如何引导学生做好综合设计性物理实验——以二极管伏安特性曲线测量实验为例

杨贵荣,喻秋山,邱学云

(1.思茅师范高等专科学校,云南普洱 665000;2.长江大学物理科学与技术学院,湖北荆州 434023;3.文山学院,云南文山 663000)

针对当前大学物理实验课上,学生缺乏独立思考的能力和动手能力的情况,如何正确引导学生顺利进行实验,取得最大的能力培养就是值得思考的问题。下面以二极管的伏安特性曲线测量实验为例进行说明。流表压降VA和二极管上压降 VD的压降之和,即 V=VA+VD(这比实际的二极管压降 VD要大)。而反观,将电键拨到位置 2时,此时的电压表将直接准确测量到二极管两端的电压,但是由于非理想的电压表将产生电流分流作用,将引起通过电流表 A的电流是通过二极管的电流 ID和通过电压表电流 IV之和,即 IA=ID+IV(这比实际通过二极管的电流 ID要大)。且在二极管两端电压低于门限电压时,会出现截止情况,但仍然有小电流从电压表流过,使得测量曲线与实际情况出现较大偏差。可以看出,这两种方法虽然测量简单,但都存在有较大测量误差的不足,在要求精确测量时,此两种方法是不可取的。

图1 电流表内接法与外接法测量电路原理图

1 实验设计方案的提出与比较

二极管伏安特性曲线测量的实验作为大学物理实验电学部分设计性综合实验的重要实验之一[1-4],能够很好地锻炼学生的综合思考和动手能力。实验教学中通常可供选择的实验方案有:电流表内接法、电流表外接法,补偿法、电桥法和等效法等[2-5]。在这几种测量方法中,每种方法都大体上能测量出二极管的伏安特性曲线,但结果和过程却各有千秋。那么,怎样去引导学生筛选出适合自己的最佳实验方法,获得最佳的实验效果,就是现在要解决的问题。

1.1 电流表内接法和电流表外接法

要做出伏安特性曲线图,需要获得二极管的端电压 U和通过电流 I的对应数值。图 1是最基本的测量伏安特性曲线的电路图。实验中,在电键分别打向位置 1和 2时,电路分别为电流表内接法和电流表外接法。从图 1中可以看出在电键打向位置 1时,电流所示正是流过二极管的电流 I,测量得到的电流值是准确的,而电压表读数 V的值则应是电

在上述两种基本测量方法中,引导学生通过两种不同电流表的接入方法和由此产生的效果进行分析对比,能够让学生对测量方法有更深的了解,加深对实验误差产生原因的认识。有了新的认识后,我们要进一步引导学生对实验中产生的不足,进行针对性的实验改进,如对上述电路进行电路补偿。

1.2 补偿法

如图 2所示,引导学生进行新的尝试,即对电压 (电流)进行补偿的实验。在图中,两稳压直流电源 E1和 E2同极相联,调节滑线变阻器 RP和可变电阻 R到合适的阻值时,电流计指示为零 (即二极管A点和电压表上 B点间无电势差),则此时电压表检测到的电压V也恰好等于二极管端电压VD,但此时流经电压表 RV的电流并未流经电流表,故在准确测得电压的同时也能准确得到对应的电流值。

从以上原理分析来看,补偿法的理论误差为零,测量误差主要来自于检流计的灵敏度和电流表、电压表的精度;其次来自于测量过程中产生的随机误差和系统误差。与电流表的内接或者外接法相比,实验的测量精度将得到极大提高,但电路稍显复杂,操作较为麻烦。为此,可以引导学生在此补偿法的基础上,进行适当的变换,使用等效法测量,以便更好地进行实验。

