3-4 周的周末時(shí)間就可以。3、考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性，選擇了低壓直流額定電壓/功率分別為24V/15W，低壓直流鎢絲燈泡，據(jù)查資料，它的工作電壓 24V 在人體安全電壓36V 以下。1.3 研究現(xiàn)狀綜述研究現(xiàn)狀綜述鎢絲燈作為人類最早的照明電器在歷史上起到了不可或缺的作用，關(guān)于低壓直流鎢絲燈的電阻也有前人做了很多系統(tǒng)研究13，本項(xiàng)研究利用實(shí)驗(yàn)的方法直接測(cè)量了低壓直流鎢絲燈的電阻隨電壓和溫度變化的規(guī)律，以及利用理論推算不同電壓下的燈絲溫度和實(shí)測(cè)燈絲溫度的對(duì)比，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，知道現(xiàn)無任何研究機(jī)構(gòu)個(gè)人做過

10、這方面的實(shí)驗(yàn)研究。所以，本課題有一定創(chuàng)新性，原創(chuàng)性。1.4 研究研究的意義的意義本項(xiàng)研究，利用實(shí)驗(yàn)的方法直接測(cè)量了 24V/15W 低壓直流鎢絲燈的電阻隨低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究4電壓和溫度變化的規(guī)律，以及利用理論推算不同電壓下的燈絲溫度和實(shí)測(cè)燈絲溫度的對(duì)比，可以進(jìn)一步驗(yàn)證鎢絲電阻的隨溫度變化的物理特性，并根 TRT據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果來推測(cè)出更符合實(shí)際情況的鎢絲電阻隨溫度變化公式. TR2 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)對(duì)象額定電壓/功率分別為 24V/15W 鎢絲燈泡; 圖 1.實(shí)驗(yàn)所測(cè)低壓直流鎢絲燈泡2.2 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)儀器和配套設(shè)備和配套設(shè)備圖 2.

11、精度 0.5 的直流電流表 1 個(gè)，直流電壓表 1 個(gè)；低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究5圖 3.滑線變阻器 1 個(gè)圖 4.HH1713 型直流穩(wěn)壓電源 1 個(gè) 圖 5.數(shù)字萬用表 1 個(gè)低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究6 圖 6. HR2000+光譜儀及測(cè)試探頭和光纖導(dǎo)線若干，計(jì)算機(jī)和處理軟件 Microsoft office EXCEL；2.3 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)地點(diǎn)青島理工大學(xué)嘉陵江校區(qū)物理實(shí)驗(yàn)中心電學(xué)實(shí)驗(yàn)室 303 房間；2.4 研究步驟以及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄研究步驟以及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄2.4.1 電路原理圖設(shè)計(jì)電路原理圖設(shè)計(jì)額定電壓/功率為 24V

12、/15W 規(guī)格鎢絲燈泡根據(jù)公式初步估計(jì)電阻PUR2分別為根據(jù)物理課本的基本知識(shí)，我選擇電流表外接的分壓法電路，原4 .38理圖如圖 7 所示：低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究7 圖 7.分壓法外接測(cè)試電路圖實(shí)驗(yàn)實(shí)物連接原理示意圖如圖 8 所示：圖 8.分壓法外接測(cè)試實(shí)物連接示意圖我自己動(dòng)手連接的實(shí)驗(yàn)實(shí)物連接原理實(shí)拍照片如圖 9 所示：圖 9. 分壓法外接測(cè)試實(shí)物連接實(shí)拍照片2.4.2 24V/15W 燈泡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)燈泡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)將實(shí)驗(yàn)室拉上窗簾，關(guān)閉照明電源，盡量減少雜光，室溫為 15.6，此時(shí)的燈泡電阻阻值直接用數(shù)字萬用表測(cè)量為,根據(jù)公式帶8 . 3 )1 (0TRTR

13、入，可以算出 0時(shí)鎢絲燈泡的鎢絲電阻,55. 36 .150045. 01)6 .15(0RR所以對(duì)應(yīng)的鎢絲溫度T1)(282. 02 .222155. 3)(0045. 011)(10TRTRRTRT低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究8然后，連接好電路，移動(dòng)滑線變阻器，將初始燈泡電壓 V 設(shè)置為零，電壓表量程選擇為 30V，電流表量程選擇為 750mA,打開穩(wěn)壓電源開關(guān)，逐步移動(dòng)滑線變阻器，改變燈泡上的電壓，分別從 0V，2.0V,4.0V,為間隔，記錄對(duì)應(yīng)的電流數(shù)據(jù)，同時(shí)打開 HR2000+光譜儀的電源，連接到電腦 USB 插口，運(yùn)行配套的測(cè)試軟件，將光譜儀的測(cè)試口

