如何引導學生做好綜合設計性物理實驗——以二極管伏安特性曲線測量實驗為例

楊貴榮,喻秋山,邱學云

(1.思茅師范高等專科學校,云南普洱 665000;2.長江大學物理科學與技術學院,湖北荊州 434023;3.文山學院,云南文山 663000)

針對當前大學物理實驗課上,學生缺乏獨立思考的能力和動手能力的情況,如何正確引導學生順利進行實驗,取得最大的能力培養就是值得思考的問題。下面以二極管的伏安特性曲線測量實驗為例進行說明。流表壓降VA和二極管上壓降 VD的壓降之和,即 V=VA+VD(這比實際的二極管壓降 VD要大)。而反觀,將電鍵撥到位置 2時,此時的電壓表將直接準確測量到二極管兩端的電壓,但是由于非理想的電壓表將產生電流分流作用,將引起通過電流表 A的電流是通過二極管的電流 ID和通過電壓表電流 IV之和,即 IA=ID+IV(這比實際通過二極管的電流 ID要大)。且在二極管兩端電壓低于門限電壓時,會出現截止情況,但仍然有小電流從電壓表流過,使得測量曲線與實際情況出現較大偏差。可以看出,這兩種方法雖然測量簡單,但都存在有較大測量誤差的不足,在要求精確測量時,此兩種方法是不可取的。

圖1 電流表內接法與外接法測量電路原理圖

1 實驗設計方案的提出與比較

二極管伏安特性曲線測量的實驗作為大學物理實驗電學部分設計性綜合實驗的重要實驗之一[1-4],能夠很好地鍛煉學生的綜合思考和動手能力。實驗教學中通常可供選擇的實驗方案有:電流表內接法、電流表外接法,補償法、電橋法和等效法等[2-5]。在這幾種測量方法中,每種方法都大體上能測量出二極管的伏安特性曲線,但結果和過程卻各有千秋。那么,怎樣去引導學生篩選出適合自己的最佳實驗方法,獲得最佳的實驗效果,就是現在要解決的問題。

1.1 電流表內接法和電流表外接法

要做出伏安特性曲線圖,需要獲得二極管的端電壓 U和通過電流 I的對應數值。圖 1是最基本的測量伏安特性曲線的電路圖。實驗中,在電鍵分別打向位置 1和 2時,電路分別為電流表內接法和電流表外接法。從圖 1中可以看出在電鍵打向位置 1時,電流所示正是流過二極管的電流 I,測量得到的電流值是準確的,而電壓表讀數 V的值則應是電

在上述兩種基本測量方法中,引導學生通過兩種不同電流表的接入方法和由此產生的效果進行分析對比,能夠讓學生對測量方法有更深的了解,加深對實驗誤差產生原因的認識。有了新的認識后,我們要進一步引導學生對實驗中產生的不足,進行針對性的實驗改進,如對上述電路進行電路補償。

1.2 補償法

如圖 2所示,引導學生進行新的嘗試,即對電壓 (電流)進行補償的實驗。在圖中,兩穩壓直流電源 E1和 E2同極相聯,調節滑線變阻器 RP和可變電阻 R到合適的阻值時,電流計指示為零 (即二極管A點和電壓表上 B點間無電勢差),則此時電壓表檢測到的電壓V也恰好等于二極管端電壓VD,但此時流經電壓表 RV的電流并未流經電流表,故在準確測得電壓的同時也能準確得到對應的電流值。

從以上原理分析來看,補償法的理論誤差為零,測量誤差主要來自于檢流計的靈敏度和電流表、電壓表的精度;其次來自于測量過程中產生的隨機誤差和系統誤差。與電流表的內接或者外接法相比,實驗的測量精度將得到極大提高,但電路稍顯復雜,操作較為麻煩。為此,可以引導學生在此補償法的基礎上,進行適當的變換,使用等效法測量,以便更好地進行實驗。

