串并聯(lián)電路電壓特點科學實驗探究

根據(jù)表一中實驗三測得的數(shù)據(jù)U1=1.5V,U2=1?3V,即使再加每次電表允許產(chǎn)生的最大誤差0.075V，U1+U2+誤差值=2?95V,與U電源3.5V比仍然小0.55V，這個值也遠遠超過了允許的最大誤差，對比這五組實驗數(shù)據(jù),我們不難發(fā)現(xiàn)都存在著與實驗一相類似的規(guī)律，而由表二并聯(lián)電路所測得的實驗數(shù)據(jù)中，也存在U1不等于U2不等于U電源,且誤差很大的現(xiàn)象。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當用電器為燈泡時的實驗誤差值普遍要比用電器為電阻時的誤差值要大得多，而使用有夾子的銅導線做實驗時的誤差值普遍要比使用無夾子的銅導線要大得多。為此，我們對探究串、并聯(lián)電路電壓特點的實驗存在的巨大誤差展開了深入、全面的研究。我們做出了以下幾種猜測:串、并聯(lián)電路中造成電壓特點與理論存在誤差的原因可能是與導線的長短有關。串、并聯(lián)電路中造成電壓特點與理論存在誤差的原因可能是開關承擔了一部分電壓。串、并聯(lián)電路中造成各用電壓特點與理論存在誤差的原因可能是導線承擔了一部分電壓。串、并聯(lián)電路中造成各用電壓特點與理論存在誤差的原因可能與導線接線柱線頭所擰得松緊有關。1.串聯(lián)電路實驗串聯(lián)電路的電源電壓以及各用電器電壓的測量?！緦嶒炂鞑摹侩妷罕?只、小燈座2個、小燈泡2個、10Q電阻2個、干電池3節(jié)、開關1只、導線若干?！靖倪M后的實驗過程】

注：（以下實驗電源電壓都是由電壓表測量所得的數(shù)值，為保持實驗的一致性，電壓表正負接線柱的兩根導線始終為帶夾子的銅導線。（1）將電壓表接在開關兩端，閉合開關，兩小燈泡均發(fā)光,觀察此時電壓表的示數(shù)。（2）選用長度為30cm及60cm的兩種無夾子的銅導線記下U1，U2及電源電壓的值。將電壓表依次接在電源負極到LI、L1到L2、L2到開關、開關到電源正極這四條導線上，閉合開關，兩小燈泡均發(fā)光,觀察這四種情況下各電壓表的示數(shù)。更換不同類型的導線，再次重復以上步驟，記錄數(shù)據(jù)。將小燈泡更換為10Q定值電阻，重復步驟(2)(3),記錄數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)如表三、表四所示:數(shù)據(jù)分析:由表三數(shù)據(jù)可知，當連接線路中的導線長度全都由30cm變成60cm時，U1+U2的值與電源電壓之間的誤差由0.05V提高到了0.1V，說明誤差值在偏大，可得到的結論一：導線的長度會影響U1+U2的數(shù)值與電源電壓間的誤差，且導線越長，U1+U2的值越小，誤差也就越大。證得猜想一是正確的。在表四實驗一中，只有開關到電源正極用的是兩端有夾子的導線，其余都是無夾子導線連接，而根據(jù)實驗一的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)無夾子導線兩端的電壓都為0V,而有夾子導線兩端的電壓為0.5V。而這個0.5V也正好是實驗中電源電壓與U1+U2之和的誤差值，說明導線分到了電壓。對比表四中的這五組實驗數(shù)據(jù)，當連接導線用的是無夾子導線時，導線兩端的電壓基本上都為0，只有實驗五有兩組測得的是0.05V，而測開關兩端的電壓有三組為0,兩組為0.05V。據(jù)數(shù)據(jù)分析，這個0.05V，也可以說是相當小的電壓值。而有夾子導線兩端的電壓與此相比卻要大得多。根據(jù)這五組的實驗每一組的合計電壓與我們測得的U1+U2與電源電壓值的誤差進行比較，不難發(fā)現(xiàn)，實驗誤差的存在，確實是因為導線與開關會分到