14、對(duì)準(zhǔn)燈絲，讀出對(duì)應(yīng)的溫度，如表 1 所示：序號(hào)項(xiàng)目0123456789101112電壓值U(V)0.02.04.06.08.010.012.014.016.018.020.022.024.0電流值I（mA）0210265310345380415445475505525555589電阻 R()3.89.515.119.423.226.328.931.533.735.638.139.640.7實(shí)測(cè)燈絲溫度T（）12.5205.8400.5678.9900.81200.71455.81698.81856.51985.72100.42254.62335.8理論推導(dǎo)燈絲溫度T(）15.6372.5723

15、.0992.21230.01424.11586.91749.61887.32006.32162.82256.72325.5表 1. 24V/15W 燈泡數(shù)據(jù)低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究93 研究結(jié)果及其分析研究結(jié)果及其分析本實(shí)驗(yàn)研究中，綜合以上數(shù)據(jù)，24V/15W 燈泡的電阻 R 大小隨著電壓 U變化曲線圖如圖 10 所示：24V/15W鎢 絲 燈 電 阻 電 壓 特 性 曲 線 圖0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.00.02.04.06.08.010.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0

16、 26.0電 壓 U/V電 阻 R/歐 姆圖 10. 24V/15W 燈泡的電阻大小隨著電壓變化曲線圖圖中可以明顯看出，隨著鎢絲燈泡上的電壓增加，電阻是明顯增加的，從 0V一直到額定電壓 24V，鎢絲電阻從 3.8 歐姆增加到了 40.7 歐姆，當(dāng)燈絲電壓為額定電壓大約 50%的時(shí)候，燈絲的實(shí)際電阻為額定電壓下燈絲電阻約 70%。24V/15W 燈泡的電阻 R 大小隨著實(shí)測(cè)溫度變化曲線圖如圖 11 所示：燈 泡 鎢 絲 電 阻 隨 溫 度 變 化 曲 線 圖0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.00.0500.01000.01500.02000.02500.

17、0鎢 絲 溫 度 /度電 阻 R/歐 姆圖 11. 24V/15W 燈泡的電阻大小隨著燈絲實(shí)測(cè)溫度變化曲線圖低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究10 從圖中可以明顯的看出來，燈絲溫度從室溫 15.8上升迅速，到了額定電壓的時(shí)候，溫度高達(dá) 2335.8，可以預(yù)計(jì)的是，如果繼續(xù)增加電壓，溫度會(huì)進(jìn)一步上升，當(dāng)超過了鎢絲的熔點(diǎn) 3000以上的話，燈絲就會(huì)融化燒斷了。另外，這張圖中的鎢絲的電阻，與溫度之間，并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而我查閱的公式可以很容易看出來電阻和溫度的理論曲線應(yīng)該是一條直線， )1 (0TRTR溫度 1500左右以上的數(shù)據(jù)還能連成一條直線，但是低溫的時(shí)候數(shù)據(jù)點(diǎn)連起

18、來明顯是一條彎彎的曲線。 在做實(shí)驗(yàn)測(cè)數(shù)據(jù)的過程中，我同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很奇怪的現(xiàn)象，就是用公式理論推導(dǎo)出來的鎢絲燈泡燈絲的溫度和 HR2000+光譜儀直接測(cè)量的燈絲溫度T，尤其是電壓和溫度相對(duì)比較低的時(shí)候差距比較大，為了更直觀的表現(xiàn)這種T差異，我把兩個(gè)系列的理論溫度值和實(shí)測(cè)值做成了一張對(duì)比圖，如圖 12 所示：燈 絲 溫 度 隨 電 壓 變 化 曲 線 理 論 和 實(shí) 測(cè) 數(shù) 據(jù) 對(duì) 比 圖0.0500.01000.01500.02000.02500.00.05.010.015.020.025.0燈 絲 電 壓 /V燈 絲 溫 度 /度實(shí) 測(cè) 值理 論 推 導(dǎo) 值圖 12.燈絲溫度隨電壓變化曲線理

19、論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖圖中可以直觀的看出來，燈絲溫度的理論值和實(shí)測(cè)值在 1700左右以上符合的很好，而在比較低的溫度差異比較大。我分析，教科書上的鎢絲燈燈絲電阻隨溫度的公式只適合于接近額定電壓附近情況此時(shí)鎢絲燈泡發(fā) )1 (0TRTR光的溫度大約在 1500以上，而在電壓剛開始從零增加的時(shí)候是不符合的，低溫時(shí)候的電阻隨溫度公式需要進(jìn)一步研究來找到符合實(shí)際物理事實(shí)的公式。低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究114 結(jié)論結(jié)論該探究性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)的研究了額定電壓/功率為 24V/15W 的低壓直流鎢絲燈泡的燈絲電阻 R 隨著燈絲電壓變化的規(guī)律，以及根據(jù)已有公式推算出對(duì)應(yīng)的燈絲電阻發(fā)熱溫度，并對(duì)比利用專業(yè)設(shè)備 HR2000+光譜儀實(shí)測(cè)的鎢絲溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了探究性的初步分析。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出鎢絲燈泡的燈絲電阻會(huì)隨著所加直流電壓明顯改變，當(dāng)燈絲電壓為額定電壓大約