低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的試驗測量和探究ONE

1、論文題目：低壓直流鴇絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究作者學校 作者姓名 指導教師 老組研究時間2015.9.152015.11.15低壓直流鴇絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究 TOC o 1-5 h z 摘要I正 文 2 HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 1引言2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 問題的提出2 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 研究的目的2 HYPERLINK l bookmark6 o Current

2、 Document 研究現(xiàn)狀綜述 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 研究的意義3 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2研究內(nèi)容 4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 實驗對象4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 實驗儀器和配套設備 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 實驗地點6研究步驟以及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄 6 HYPERLINK l bookmar

3、k21 o Current Document 3研究結(jié)果及其分析 8 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 4結(jié)論11 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 參考文獻 12該探究性學習成果系統(tǒng)的實測的研究了額定電壓 /功率為24V/15W的低壓 直流鴇絲燈泡的燈絲電阻 R隨著燈絲電壓變化的規(guī)律，以及根據(jù)已有公式推算 出對應的燈絲電阻發(fā)熱溫度，并對比利用專業(yè)設備HR2000+光譜儀實測的鴇絲溫度數(shù)據(jù)進行了探究性的初步分析。 通過實驗數(shù)據(jù)分析，得出鴇絲燈泡的燈絲電 阻會隨著所加直流電壓明顯改變，當燈絲電壓為

4、額定電壓大約 50%的時候，燈絲 的實際電阻為額定電壓下燈絲電阻約 70%,同時實驗發(fā)現(xiàn)，燈泡的亮度會隨著電 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，這是因為燈絲在不同電壓下電阻不同， 從而實際的發(fā)光功率也不同，燈絲溫 度相差比較大，從而發(fā)光的效果也會因此改變，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)測出每個不同大小 電壓值下鴇絲的電阻 R,我發(fā)現(xiàn)，利用低壓直流燈泡燈絲金屬鴇的電阻R（T）隨著溫度變化的公式R（T ）= R0（1+c（AT）,支=4.5父104七-1, AT = T -T0,其中支為金屬鴇的電阻溫度系數(shù)，R為鴇絲0c的電阻，T為鴇絲的實際溫度，丁。=01, 利用這個公

5、式可以很容易反推算出的理論燈絲溫度 1,即T產(chǎn)一/ R01同時，這個理論值對比專業(yè)設備光譜儀直接實測的燈絲溫度 T,在接近額定電壓 的時候吻合的很好，在電壓低溫時理論和實際偏離的比較大，我分析，教科書上的鴇絲燈燈絲電阻隨溫度的公式 R（T ）= R0（1 +S&T）只適合于接近額定電壓附近 情況此時鴇絲燈泡發(fā)光的溫度大約在 1500度以上，而在電壓剛開始從零增加的 時候是不符合的，低溫時候的電阻隨溫度公式需要進一步研究來找到符合實際物 理事實的公式。1引言問題的提由鴇絲燈泡是比較常見的照明用燈泡，它是利用電流的熱效應制成，其工作 原理是，當電流通過燈絲（材料一般為鴇絲熔點3000c以上）時產(chǎn)生

6、熱量，螺旋狀的燈絲不斷聚集熱量，當溫度達到 2000c以上時，就會發(fā)出可見光，燈絲 溫度越高，發(fā)出的光就越亮，雖然鴇絲燈泡由于發(fā)光原理，大量能量用于發(fā)熱， 導致發(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)含相對比較 多的紫外線，對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)被逐步取代的鴇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習的照明用， 所以本研究課題本著 科學嚴謹?shù)膽B(tài)度，以我們生活中常見的低壓直流鴇絲小燈泡為研究對象，用實 驗的方法測得數(shù)據(jù)，

7、深入研究鴇絲燈泡的核心部件 -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，利用課本查閱的 理論公式推算對應不同電壓下的燈絲溫度以及使用HR2000+光譜儀直接測量所得的燈絲溫度進行對比研究，從研究結(jié)論中進一步得到低壓直流鴇絲燈的工作規(guī) 律，實測驗證鴇絲燈泡鴇絲的電阻溫度電阻公式R（T）,深入了解這一常見生活用品背后的物理知識，研究的目的研究目的：我決定利用兩個月的課余時間來從實驗角度上，探究低壓直流鴇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。該項研 究的實驗對象和實驗條件較容易選取和構(gòu)建。我選定了額定電壓功率24V/15W的低壓直流鴇絲燈