图2 补偿法测量电路原理图

1.3 等效法

等效法顾名思义就是用一个电路元件 (图中为可变电阻 Rp2)完全替代另一个电路元件 (二极管的电阻 RD)产生的效果。如图 3所示,保持滑线变阻器 Pp1的滑片 P位置和电源 E1电压不变,调节可变电阻 Rp2的阻值,使得电键 K2无论在接通位置 1或 2时,均可使电压表的示数保持不变。此时,可变电阻 Rp2的电阻值将与二极管电阻值相等,即有:Rp∥RV∥RD=Rp∥RV∥ (RA+R0),由此可得:RD=RA+R0,故 I=IA。此方法将流过二极管的电流 ID和电压VD分别测量,避免了测量二极管支路电流时接入电压表引起的接入误差。

此法相较于补偿法,不存在理论误差,测量精度高,而线路更为简洁,操作简单,是一种比较好的实验测量电路。由此,可以引导学生在设计和实施自己的实验方案时要注意对自己的实验设计多做几种方案,从中进行可行性比较,以获得最佳的方案。在设计时,也可以引导学生多联系所学知识,综合运用已有知识作出提高训练。如,在本实验前就有测量电阻的实验 (电桥法测电阻),该实验能够高精度地测量出电阻,引入电桥进行测量是学生实验设计能力的一种拔高训练。

图3 等效法测量电路原理图

1.4 电桥法

如图 4所示,电压表 V以及被测二极管 D、可调电阻 Rp1以及可调电阻 Rp2和电流表 A各作为一个桥臂构成电桥电路。图中 G为检流计,Rp为限流电阻。

调节电路中的滑线变阻器 Rp的滑片 P到合适位置后,调节可调电阻 Rp1、Rp2使电桥达到平衡 (检流计示数为零)。此时,流经电流表的电流 IA等于流经二极管的电流 ID,电压表所测电压恰好为二极管的端电压 VD。移动 Rp的滑片 P到新的位置以获得不同的二极管两端电压,调节 Rp1、Rp2的阻值可以获得多组对应的 VD和 ID值,即可以得到二极管的 VD-ID伏安特性曲线。

电桥的引入测量,也是补偿法的一种新形式,实验测量的理论误差为零,原理简单,但电路较为复杂,操作稍显麻烦,不易调节到理想的电桥平衡电压点。

图4 电桥法测量电路原理图

2 实验结果与讨论

对上述 5种不同的方法,我们选择前 4种进行伏安特性的实验测量。实验所用二极管型号为 2AP9,电流表的量程为 0～200μA,电压表的量程为 0～200 mV,直流稳压电源 (0～24V可调输出)一台,滑线变阻器和可变电阻箱各 2个,检流计 1个,单刀单掷电键 2个和单刀双掷电键 1个,电线若干。实验结果以二极管正向特性曲线的测量数据为例,见表 1。

表1 4种实验方法所测电压和电流对应关系

从表 1可以看出,补偿法和等效法的测量结果比较接近,而电流表的内接法和外接法实验结果则与补偿法差别较大;电流表内接法的数据在二极管加压较低部分与补偿法的数据吻合较好,随着电压增加而偏小于补偿法数据;电流表外接法的数据则在整个曲线区域都呈整体偏大。

3 结 语

完成一个实验,可以有多种设计方案,有可行的,也有不可行的,可行方案在实施过程中又有着操作难易之分,测量结果有着误差精度高低之分。殊途同归的设计思想或许就是综合设计性物理实验的魅力所在,学生从多种可能中筛选出自己认为最为理想的实验测量方法是学生的一种体验式成功,也是一种对已有知识巩固和掌握的过程,对提高学生思考和综合设计物理实验的能力很有帮助。

[1] 刘云龙.大学物理实验 (工程专科适用)[M].上海:同济大学出版社,1998:75-78.

[2] 陈元.引导学生做好研究性物理实验 [J].西江教育论丛,2004,(2):55-56.

[3] 董传华.大学物理实验 (第 2版)[M].上海:上海大学出版社,2003:328-330.

[4] 魏怀鹏.大学物理实验 (第 3版)[M].天津:天津大学出版社,2004:252.

[5] 王会春等.介绍测二极管伏安特性的几种方法[J].辽宁师专学报,2006,(9):8-9,16.