電壓，對于有夾子的導線分到的電壓則會更多。由表四可得結論二：串聯(lián)電路中，除了用電器分到電壓外，導線或開關也會分到電壓，而且導線電阻越大，分到的電壓也就越大，所以實際的U1+U2U電源。結論三：在實驗中我們還發(fā)現(xiàn)，接線柱的線頭連接得松緊也會影響U1+U2的大小，造成實驗的誤差的存在。而我們平時用的學生電源及干電池不能直接根據(jù)旋鈕顯示數(shù)值或干電池節(jié)數(shù)乘1.5V來做電源電壓。結論：在串聯(lián)電路中，造成串聯(lián)電路各用電器電壓和小于電源電壓的原因是由于導線與開關會分到電壓，接線柱的線頭連接得松緊的影響，及做實驗時用的學生電源按顯示數(shù)值讀數(shù)，干電池直接用1.5V電壓計算造成電源電壓不精確。為了進一步證實猜想，對并聯(lián)電路也進行了誤差探究實驗:2.并聯(lián)電路實驗【實驗器材】電壓表1只、小燈座2個、小燈泡2個、電阻為10Q2個,3節(jié)干電池、開關1個、導線若干?！緦嶒炦^程】選用大量程，用試觸法來估測電壓的大小，然后確定合適的量程。根據(jù)電路圖，連接完成電路。先用燈泡并聯(lián)。分別三次把電壓表并聯(lián)接入線路中:①測燈L1的電壓；②測燈L2的電壓；③測電源電壓。（4）換不同類型的導線，再次重復第3步驟，并記下數(shù)據(jù)。（5）更換為10Q的定值電阻，再重復（3）（4）步驟，并記下數(shù)據(jù)。（6）重復實驗，得出結論。實驗數(shù)據(jù)如下表五所示:數(shù)據(jù)分析及結論:根據(jù)表五數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在實驗中，開關兩端的電壓只有實驗一與實驗四為0V，其余三組都分到電壓。而且明顯地發(fā)現(xiàn)，使用無夾子導線時，導線兩端的電壓為0V的有8組數(shù)據(jù)，有夾子導線兩端的電壓為0的有兩組，因為我們的實驗器材及人為讀數(shù)方面的局限，在誤差允許的范圍內(nèi)；在實驗四出現(xiàn)的有夾子導線電壓為0V，可能是我們實驗器材及誤讀所造成。并聯(lián)電路結論：由實驗數(shù)據(jù)可得出分到電壓確實與導線的電

阻大小及開關的接線柱的電阻有關，電阻越大，分到的電壓也就越多，造成用電器兩端的實際電壓小于電源電壓。但用電器兩端電壓與導線兩端電壓及開關兩端電壓加起來還是等于電源電壓，這與串聯(lián)電路的研究結果一致。根據(jù)以上的實驗，我們大致得出了結論：實驗所用的導線、開關并非是我們所假想的0電阻，導線存在較大的電阻，分走了一部分電壓，而且我們實驗所使用的電壓表也并非我們所假象的那樣0電阻，電壓表也分走了一定的電壓。比較實驗所得出的數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)，使用小燈泡實驗所得出的數(shù)據(jù)比使用定值電阻實驗所得出的數(shù)據(jù)誤差更大。我們對此也展開了討論與研究。根據(jù)八年級上冊科學課本上4.4影響導體電阻因素的內(nèi)容和實驗得出的數(shù)據(jù)，我們意識到：因為小燈泡發(fā)光的同時也發(fā)熱，小燈泡溫度升高，導致小燈泡電阻變大，分走了一定的電壓，加大了誤差。除此之外，我們實驗所得的數(shù)據(jù)仍存在一定的小誤差，對這誤差的存在有些是無法避免的。但通過實驗我們也得到了幾種產(chǎn)生誤差的原因和對今后實驗改進的設想：

誤差產(chǎn)生原因的幾種分類學生電源直接讀數(shù)電壓與實際測出的電壓間存在誤差,新干電池也不能都以1.5V讀數(shù)，它們的理論值與測量值之間都存在著一定的誤差。由于導線本身存在電阻，或由于導線兩端焊錫夾子電阻增大，分走了少量電壓。電鍵(開關)會分走少量電壓。

