中国民航大学：《大学物理实验》课程教学资源（教案讲义）电学基本测量——测绘线性电阻和非线

测绘线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线 【实验简介】 电阻是电学中常用的物理量。利用欧姆定律测导体电阻的方法称为“伏安法”。 为了研究材料的导电性，通常作出其伏安特性曲线，了解它的电压和电阻的关系。伏安特性 曲线是直线的元件称为“线性元件”，伏安特性曲线不是直线的元件称为“非线性元件”。这 两种元件的电阻都可以用伏安法测量。但是，由于测量时电表被引入测量电路，电表内阻必 然会影响测量结果，因而应考虑对测量结果进行必要的修正，以减小系统误差。 【实验目的】 1、了解电学实验常用仪器的规格、性能，学习它们的使用方法。 2、学习电学实验的基本操作规程和连接电路的一般方法。 3、掌握电阻元件伏安特性的测量方法，用伏安法测电阻。 4、了解系统误差的修正方法，学会作图法处理实验数据。 【实验仪器和用具】 名称 数量 型号 1、直流恒压源恒流源 1台 自备 2、数字万用表 2台 自备 3、电阻 2只 5100×122002×1 4、白炽灯泡 1只 12V/3W 5、稳压二极管 1只 2CW56 6、短接桥和连接导线 若干 SJ-009和SJ-301 9、九孔插件方板 1块 SJ-010 【实验原理】 1、伏安特性曲线 实验中常用的线绕电阻、碳膜电阻和金属膜电阻等，它们都具有以下共同特性，即加在 该电阻上的电压与通过其上的电流总是成正比例的变化（忽略电流热效应对阻值的影响）。若 以纵坐标表示电流，横坐标表示电压，电流与电压的关系就表示为一条直线如图()所示。 具有这种特性的电阻元件成为“线性电阻元件”。 2、非线性电阻 如果电阻电阻元件两端的电流、电压关系为曲线，则这类电阻元件称为“非线性电阻元 件”（如热敏电阻、二极管等）。这种元件的特点是电阻随加在它两端的电压改变而改变如图 (b)所示。一般均用伏安特性曲线来反映非线性电阻元件的特性。 R=号

测绘线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线 【实验简介】 电阻是电学中常用的物理量。利用欧姆定律测导体电阻的方法称为“伏安法”。 为了研究材料的导电性，通常作出其伏安特性曲线，了解它的电压和电阻的关系。伏安特性 曲线是直线的元件称为“线性元件”，伏安特性曲线不是直线的元件称为“非线性元件”。这 两种元件的电阻都可以用伏安法测量。但是，由于测量时电表被引入测量电路，电表内阻必 然会影响测量结果，因而应考虑对测量结果进行必要的修正，以减小系统误差。 【实验目的】 1、了解电学实验常用仪器的规格、性能，学习它们的使用方法。 2、学习电学实验的基本操作规程和连接电路的一般方法。 3、掌握电阻元件伏安特性的测量方法，用伏安法测电阻。 4、了解系统误差的修正方法，学会作图法处理实验数据。 【实验仪器和用具】 名称 数量 型号 1、直流恒压源恒流源 1 台 自备 2、数字万用表 2 台 自备 3、电阻 2 只 510Ω×1 2200Ω×1 4、白炽灯泡 1 只 12V/3W 5、稳压二极管 1 只 2CW56 6、短接桥和连接导线 若干 SJ-009 和 SJ-301 9、九孔插件方板 1 块 SJ-010 【实验原理】 1、伏安特性曲线 实验中常用的线绕电阻、碳膜电阻和金属膜电阻等，它们都具有以下共同特性，即加在 该电阻上的电压与通过其上的电流总是成正比例的变化(忽略电流热效应对阻值的影响)。若 以纵坐标表示电流，横坐标表示电压，电流与电压的关系就表示为一条直线如图（a）所示。 具有这种特性的电阻元件成为“线性电阻元件”。 2、非线性电阻 如果电阻电阻元件两端的电流、电压关系为曲线，则这类电阻元件称为“非线性电阻元 件”（如热敏电阻、二极管等）。这种元件的特点是电阻随加在它两端的电压改变而改变如图 （b）所示。一般均用伏安特性曲线来反映非线性电阻元件的特性。 I U R =

I(a) 个I(nA)正向 2.0 1.0 15105 山T T千TTT -0.4-0 2.04.0 U() 0.5 U(V) 「反向 I(uA) 图(a)线性电阻的伏安特性曲线 图(b)二极管的伏安特性曲线 3、伏安法测电阻 欧姆定律告诉我们，通过一段电路的电流，与这段电路两端的电压成正比，与这段电路 的电阻成反比，即1= R·由此可求得电阻 R号 (1-1) 这是伏安法测电阻所根据的基本原理。 A 图1电流表内接测量电路 图2电流表外接测量电路 (1)电流表内接法 如图1所示，电路属于电流表内接法。电流表测出的电流I就是通过待测电阻R的电 流I,但电压表测出的电压U应等于R两端的电压U,与电流表内阻R,上的电压U,之和。 R=7 (1-2) 由此式可知，电阻的测量值R,比实际值R,要大， ,R是由于电流表内接带来的误差， 称为接入误差。在粗略测量的情况下，一般在R,>R,(如R为几千欧)时用“内接法”。 为精确计算出R,的值，应按式R,=R测-R,进行修正。(R由实验室给出)。 (2)电流表外接法

