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(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)量和探究作者學(xué)校 作者姓名 指導(dǎo)教師 老組研究時(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(wèn)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?jī)?nèi)容 4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 實(shí)驗(yàn)對(duì)象4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 實(shí)驗(yàn)儀器和配套設(shè)備 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)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(xiàn) 12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(duì)應(yīng)的燈絲電阻發(fā)熱溫度，并對(duì)比利用專(zhuān)業(yè)設(shè)備HR2000+光譜儀實(shí)測(cè)的鴇絲溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了探究性的初步分析。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出鴇絲燈泡的燈絲電 阻會(huì)隨著所加直流電壓明顯改變，當(dāng)燈絲電壓為

4、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%,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(shí)際溫度，丁。=01, 利用這個(gè)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(shí)，這個(gè)理論值對(duì)比專(zhuān)業(yè)設(shè)備光譜儀直接實(shí)測(cè)的燈絲溫度 T,在接近額定電壓 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(shū)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(shí)鴇絲燈泡發(fā)光的溫度大約在 1500度以上，而在電壓剛開(kāi)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(lái)找到符合實(shí)際物 理事實(shí)的公式。1引言問(wèn)題的提由鴇絲燈泡是比較常見(jiàn)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(guò)燈絲（材料一般為鴇絲熔點(diǎn)3000c以上）時(shí)產(chǎn)生

6、熱量，螺旋狀的燈絲不斷聚集熱量，當(dāng)溫度達(dá)到 2000c以上時(shí)，就會(huì)發(fā)出可見(jiàn)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(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(xiàn)，對(duì)人體體表尤其是青少年視力的影響問(wèn)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(lèi)似太陽(yáng)的連續(xù)光譜性， 包含的紫外線(xiàn)比較少，更適合于青少年讀書(shū)學(xué)習(xí)的照明用， 所以本研究課題本著 科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，以我們生活中常見(jiàn)的低壓直流鴇絲小燈泡為研究對(duì)象，用實(shí) 驗(yàn)的方法測(cè)得數(shù)據(jù)，

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(duì)應(yīng)不同電壓下的燈絲溫度以及使用HR2000+光譜儀直接測(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)一步得到低壓直流鴇絲燈的工作規(guī) 律，實(shí)測(cè)驗(yàn)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(jiàn)生活用品背后的物理知識(shí)，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(lái)從實(shí)驗(yàn)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(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的低壓直流鴇絲燈

8、泡作為研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，原因如下：1、我的物理背景知識(shí)已經(jīng)具備。物理課本里了解到鴇絲燈（一般稱(chēng)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， 然而鴇絲燈 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(mǎn)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(shí)際溫度，T0 =0P ,這些信息我通過(guò)查閱物理課本和習(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(guò) 了，所以我想通過(guò)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(lái)

9、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(zhuān)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(mén)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(lèi)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(xiàng)研究利用實(shí)驗(yàn)的方法直接測(cè)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(shí)測(cè)燈絲溫度的對(duì)比，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，知道現(xiàn)無(wú)任何研究機(jī)構(gòu)個(gè)人做過(guò)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。研究的意義本項(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(shí)測(cè)燈絲溫 度的對(duì)比，可以進(jìn)一步驗(yàn)證鴇絲電阻 R（T）的隨溫度T變化的物理特性，并根據(jù) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果來(lái)推測(cè)出更符合實(shí)際情況的鴇絲電阻隨溫度變化公式R（T）.2

11、研究?jī)?nèi)容2.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象額定電壓/功率分別為24V/15W鴇絲燈泡;圖1.實(shí)驗(yàn)所測(cè)低壓直流鴇絲燈泡2.2實(shí)驗(yàn)儀器和配套設(shè)備圖2.精度0.5的直流電流表1個(gè)，直流電壓表1個(gè);圖3.滑線(xiàn)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(wàn)用表1個(gè)圖6, HR2000+光譜儀及測(cè)試探頭和光纖導(dǎo)線(xiàn)若干，計(jì)算機(jī)和處理軟件 Microsoft office EXCEL ；實(shí)驗(yàn)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；研究步驟以及相關(guān)數(shù)據(jù)記錄電路原理圖設(shè)計(jì)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(jì)電阻分 P別為38.4C根據(jù)物理課本的基本知識(shí)，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(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)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15.6C,此時(shí)的燈泡電阻阻值直接用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量為3.8Q，根據(jù)公式R（T ）= R0（1+。AT）帶入，可以算出0C時(shí)鴇絲燈泡的鴇絲電阻R0=R156-：- 3.55l. 1 0.0045 15.6所以對(duì)應(yīng)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(dòng)滑線(xiàn)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(kāi)穩(wěn)壓電源開(kāi)關(guān)，逐步移動(dòng)滑線(xiàn)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(kāi)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)試口對(duì)準(zhǔn)燈絲，讀出對(duì)應(yīng)的溫度，如表 1所示：7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(mA0210265310

14、345380415445475505525555589電阻R(C)3.89.515.119.423.226.328.931.533.735.638.139.640.7實(shí)測(cè)燈絲 溫度T (C)12.5205.8400.5678.9900.81200.71455.81698.81856.51985.72100.42254.62335.8理論推導(dǎo) 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(shí)驗(yàn)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(xiàn)圖如圖10所示：45 %阻R/歐姆24V/15W鳥(niǎo)絲燈電阻電壓特性曲線(xiàn)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(xiàn)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(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%024V/15W燈泡的電阻R大小隨著實(shí)測(cè)溫度變化曲線(xiàn)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(xiàn)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(shí)測(cè)溫度變化曲線(xiàn)圖從圖中可以明顯的看出來(lái)，燈絲溫度從室溫15.8C上升迅速，到了額定電壓 的時(shí)候，溫度高達(dá)2335.8C,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(guò)了鴇絲的熔點(diǎn) 3000c以上的話(huà)，燈絲就會(huì)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(jiǎn)單的線(xiàn)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(lái)電阻和溫度的理論曲線(xiàn)應(yīng)該是一條直線(xiàn)，溫度1500c左右以上的數(shù)據(jù)還能連成一條直線(xiàn)，但是低溫的時(shí)候數(shù)據(jù)點(diǎn)連起來(lái) 明顯是一條彎彎的曲線(xiàn)。在做實(shí)驗(yàn)測(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)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(lái)的鴇絲燈泡燈絲的溫度 T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(guān)的表現(xiàn)這種差異，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/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(xiàn)理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖實(shí)測(cè)值-理論推導(dǎo)值燈絲電壓/V25.0圖12.燈絲溫度隨電壓變化曲線(xiàn)理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖圖中可以直觀(guān)的看出來(lái)，燈絲溫度的理論值和實(shí)測(cè)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(shū)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(shí)鴇絲燈泡發(fā)光的溫度大約在1500c以上，而在電壓剛開(kāi)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(lái)找到符合實(shí)際物理事實(shí)的公式。4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 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(duì) 應(yīng)的燈絲電阻發(fā)熱溫度，并對(duì)比利用專(zhuān)業(yè)設(shè)備HR2000+光譜儀實(shí)測(cè)的鴇絲溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行了探究性的初步分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出鴇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