關于白熾燈電阻測量的教學研究

1、關于白熾燈電阻測量的教學研究摘要：文章回顧了中學物理測量電阻的方法：伏安法、半偏法，并對白熾燈通有交流電正常工作時的電阻提出新的測量方法：替代法。文章將白熾燈正常工作下白熾燈電阻測出的結果與理論計算的結果比較，確定R=U2/P0的正確性；通過比較白熾燈正常發(fā)光與不正常發(fā)光時的電阻，發(fā)現(xiàn)兩者的比值約為10，不僅拓寬了學生的視野，又深化了物理知識。關鍵詞：白熾燈；電阻；測量方法；教學引言：滬科版初中九年級物理課本中，電學有關章節(jié)多次涉及關于白熾燈泡電阻的介紹。對于白熾燈泡電阻大小的測算，中學物理課本并沒有介紹安排實驗測量的方法。物理教材中盡管安排了伏安法、半偏法等測量電阻的方法，但這些的方法都是適

2、用于工作電流是直流電的情況，可是正常發(fā)光的白熾燈工作電流是交流電，對其測量,教材中關于白熾燈泡電阻大小的測算方法往往利用R=U2/P來計算，而學生僅僅利用公式計算其阻值，對白熾燈泡的電阻這么大往往持懷疑態(tài)度，有的學生對于這種計算只是草草了事，不求深解。我們又該如何測量呢？又如何去尋找它與不發(fā)光時電阻大小之間的關系呢？本文首先將考察初中物理學教材中利用實驗測量電阻常用方法的基本原理，指出這些方法的不足，并由此探討如何設計新的方法來測量白熾燈通有交流電正常工作時的電阻，以彌補教材之不足。1中學物理中測量電阻的常用方法中學物理新課程標準中明確提出電阻的測量方法有：1、伏安法測電阻（如圖1所示），即用

3、電壓表測出待測電阻兩端的電壓，同時用電流表測出通過它的電流，再運用歐姆定律的變形公式R=U/I計算出電阻的大??；2、半偏法測量電阻（如圖2所示），首先閉合S1,調節(jié)滑動變阻器R使得G帶測靈敏電流表示數(shù)最大(滿偏). 然后保持S1閉合,滑動變阻器不動,閉合S2,并調節(jié)變阻器R,使得G帶測靈敏電流表示數(shù)為最大示數(shù)的一半,即電流為之前的一半(半偏). 記下此時變阻器R的電阻大小(可以直接讀出),該電阻即為G帶測靈敏電流表的電阻大小，則有I0=U電源/Rx及1/2 I0= U電源/（Rx+R）共同解得Rx=R,有箱式變阻器上讀出電阻的值即可。 . 圖1 圖211安培表內接法的伏安法及誤差分析如圖（a）

4、所示為安培表內接法測量電阻的電路。我們需要測量的是通過待測電阻的電流Ix和待測電阻兩端的電壓Ux。安培表測出的雖然是Ix，而伏特表測出的卻是Ux和安培表兩端電壓UA之和U，可見，安培表的內阻不為零，使電壓的測量產生了誤差。Rx圖（a）IXVRvARA測量值 實際值 K相對誤差 （1）式可見，采用“內接法”時，待測電阻值R越高，測量越準確，故“內接法”電路適宜測量高值電阻。1.2安培表外接的伏安法及誤差分析Ix IAKRVRARxVA如圖（b）所示為安培表外接法測量電阻的電路。這時，伏特表測出的雖是待測電阻兩端的電壓Ux,但安培表測出的卻是通過待測電阻的電流Ix和通過伏特表的電流Iv之和。伏特表

5、的內阻并不是無窮大，要使電流的測量產生誤差。測量值 實際值 圖（b）又： 相對誤差 （2）式?？梢姡郎y電阻值R比伏特表內阻值小得多時，采用“外接法”測定越準確，故外接法電路適宜測量低值電阻。3半偏法測量電阻的誤差分析:由于該過程中,R的電阻較大,我們近似的把整個過程中的干路電流當作不變的. 但是實際情況中,隨著S2的閉合,整個電路中的電流將會變大,但實際上我們仍然按照電流不變時的電流來計算的,所以將導致通過G帶測靈敏電流表的電流為原來一半時(半偏),通過變阻器R的電流將比通過G帶測靈敏電流表的電流要大,又因為R與G 并聯(lián),電壓一樣,所以實際的變阻器讀數(shù)R將小于G帶測靈敏電流表的電阻(內阻).

6、 所以,半偏法測電阻測出的電阻要小于實際電阻,原因是電流將要改變.電壓表的半偏法原理相似。2關于白熾燈正常發(fā)光時的電阻測量我們知道物理教材中盡管安排了上述伏安法、半偏法等測量電阻的方法，但這些的方法都是適用于工作電流是直流電的情況，又該如何測量白熾燈通有交流電正常工作時的電阻？在比較串、并聯(lián)時的 40W與60W兩只白熾燈的實際功率大小的一次電學實驗時，手邊有一小燈泡L1（3.8V,0.3A），查看發(fā)現(xiàn)其正常工作電流與60W白熾燈正常工作電流大致相等（有效值）。突發(fā)奇想將小燈泡L1與60W白熾燈進行串聯(lián)，（如右圖所示）閉合開關，小燈泡發(fā)光了，白熾燈亦很亮；與另一只正常工作的60w白熾燈比較相比，

