陳連余

（南京市金陵中學(xué)，江蘇 南京 210005）

DIS實(shí)驗(yàn)中的傳感器給我們的印象是直觀性強(qiáng)、精確度高.但是，筆者在用電流傳感器等研究“電源的輸出功率與外電阻關(guān)系”時(shí)，由于電流傳感器存在較大的測(cè)量誤差，險(xiǎn)些造成實(shí)驗(yàn)失敗.

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：研究電源的輸出功率與外電阻關(guān)系.

實(shí)驗(yàn)器材：（1）舊干電池2節(jié)；（2）定值電阻10Ω 1只；（3）電阻箱（0～9999Ω）1只；（4）電流傳感器（－1A～1A）1只；（5）電壓傳感器（－12V～12V）1只；（6）開關(guān)1只、導(dǎo)線若干.

實(shí)驗(yàn)過程：在電源外電路中接入電阻R，電源的輸出功率P出理論分析表明，當(dāng)外電阻R與電源內(nèi)電阻r阻值相等時(shí)，電源的輸出功率最大.在課堂教學(xué)中，筆者采用了實(shí)驗(yàn)探究、理論驗(yàn)證相結(jié)合的教學(xué)方法.實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示，用電壓傳感器測(cè)出路端電壓U，用電流傳感器測(cè)出干路電流I，電源的輸出功率由P出＝IU計(jì)算得出.改變外電阻R，記下阻值，在圖2中作出P出－R關(guān)系圖線.

圖1

圖2

圖3

考慮到電源的內(nèi)電阻r比較小，一般在零點(diǎn)幾歐姆到幾歐姆，取到與之匹配的外電阻R不太容易，在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要給電源串聯(lián)一個(gè)定值電阻R0，從而構(gòu)成等效電源，電路圖為圖3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和相應(yīng)數(shù)據(jù)處理如表1.

表1

續(xù)表

作出P出－R關(guān)系圖線如圖4所示.

圖4

得到的圖線不夠流暢，點(diǎn)跡似乎都在跳躍，功率最大值的位置不夠突出.重復(fù)實(shí)驗(yàn)，情況大體相似，這就排除了偶然誤差的因素.那么，究竟是什么原因呢？仔細(xì)琢磨表1中數(shù)據(jù)，用表中的電壓值U除以電流值I計(jì)算得出的外電阻阻值，與表中最后一列所列電阻R不能吻合.電流越小，兩值偏差越大.原來，是小電流惹的禍.電流傳感器的測(cè)量精度為0.01A，當(dāng)電流較小時(shí)，小數(shù)點(diǎn)后面第3位電流數(shù)值的取舍，將會(huì)帶來較大的相對(duì)誤差.電流值越小，取舍后的相對(duì)誤差越大，在P出－R圖上描點(diǎn)的跳躍性就會(huì)越大，得到的圖線自然不可能流暢.

由于儀器所限，電流傳感器的精度不能改變，所以我們只能提高電路中的工作電流，以便減少小數(shù)點(diǎn)后面第3位電流數(shù)值的取舍對(duì)結(jié)果的影響.嘗試改串5Ω的定值電阻，重新實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)處理如表2.

表2

續(xù)表

作出P出－R關(guān)系圖線如圖5所示.

圖5

此時(shí)得到的關(guān)系圖線較前流暢了許多，驗(yàn)證了前面的分析.當(dāng)然，當(dāng)外電阻接入大電阻時(shí)，電流值的相對(duì)誤差仍較大，只是我們不去關(guān)注了.另外，串聯(lián)的定值電阻R0阻值不宜過小，否則會(huì)給圖線峰值左面的取點(diǎn)工作帶來困難.