图（a）线性电阻的伏安特性曲线 图（b）二极管的伏安特性曲线 3、伏安法测电阻 欧姆定律告诉我们，通过一段电路的电流，与这段电路两端的电压成正比，与这段电路 的电阻成反比，即 U I R = 。由此可求得电阻 U R I = （1-1） 这是伏安法测电阻所根据的基本原理。 图 1 电流表内接测量电路 图 2 电流表外接测量电路 （1）电流表内接法 如图 1 所示，电路属于电流表内接法。电流表测出的电流 I 就是通过待测电阻 Rx 的电 流 x I ，但电压表测出的电压 U 应等于 Rx 两端的电压Ux 与电流表内阻 RA 上的电压UA 之和。 (1 ) x A A xA x x x U U U R R R R R I I R + 测 == =+ = + （1-2） 由此式可知，电阻的测量值 比实际值 要大， R测 Rx A x R R 是由于电流表内接带来的误差， 称为接入误差。在粗略测量的情况下，一般在 （如 为几千欧）时用“内接法”。 为精确计算出 的值，应按式 x >> RR A Rx Rx R =x R测 −RA 进行修正。（ 由实验室给出）。 R A （2）电流表外接法

图2中，电路属于电流表外接法，电压表测出的电压U就是R、两端的电压U、,但电 流表测出电流1应等于L,与1之和。 Ra-U-.U.-U, =R (1-3) 由北式可，电用的剥景位风，比实际板见要个，是是由于电流表外接霜来的钱入误 差。在粗略测量的情况下，一般在R<R,(如R为几欧或几十欧)时用“外接法”。为 精确计出R,的值。应按式尺=尼。 -进行修正。(Rv由实验室给出) 4、半导体二极管 半导体二极管是一种常用的非线性电子元件，两个电极分别为正极、负极。二极管的主 要特点是单向导电性，其伏安特性曲线如图(b)所示。其特点是：在正向电流和反向电压 较小时，伏安特性呈现为单调上升曲线：在正向电流较大时，趋近为一条直线：在反向电压 较大时，电流趋近极限值一I5,Is叫做反向饱和电流。 由于二极管具有单向导电性，它在电子电路中得到了广泛应用，常用于整流、检波、限 幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 图3二极管电阻测量电路 【实验内容和要求】 摆放好各仪器的位置， 出电压。电路经 师枪 连接电路 增大 程的2时，开始记 的 内接 、灯泡 图所示电路，换接小灯泡 重新选择电表量程和电源电压。调节滑线变阻器，测出 8组U、1值 3、测量二极管的伏安特性曲线 按图3所 示电路，将待测电阻换为非线性电阻元件二极管，选择“外接法”测量非线 性电阻元件伏安特性曲线，实验参数自己选定，自拟实验数据记录表格，实验结束，数据送 交教师审阅，教师认可后，再拆除电路，归整仪器

图 2 中，电路属于电流表外接法．电压表测出的电压 U 就是 两端的电压 ，但电 流表测出电流Ｉ应等于 与 之和。 Rx Ux x I VI x x x V V x x U U U == = II I I I (1 ) 1 I x x V R R R = + + + R测 （1-3） 由此式可知，电阻的测量值 比实际值 R测 Rx 要小， x V R R 是由于电流表外接带来的接入误 差。在粗略测量的情况下，一般在 x << RR V （如 Rx 为几欧或几十欧）时用“外接法”。为 精确计算出 的值，应按式 Rx 1 x V R R R R = − 测 测 进行修正。（ 由实验室给出）。 R V 4、半导体二极管 半导体二极管是一种常用的非线性电子元件，两个电极分别为正极、负极。二极管的主 要特点是单向导电性，其伏安特性曲线如图（b）所示。其特点是：在正向电流和反向电压 较小时，伏安特性呈现为单调上升曲线；在正向电流较大时，趋近为一条直线；在反向电压 较大时，电流趋近极限值 — I S , I S 叫做反向饱和电流。 由于二极管具有单向导电性，它在电子电路中得到了广泛应用，常用于整流、检波、限 幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 图 3 二极管电阻测量电路 【实验内容和要求】 １、用电流表内接法测电阻 按图 1 所示电路，先合理摆放好各仪器的位置，然后连接电路。适当选择电压表，电流 表的量程及电源输出电压。电路经教师检查无误后方可接通。调节滑线变阻器，使待测电路 的电压和电流逐渐增大，当U 和 的值各自接近量程的 2/3 时，开始记录数据。改变滑线变 阻器６次测出６组U 、 的值。 I I ２、用电流表内接法测小灯泡电阻 按图 1 所示电路，换接小灯泡，重新选择电表量程和电源电压。调节滑线变阻器，测出 8 组U 、 值。 I 3、测量二极管的伏安特性曲线 按图 3 所示电路，将待测电阻换为非线性电阻元件二极管，选择 “外接法”测量非线 性电阻元件伏安特性曲线，实验参数自已选定，自拟实验数据记录表格，实验结束，数据送 交教师审阅，教师认可后，再拆除电路，归整仪器

【数据记录与处理】 1、用“内接法”测电阻的数据记录及处理 次序 1 2 3 4 5 6 UV) 1(4A) RW(2) 2、非线性电阻元件伏安特性曲线测量数据记录，表格自拟，画出伏安特性曲线。 【思考题】 电流表内接法和电流表外接法有何不同？这两种接法都适用于什么情况？

【数据记录与处理】 1、用“内接法”测电阻的数据记录及处理 次序 1 2 3 4 5 6 U V( ) I( ) A R测( ) Ω 2、非线性电阻元件伏安特性曲线测量数据记录，表格自拟，画出伏安特性曲线。 【思考题】 电流表内接法和电流表外接法有何不同？这两种接法都适用于什么情况？