7、亮度差不多，肉眼很難區(qū)分。理論計算60w的白熾燈此時的實際功率有：P=(220-3.8)2/220260w=58.2w,P/P=(60w-58.2w)/60w=0.03,（誤差在百分之三范圍內）由這個實驗以及理論計算給的啟示，我設計了一個實驗方案，并進行了實驗-用替代法測量白熾燈正常發(fā)光時的電阻2.1用替代法測量正常發(fā)光時的白熾燈電阻的實驗設計實驗器材：取干電池1.5v四節(jié)，小燈泡（3.8V,0.3A）兩只，60w、40w白熾燈各一只，箱式變阻器一只（型號J2361），配備色環(huán)電阻100若干，嵌入式開關兩個，旋鈕式開關一個，學生電學實驗箱電路板二塊（帶小燈泡座兩個），白熾燈燈座二個，電壓表、電

8、流表各一只，靈敏電流表一只，滑動變阻器（20，2 A ,型號J2354）一個，導線若干，40w的電烙鐵一個（帶松香、焊錫絲）。電路圖： 實驗原理：將相同規(guī)格的小燈泡分別與60w（或40w）的白熾燈以及電阻箱進行串聯(lián)，后將兩條支路并聯(lián)接入220v的交流電路中。 A粗測：通過調節(jié)箱式變阻器的電阻大小，進而改變該支路中小燈泡的亮度；將之與另一條支路（帶有中60w（或40w）白熾燈的）小燈泡的亮度作比較，直至相差到肉眼無法分辨時止，那么這時箱式變阻器幾乎完全替代了白熾燈，其讀數(shù)就近似等于白熾燈正常發(fā)光時的電阻。B精確測量：調節(jié)箱式變阻器的電阻大小，改變該支路中小燈泡的亮度，直至相差到肉眼無法分辨時，閉

9、合開關S3；調節(jié)電阻箱的電阻使靈敏電流表的示數(shù)為零，即：電阻箱以及白熾燈兩端的電勢差相等，電阻箱便替代了白熾燈，其讀數(shù)就等于白熾燈正常發(fā)光時的電阻。實驗步驟：按伏安法測電阻電路圖所示連接電路，閉合開關，讀出流過白熾燈的電流以及加在它兩端的電壓;在電壓變化0.3v、0.5v的情況下，連續(xù)測量三次。有；1)、將實驗數(shù)據(jù)記錄在下表中,算出白熾燈的電阻值。(60w)實 驗 次 數(shù)U/VI/AR/13.70.04582.2224.00.05080.0034.30.05578.18所測電阻的平均值R60=_80.13_2)將實驗數(shù)據(jù)記錄在下表中，算出白熾燈的電阻值。(40w)實 驗 次 數(shù)U/VI/AR/

10、14.50.038118.4225.00.040125.0035.50.041134.15所測電阻的平均值R40=125.86_說明1：由于兩白熾燈的電阻值較大，故電源的電壓盡量大一點，以減小誤差；電壓表的分度值為0.5v 、0.1v,故可以0.5v或0.3v的改變電壓，使盡可能讀準電流值；電流在上述改變中變化不大，進而進行了估讀。22替代法測量白熾燈正常發(fā)光時電阻的數(shù)據(jù)的準確性分析 按前設計實驗時的電路圖所示連接電路1)、用電烙鐵將8個100的色環(huán)電阻焊接(注：使用色環(huán)電阻200或大于200的電阻接入電路，閉合開關電阻即刻燒毀)成串聯(lián)與箱式變阻器組合成L2,選用箱式變阻器能通過最大電流為0.

11、28A的檔位；閉合S2,后閉合S1，調節(jié)箱式變阻器能調節(jié)的檔位(先大檔)；觀察兩支路中小燈泡的發(fā)光明亮，直到肉眼無法分辨時，閉合S3，調小檔位，至靈敏電流表讀數(shù)為0，讀出變阻器接入電路的總電阻，加上800，就等于60w白熾燈的電阻. 實驗數(shù)據(jù)處理：R L2=8+800=808=RL2測得值與理論值的相對誤差S：S=(808 -2420/3) /(2420/3) =0.00165RL2/ R40=808/80.13=10.082) 同樣將12個100的色環(huán)電阻焊接成串聯(lián)與箱式變阻器組合成L2,選用箱式變阻器能通過最大電流為0.28A的檔位；閉合S2,后閉合S1，調節(jié)箱式變阻器能調節(jié)的檔位(先大檔

12、)；觀察兩支路中小燈泡的發(fā)光明亮，直到肉眼無法分辨時，閉合S3，調小檔位，至靈敏電流表讀數(shù)為0，讀出變阻器接入電路的總電阻，加上1200，就等于40w白熾燈的電阻. 實驗數(shù)據(jù)處理：R L2=28+1200=1228=RL2測得值與理論值的相對誤差S： S=(1228-1210)/1210=0.0149RL2/ R40=1228/125.86=9.76通過上述實驗和數(shù)據(jù)誤差的分析，用替代法測定白熾燈正常發(fā)光時的電阻，測定電阻值與理論計算值R=U02/P0相差甚微，確認了理論上計算的可靠性，使學生消除了疑慮；這個實驗還讓學生認識到白熾燈正常發(fā)光時的電阻大約是不發(fā)光時電阻的10倍 (U0白熾燈正常發(fā)光時的電壓，P0白