8、泡作為研究的實驗對象，原因如下：1、我的物理背景知識已經(jīng)具備。物理課本里了解到鴇絲燈（一般稱之為白熾燈）的發(fā)光原理，也學習了基本的電壓電流的基本知識歐姆定律， 然而鴇絲燈 的燈絲的電阻卻是一個隨著電壓溫度變化的物理量， 在不同電壓下會有不同的電 阻大小，形成這種物理現(xiàn)象的本質(zhì)是鴇絲電阻 R（T）是隨著溫度T變化的，滿足RT R0（1 ;二，訂）,二二4.5 10 2 C-1, T =T -T0,R是0。的鴇絲電阻，T為燈絲實際溫度，T0 =0P ,這些信息我通過查閱物理課本和習題以及網(wǎng)絡上的期刊都得到了，基本的歐姆定律的分壓法電路我也學過 了，所以我想通過自己連接電路并實測獲得一手的實驗數(shù)據(jù)來

9、了解這一點。2、研究器材，場所條件具備，和研究預計所需時間合適。探究實驗所需要的器材和場所，爸爸工作單位的實驗室已經(jīng)具備，關(guān)于重要的專業(yè)設備HR2000+ 光譜儀，爸爸和他的同事教我學會了簡單入門的測試方法，也比較容易掌握。我預計利用3-4個周末時間到實驗室做實驗，所有不同研究對象的所有相關(guān)數(shù)據(jù)的 采集只需要6-8小時完成，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周的周末時間就可以。3、考慮到實驗的安全性，選擇了低壓直流額定電壓/功率分別為24V/15W, 低壓直流鴇絲燈泡，據(jù)查資料，它的工作電壓24V在人體安全電壓36V以下。研究現(xiàn)狀綜述鴇絲燈作為人類最早的照明電器在歷史上起到了不

10、可或缺的作用，關(guān)于低壓直流鴇絲燈的電阻也有前人做了很多系統(tǒng)研究13,本項研究利用實驗的方法直接測量了低壓直流鴇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測燈絲溫度的對比，通過查閱相關(guān)文獻，知道現(xiàn)無任何研究機構(gòu)個人做過這方面的實驗研究。所以，本課題有一定創(chuàng)新性，原創(chuàng)性。研究的意義本項研究，利用實驗的方法直接測量了24V/15W低壓直流鴇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測燈絲溫 度的對比，可以進一步驗證鴇絲電阻 R（T）的隨溫度T變化的物理特性，并根據(jù) 實驗數(shù)據(jù)的結(jié)果來推測出更符合實際情況的鴇絲電阻隨溫度變化公式R（T）.2

11、研究內(nèi)容2.1實驗對象額定電壓/功率分別為24V/15W鴇絲燈泡;圖1.實驗所測低壓直流鴇絲燈泡2.2實驗儀器和配套設備圖2.精度0.5的直流電流表1個，直流電壓表1個;圖3.滑線變阻器1個圖4.HH1713型直流穩(wěn)壓電源1個圖5.數(shù)字萬用表1個圖6, HR2000+光譜儀及測試探頭和光纖導線若干，計算機和處理軟件 Microsoft office EXCEL ；實驗地點青島理工大學嘉陵江校區(qū)物理實驗中心電學實驗室303房間；研究步驟以及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄電路原理圖設計u 2、,.額定電壓/功率為24V/15W規(guī)格鴇絲燈泡根據(jù)公式R = U-初步估計電阻分 P別為38.4C根據(jù)物理課本的基本知識，我

12、選擇電流表外接的分壓法電路，原理圖 如圖7所示：圖7.分壓法外接測試電路圖實驗實物連接原理示意圖如圖8所示:圖8.分壓法外接測試實物連接示意圖我自己動手連接的實驗實物連接原理實拍照片如圖9所示:圖9.分壓法外接測試實物連接實拍照片2.4.2 24V/15W燈泡實測數(shù)據(jù)將實驗室拉上窗簾，關(guān)閉照明電源，盡量減少雜光，室溫為15.6C,此時的燈泡電阻阻值直接用數(shù)字萬用表測量為3.8Q，根據(jù)公式R（T ）= R0（1+。AT）帶入，可以算出0C時鴇絲燈泡的鴇絲電阻R0=R156-：- 3.55l. 1 0.0045 15.6所以對應的鴇絲溫度TT =- 萼） / 二 一1.RT）l定222.20.28

