江偉欣 吳先球

(1. 華南師范大學物理與電信工程學院，廣東 廣州 510006； 2. 華南師范大學物理學科基礎(chǔ)課實驗教學示范中心，廣東 廣州 510006)

測量小燈泡的伏安特性曲線是高中物理電學基礎(chǔ)實驗之一.[1]學生在初中時已經(jīng)接觸過滑動變阻器的限流式，但在理解分壓電路上有一定的困難.[2]利用實驗探究式教學可引導學生在觀察實驗的過程中自然生成物理規(guī)律，親歷物理觀念建構(gòu)過程，幫助學生理解物理原理.[3]

本文設(shè)計了一個基于LabVIEW及DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實驗教學裝置，通過電路設(shè)計和連接，DAQ對數(shù)據(jù)的采集，LabVIEW對數(shù)據(jù)的處理，可用于課堂上切換實驗電路，對電流表內(nèi)外接法及分壓限流電路進行實驗探究，并實時描繪元件的伏安特性曲線，可用于探究式教學課堂上進行實驗演示.

1 實驗裝置的整體設(shè)計

描繪伏安特性曲線實驗主要探究電流表內(nèi)外接法及分壓限流電路的特點及適用條件，描繪元件的伏安特性曲線.

為了提高課堂實驗演示的效率，實驗裝置的整體設(shè)計如下.

(1) 集成分壓限流電路.電路選擇如圖1(a)所示，當fg斷開時為限流電流，當fg導通時為分壓電路，即只要調(diào)整一根導線就可快速切換分壓限流電路，方便教師操作演示實驗，同時加深學生對分壓限流電路的理解.

(2) 靈活調(diào)整電流表內(nèi)外接法.如圖1(a)所示，當電壓傳感器接在ab兩端為電流表外接法，當電壓傳感器接在ae兩端即為電流表內(nèi)接法，即同樣只要調(diào)整一根導線即可實現(xiàn)電流表內(nèi)外接法的轉(zhuǎn)換，使實驗演示更為方便快捷，實操性強.

(3) 靈活拆卸待測元件.如圖1(b)所示，實驗裝置中利用香蕉插頭及接線座固定元件，只要將與元件連接好的香蕉插頭插進電路中的接線柱即可對元件進行測量，也可靈活拆卸更換電路元件，實現(xiàn)在一個電路板上測量不同元件的功能.

(4) DAQ實時采集數(shù)據(jù).利用NI myDAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時測量電路中的電壓和電流值，有效提高數(shù)據(jù)測量的時效性和準確性.

(5) LabVIEW處理實驗數(shù)據(jù).利用LabVIEW軟件將實驗數(shù)據(jù)記入表格并描繪出元件的伏安特性曲線，取代傳統(tǒng)的手工作圖方法，提高數(shù)據(jù)處理分析的時效性和科學性.

(a)裝置原理圖

(b)實物裝置圖

2 實驗演示及分析

2.1 實驗演示限流及分壓電路

斷開fg兩端使電路為限流電路，閉合電路開關(guān)，點擊“開始采集”，從計算機操作面板上看到實時電流電壓值，不斷調(diào)節(jié)滑動變阻器并點擊“記錄數(shù)據(jù)”，將實時數(shù)據(jù)記入表格中，點擊“描點”將多個數(shù)據(jù)點描在坐標圖中，如圖2所示為限流電路得到的數(shù)據(jù)描點圖.隨后，斷開開關(guān)，連接fg，將電路調(diào)整為分壓電路，重復相同操作即可得到分壓電路的數(shù)據(jù)描點圖，如圖3所示.

圖2 限流電路得到的數(shù)據(jù)點

圖3 分壓電路得到的數(shù)據(jù)點

結(jié)果顯示，利用限流電路得出來的數(shù)據(jù)點都集中在坐標系的一個角落中，即滑動變阻器并不能很好地改變待測電阻上的電壓，而在分壓電路中測得的數(shù)據(jù)點就可以大范圍均勻地分布在坐標系中.可以讓學生從圖表中“看到”限流電路和分壓電路的區(qū)別，加深了學生對兩種電路的理解.

2．2 實驗演示電流表內(nèi)外接法

將電壓傳感器接在ab兩端即電流表外接時，閉合電路開關(guān)，點擊“開始采集”獲得電流表外接時電壓電流數(shù)據(jù)，緊接著調(diào)整電壓傳感器使其接在ae兩端即電流表內(nèi)接，重復操作獲得電流表內(nèi)接法時電壓電流數(shù)據(jù).實驗數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 電流表內(nèi)外接法電壓電流值

通過比較電流表內(nèi)外接法時的數(shù)據(jù)，讓學生清楚地看到電流表位置的變化會影響電壓電流值的變化，打破學生在初中時對“理想電表”的認識.

2．3 測量電阻的伏安特性曲線

將待測電阻固定在電路板上，閉合電路開關(guān)，點擊“開始采集”，不斷改變滑動變阻器滑片位置并點擊“記錄數(shù)據(jù)”將多組實驗數(shù)據(jù)記入表格，點擊“描點”將數(shù)據(jù)點描在坐標圖中，點擊“數(shù)據(jù)擬合”得到如圖4所示電阻的伏安特性曲線，并得到擬合直線的斜率的倒數(shù)即電阻值.

圖4 電流表外接法下獲得的電阻伏安特性曲線

利用電流表外接測得電阻的阻值約為33 Ω，利用電流表內(nèi)接測得的阻值約為36 Ω，即可通過本實驗演示驗證“內(nèi)大偏大，外小偏小”的規(guī)律，加深學生對實驗規(guī)律的理解.

同時利用多用電表測量得到電阻阻值約為34 Ω，計算得到本實驗裝置測量的電阻值相對誤差為δ=2.5%，不確定度uA=0.58，即本裝置能較為精準地測量電阻值.

2．4 測量小燈泡的伏安特性曲線

斷開電路開關(guān)，將電阻元件拆卸下來，換上連接好香蕉插頭的小燈泡元件，閉合電路開關(guān)，點擊“開始采集”，不斷改變滑動變阻器滑片位置并點擊“記錄數(shù)據(jù)”將多組實驗數(shù)據(jù)記入表格，點擊“描點”，即可測量小燈泡的伏安特性曲線，如圖5所示.可以直觀的看到小燈泡的伏安特性曲線不再是一條直線，而是彎曲的曲線.并且可以從圖線的趨勢中看到小燈泡的電阻是越來越大的.[4]

圖5 小燈泡的伏安特性曲線

3 結(jié)束語

在教學應(yīng)用的角度上，本實驗裝置在電路的設(shè)計上集成了電流表內(nèi)外接法及分壓限流電路.在課堂上通過改變一根導線即可切換實驗電路，加深學生對電路結(jié)構(gòu)的認識，提高課堂實驗演示的靈活性.同時利用LabVIWE可實時描繪元件的伏安特性曲線，增強數(shù)據(jù)處理的時效性，提高課堂效率.