圖2 補償法測量電路原理圖

1.3 等效法

等效法顧名思義就是用一個電路元件 (圖中為可變電阻 Rp2)完全替代另一個電路元件 (二極管的電阻 RD)產生的效果。如圖 3所示,保持滑線變阻器 Pp1的滑片 P位置和電源 E1電壓不變,調節可變電阻 Rp2的阻值,使得電鍵 K2無論在接通位置 1或 2時,均可使電壓表的示數保持不變。此時,可變電阻 Rp2的電阻值將與二極管電阻值相等,即有:Rp∥RV∥RD=Rp∥RV∥ (RA+R0),由此可得:RD=RA+R0,故 I=IA。此方法將流過二極管的電流 ID和電壓VD分別測量,避免了測量二極管支路電流時接入電壓表引起的接入誤差。

此法相較于補償法,不存在理論誤差,測量精度高,而線路更為簡潔,操作簡單,是一種比較好的實驗測量電路。由此,可以引導學生在設計和實施自己的實驗方案時要注意對自己的實驗設計多做幾種方案,從中進行可行性比較,以獲得最佳的方案。在設計時,也可以引導學生多聯系所學知識,綜合運用已有知識作出提高訓練。如,在本實驗前就有測量電阻的實驗 (電橋法測電阻),該實驗能夠高精度地測量出電阻,引入電橋進行測量是學生實驗設計能力的一種拔高訓練。

圖3 等效法測量電路原理圖

1.4 電橋法

如圖 4所示,電壓表 V以及被測二極管 D、可調電阻 Rp1以及可調電阻 Rp2和電流表 A各作為一個橋臂構成電橋電路。圖中 G為檢流計,Rp為限流電阻。

調節電路中的滑線變阻器 Rp的滑片 P到合適位置后,調節可調電阻 Rp1、Rp2使電橋達到平衡 (檢流計示數為零)。此時,流經電流表的電流 IA等于流經二極管的電流 ID,電壓表所測電壓恰好為二極管的端電壓 VD。移動 Rp的滑片 P到新的位置以獲得不同的二極管兩端電壓,調節 Rp1、Rp2的阻值可以獲得多組對應的 VD和 ID值,即可以得到二極管的 VD-ID伏安特性曲線。

電橋的引入測量,也是補償法的一種新形式,實驗測量的理論誤差為零,原理簡單,但電路較為復雜,操作稍顯麻煩,不易調節到理想的電橋平衡電壓點。

圖4 電橋法測量電路原理圖

2 實驗結果與討論

對上述 5種不同的方法,我們選擇前 4種進行伏安特性的實驗測量。實驗所用二極管型號為 2AP9,電流表的量程為 0～200μA,電壓表的量程為 0～200 mV,直流穩壓電源 (0～24V可調輸出)一臺,滑線變阻器和可變電阻箱各 2個,檢流計 1個,單刀單擲電鍵 2個和單刀雙擲電鍵 1個,電線若干。實驗結果以二極管正向特性曲線的測量數據為例,見表 1。

表1 4種實驗方法所測電壓和電流對應關系

從表 1可以看出,補償法和等效法的測量結果比較接近,而電流表的內接法和外接法實驗結果則與補償法差別較大;電流表內接法的數據在二極管加壓較低部分與補償法的數據吻合較好,隨著電壓增加而偏小于補償法數據;電流表外接法的數據則在整個曲線區域都呈整體偏大。

3 結 語

完成一個實驗,可以有多種設計方案,有可行的,也有不可行的,可行方案在實施過程中又有著操作難易之分,測量結果有著誤差精度高低之分。殊途同歸的設計思想或許就是綜合設計性物理實驗的魅力所在,學生從多種可能中篩選出自己認為最為理想的實驗測量方法是學生的一種體驗式成功,也是一種對已有知識鞏固和掌握的過程,對提高學生思考和綜合設計物理實驗的能力很有幫助。

[1] 劉云龍.大學物理實驗 (工程專科適用)[M].上海:同濟大學出版社,1998:75-78.

[2] 陳元.引導學生做好研究性物理實驗 [J].西江教育論叢,2004,(2):55-56.

[3] 董傳華.大學物理實驗 (第 2版)[M].上海:上海大學出版社,2003:328-330.

[4] 魏懷鵬.大學物理實驗 (第 3版)[M].天津:天津大學出版社,2004:252.

[5] 王會春等.介紹測二極管伏安特性的幾種方法[J].遼寧師專學報,2006,(9):8-9,16.