13、2R（T）1C口 R01 0.004513.55然后，連接好電路，移動滑線變阻器，將初始燈泡電壓 V設置為零，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，記錄對應的電流數(shù)據(jù)，同時打開HR2000+光譜儀的電源，連接到電腦 USB插口，運行配套的測試軟件，將光譜儀的測試口對準燈絲，讀出對應的溫度，如表 1所示：7號項目0123456789101112電壓值U(V)0.02.04.06.08.010.012.014.016.018.020.022.024.0電流值I(mA0210265310

14、345380415445475505525555589電阻R(C)3.89.515.119.423.226.328.931.533.735.638.139.640.7實測燈絲 溫度T (C)12.5205.8400.5678.9900.81200.71455.81698.81856.51985.72100.42254.62335.8理論推導 燈絲溫度 ( C)15.6372.5723.0992.21230.01424.11586.91749.61887.32006.32162.82256.72325.5表1. 24V/15W燈泡數(shù)據(jù)3研究結(jié)果及其分析本實驗研究中，綜合以上數(shù)據(jù)，24V/15W燈

15、泡的電阻R大小隨著電壓U變化曲線圖如圖10所示：45 %阻R/歐姆24V/15W鳥絲燈電阻電壓特性曲線圖0.02.04.06.08.010.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0電壓U/V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，隨著鴇絲燈泡上的電壓增加，電阻是明顯增加的，從 0V- 直到額定電壓24V,鴇絲電阻從3.8歐姆增加到了 40.7歐姆，當燈絲電壓為額定 電壓大約50%的時候，燈絲的實際電阻為額定電壓下燈絲電阻約 70%024V/15W燈泡的電阻R大小隨著實測溫度變化曲線圖如圖 11所示：電阻R/歐姆燈泡鴇絲

16、電阻隨溫度變化曲線圖 TOC o 1-5 h z 45.040.0*35.0-* *30.0-.25.0-.20.0-*15.0-,10.0-上5.010.0111110.0500.01000.0 1500.0 2000.0 2500.0鴇絲溫度/度圖11.24V/15W燈泡的電阻大小隨著燈絲實測溫度變化曲線圖從圖中可以明顯的看出來，燈絲溫度從室溫15.8C上升迅速，到了額定電壓 的時候，溫度高達2335.8C,可以預計的是，如果繼續(xù)增加電壓，溫度會進一步 上升，當超過了鴇絲的熔點 3000c以上的話，燈絲就會融化燒斷了。另外，這 張圖中的鴇絲的電阻，與溫度之間，并不是簡單的線性關(guān)系，而我查閱

17、的公式R(T )= Ro(1 +aAT)可以很容易看出來電阻和溫度的理論曲線應該是一條直線，溫度1500c左右以上的數(shù)據(jù)還能連成一條直線，但是低溫的時候數(shù)據(jù)點連起來 明顯是一條彎彎的曲線。在做實驗測數(shù)據(jù)的過程中，我同時發(fā)現(xiàn)了一個很奇怪的現(xiàn)象，就是用公式 理論推導出來的鴇絲燈泡燈絲的溫度 T和HR2000+光譜儀直接測量的燈絲溫度 T,尤其是電壓和溫度相對比較低的時候差距比較大，為了更直觀的表現(xiàn)這種差異，我把兩個系列的理論溫度值和實測值做成了 一張對比圖，如圖 12所示：燈絲溫度/度2500.00.00.0.彳2000.01500.01000.0500.05.010.015.020.0燈絲溫度隨

18、電壓變化曲線理論和實測數(shù)據(jù)對比圖實測值-理論推導值燈絲電壓/V25.0圖12.燈絲溫度隨電壓變化曲線理論和實測數(shù)據(jù)對比圖圖中可以直觀的看出來，燈絲溫度的理論值和實測值在 1700c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，教科書上的鴇絲燈燈絲電阻隨溫 度的公式R(T )=R0(1+aAT)只適合于接近額定電壓附近情況此時鴇絲燈泡發(fā)光的溫度大約在1500c以上，而在電壓剛開始從零增加的時候是不符合的，低溫 時候的電阻隨溫度公式需要進一步研究來找到符合實際物理事實的公式。4結(jié)論該探究性的實驗系統(tǒng)的實測的研究了額定電壓 /功率為24V/15W的低壓直流 鴇絲燈泡的燈絲電阻 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 應的燈絲電阻發(fā)熱溫度，并對比利用專業(yè)設備HR2000+光譜儀實測的鴇絲溫度數(shù)據(jù)進行了探究性的初步分析。通過實驗數(shù)據(jù)分析，得出鴇絲燈泡的燈絲電阻會 隨著所加直流電壓明顯改變，當燈絲電壓為額定電壓大約 5