在連接線路時，由于線頭的松緊而造成的誤差。初中階段實驗器材本身局限造成的誤差。學生在測量過程中讀數(shù)所造成的誤差。電表自身也有電阻造成誤差。實驗后的體會在初中科學的物理實驗中，有些誤差在實驗中我們是沒法避免的，如(5)(6)兩種誤差，但有些是我們可以通過實驗過程中改進器材，或完善操作過程，在以后的實驗中盡可能地設法減小。減小誤差的幾個方面：在連接電路時盡量用不帶夾子的導線，且導線不能過長，現(xiàn)實生活中導線電阻不可避免，我們只能讓它盡量地減小，而帶夾子的導線由于經(jīng)過焊錫會產(chǎn)生比較大的電阻，而我們初中階段都默認為導線電阻為0這樣會影響實驗的結果。在連接導線時，要注意接線頭要擰緊，以減小實驗誤差。

測量電源電壓時，不能直接從學生電源或干電池的節(jié)數(shù)讀電壓，必須進行測量。讀數(shù)時，眼睛正視，要讀到估計位，以減小誤差。做好正確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。選擇適當?shù)碾姳砹砍?，不能選得太大。

以上就是我們通過實驗所得的一點收獲與幾點體會，我們在實驗的過程中，充分地感受到了科學的樂趣一一追求真理、嚴謹真實的精神與態(tài)度，也相信，在誤差的分析過程中，應該還有更好更多的改進，值得我們?nèi)ミM一步深思。串連蓄電池組的均充技術研究-單個蓄電池的電壓與容量有限,在很多場合下要組成串連蓄電池組來使用。但蓄電池組的中的電池存在均衡性的問題。如何提高蓄電池組的使用壽命，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減少，是擺在我們面前的重要問題。蓄電池的使用壽命是由多方面的因素所決定，其中最重要的是蓄電池本身的性能。此外，電池技術的低下和不合理的充放電制度也是造成電池壽命縮短的重要原因。對蓄電池組來說,除去上述原因，單體電池

間的不一致性也是個重要因素。針對蓄電池充放電過程中存在的單體電池不均衡的現(xiàn)象，筆者分析比較了目前的幾種均充方法，結合實際捉出了無損均充方法，并進行了試驗驗證?，F(xiàn)有的均衡充電方法實現(xiàn)對串聯(lián)蓄電池組的各單體電池進行均充，目前主要有以下幾種方法。在電池組的各單體電池上附加一個并聯(lián)均衡電路，以達到分流的作用。在這種模式下，當某個電池首先達到滿充時,均衡裝置能阻止其過充并將多余的能量轉化成熱能，繼續(xù)對未充滿的電池充電。該方法簡單，但會帶來能量的損耗，不適合快充系統(tǒng)。在充電前對每個單體逐一通過同一負載放電至同一水平，然后再進行恒流充電，以此保證各個單體之間較為準確的均衡狀態(tài)。但對蓄電池組，由于個體間的物理差異,各單體深度放電后難以達到完全一致的理想效果。即使放電后達到同一效果，在充電過程中也會出現(xiàn)新的不均衡現(xiàn)象。定時、定序、單獨對蓄電池組中的單體蓄電池進行檢測及均勻充電。在對蓄電池組進行充電時，能保證蓄電池組中的每一個蓄電池不會發(fā)生過充電或過放電的情況，因而就保證了蓄電池組中的每個蓄電池均處于正常的工作狀態(tài)。運用分時原理，通過開關組件的控制和切換,使額外的電流流入電壓相對較低的電池中以達到均衡充電的目的。該方法效率比較高，但控制比較復雜。540)this.width=540”vspace=5〉以各電池的電壓參數(shù)為均衡對象，使各電池的電壓恢復一

致。如圖2所示，均衡充電時，電容通過控制開關交替地與相鄰的兩個電池連接,接受高電壓電池的充電,再向低電壓電池放電，直到兩電池的電壓趨于一致。540）this.width=540”vspace=5〉該種均衡方法較好的解決了電池組電壓不平衡的問題，但該方法主要用在電池數(shù)量較少的場合。整個系統(tǒng)由單片機控制，單體電池都有獨立的一套模塊。模塊根據(jù)設定程序,對各單體電池分別進行充電管理,充電完成后自動斷開。該方法比較簡單，但在單體電池數(shù)多時會使成本大大增加，也不利于系統(tǒng)體積的減小。無損均充電路本文提出了一種無損均充電路。均充模塊啟動后，過充的電池會將多余的電量轉移到?jīng)]有充滿的電池中，實現(xiàn)動態(tài)均衡。其效率高損失少，所有的電池電壓都由均充模塊全程監(jiān)控。1電路設計N節(jié)電池串聯(lián)組成的電池組,主回路電流是Ich。各串聯(lián)電池都接有一個均衡旁路，如圖3所示。圖中BTi是單體電池,Si是MOSFET,電感Li是儲能元件。Si、Li、Di構成一個分流模塊Mi。在一個充電周期中,電路工作過程分為兩個階段:電壓檢測階段（時間為Tv）和均充階段（時間為Tc）。在電壓檢測階段，均衡旁路電路不工作,主電源對電池組充電，同時檢測電池組中的單體電池電壓,并根據(jù)控制算法計算MOSFET的占空比。在均充階段，旁路

中被觸發(fā)的MOSFET由計算所得的占空比來控制開關狀態(tài)，對相應的電池進行均充處理。在這個階段中，流經(jīng)各單體電池的電流是不斷變化的，也是各不相同的。540)this.width=540”vspace=5>除去連接在B1兩端的Ml,所有的旁路分流模塊組成都是一樣的。在均充旁路中，由于二極管Di的單向導通作用，所有的分流模塊都會將多余的電量從相應的電池轉移到上游電池中，而Ml則把多余的電量轉移到下游的電池中。2開關管占空比的計算充電時電池的荷電狀態(tài)SOC(stateofcharge)可由下面的經(jīng)驗公式來得出，其中V是電池的端電壓。SOC=—0.24V2+7.218V一53.088(1)SOC是電池當前容量與額定容量之比,SOC=Q/QToTALX100%。通過把電壓檢測階段末期檢測到的電池電壓轉化為荷電狀態(tài)，而單節(jié)電池的儲存容量Qest,n與SOC存在相應的關系,Qest,n可以被估算出來。在充電平衡階段，從主充器充入單節(jié)電池的電量是IchTcep。其中,Tcep為一個充電周期內(nèi)均充階段的時間。為使在均充階段達到單節(jié)電池儲存容量的平衡，均充的目標Qtar應為：540)this.width=540”vspace=5>但是，在被激發(fā)的旁路和其他電池之間的充電轉換是相互影

響的，單體電池經(jīng)旁路輸出給其他電池的電流和接收的充電電流很難用一個簡單的公式進行計算。不過Gauss-Seidel迭代法可以解決這個問題。期望的儲存容量Qn可以用下式來計算：540)this.width=540”vspace=5>其中,Idis,n是一個開關周期中的平均電流,Iobt,n是從其他被觸發(fā)的旁路中獲得的電流。Qtar是理想狀態(tài)下電池經(jīng)充電周期Ts達到均充時的電荷量,Qn是期望的儲存容量，取Qtar=Qn,即(2)、(3)相等。通過相應換算,得到占空比的計算公式：540)this.width=540”vspace=5>這里的函數(shù)fN只是一個示意函數(shù)，表示Dn和D2……D3存在一定關系。3實驗設計為了驗證本文的均衡充電方法,以兩節(jié)單體電池組成的蓄電池組為例進行實驗和分析，主要驗證旁路中開關管對電壓的調節(jié)作用?？刂屏鞒桃妶D4。540)this.width=540”vspace=5>由于沒有現(xiàn)成的蓄電池，需用替代電池來進行實驗。充電過程中蓄電池內(nèi)阻和端電壓都在不斷變化